锚索索力损失对预应力闸墩动态特性的影响

李火坤，何小敏，刘 鹏，杨 敏

(1.南昌大学 建筑工程学院，江西 南昌 330031;2.天津大学 建筑工程学院，天津 300072;3.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西 西安 710065)

采用大吨位锚索锚固技术支承水工弧形钢闸门支臂传递的巨大水推力，已在我国水利水电工程建设中得到广泛的应用与发展，如国内首先使用该技术的葛洲坝水电站中的二江、三江和大江泄洪冲沙闸，以及后来推广应用的龙羊峡、五强溪、安康、水口、漫湾等水电站.关于锚索对闸墩静态应力的影响研究，国内外研究较多，李振龙［1］、张微微［2－3］、赵春［4］等采用三维有限元法计算了水电站闸墩整体空间应力与变形，分析了预应力闸墩的静态受力特性;郭宏磊等［5］通过有限元模拟、模型实验及弹性理论分析，得到了预应力闸墩体内锚固区的应力分布及开裂部位;张世宝等［6］对预应力闸墩进行了结构模型试验，分析研究了预应力预压效果和闸墩及其锚块等控制部位的受力状态;陈震等［7］采用弹塑性损伤模型模拟了预应力混凝土内部损伤累积导致的变形增加和承载力降低，并基于规范中的单轴应力－应变曲线推导了简化的弹塑性损伤模型，模拟预应力闸墩的损伤机理.以上研究多集中于预应力闸墩的静态应力分析方面，由于闸墩除了承受弧形闸门推力外，泄流过程中还会承受水动力荷载作用［8］并产生振动，关于预应力闸墩动态特性(包括模态特性、动态响应等)方面的研究较少涉及，特别是锚索张拉力损失对闸墩动态特性的影响方面研究更少，彭刚等［9］采用振型分解反应谱法对某预应力闸墩的动力特性进行了计算分析，比较了分离式模型和整体式模型下的频率、位移及应力成果.本文以某水电站预应力泄洪闸闸墩为例，针对其运行过程中出现的锚索拉力损失和泄洪闸闸墩出现强烈振动的情况，采用模型试验与数值模拟方法，测试了闸墩整体水动力荷载，建立了预应力闸墩三维有限元模型，计算并分析了锚索索力损失对闸墩动态特性的影响，研究成果可为类似工程提供参考.

1 工程概况

1.1 泄洪闸闸墩及锚索结构布置

某泄洪闸布置于垂直升船机坝段与厂房坝段之间，由5孔组成，从左至右排列为1#～5#.孔口尺寸为13.0 m×23.8 m(宽×高)，堰顶高程193.50 m，设13.0 m×23.5 m 的平板检修门和弧型工作门各一道，弧门支铰高程为217.60 m，弧门半径为32.00 m，闸墩厚度4.5 m.堰型为宽顶堰，由上游圆弧、堰顶水平段、抛物线段、斜坡段、反弧段组成，堰面通过反弧段与消力池底板相接，闸室沿水流方向长54.0 m.闸墩为预应力闸墩，1#孔左闸墩为满足施工期导流需要，闸墩与纵向导墙结合设计，顶部厚14.0 m(其中4.5 m厚为预应力结构)，其余闸墩厚均为4.5 m.右岸泄洪闸闸墩锚索布置采用锚块预应力形式，分闸墩主锚索和锚块次锚索.锚块断面为梯形，顶宽4.0 m，底宽5.6 m，沿弧门推力方向长6.5 m，弧门单支铰推力P=25 180 kN，根据推力值和布置需要，闸墩厚度设置为4.5 m，泄洪闸布置如图1～2所示.

图1 泄洪闸平面布置Fig.1 Sluice layout

图2 泄洪闸闸墩剖面Fig.2 Typical profile of a sluice

主锚索布置:泄洪闸右闸墩，主锚索立面为扇形布置，设5层，1，3，5层每层4束，2，4层每层3束.左侧中闸墩主锚索立面同为扇形布置，设5层，每层6束.主锚索型式采用OVM15－27锚固体系，钢绞线直径为15.24 mm，单束由27根钢铰线组成，单束锁定吨位4 880 kN，超张拉吨位为5 120 kN，永存吨位4 100 kN.弧门单支铰推力的拉锚系数(所施加的预压力与弧门总推力之比值)边墩为2.54，中墩为2.38.为了使锚块保持较好的应力状态，在锚块内布置垂直水流方向的次锚索，垂直弧门推力方向分别布置4列4排共16束锚索，下游侧一排布置于距锚块下游侧边缘1.05 m处，上游侧一排布置于距锚块上游边缘0.7 m处，中间排距上游排的距离分别为0.9和1.2 m，每列均布设 4束.上游侧三排采用OVM15－25锚固体系，即钢绞线直径为15.24 mm，单束由25根钢绞线组成，单束锁定吨位为4 500 kN，超张拉吨位为4 720 kN，永存吨位3 850 kN.下游侧一排采用OVM15－22锚固体系，即钢绞线直径为15.24 mm，单束由25根钢绞线组成，单束锁定吨位为3 900 kN、超张拉吨位为4 100 kN、永存吨位为3 350 kN.锚索布置如图3所示.

图3 泄洪闸中墩锚索布置Fig.3 Anchor layout of middle pier

1.2 锚索索力损失

在锚索张拉锁定后的半年内，锚索张拉荷载损失较大，10套主锚索实测值平均损失8.8%，2年后10套锚索实测值平均损失14.47%，其中6套锚索实测值小于设计永存吨位4 100 kN，5号墩部分锚索发生突变式荷载损失.个别锚索测力计实测张拉荷载在1年后一直呈现减小趋势，尚未收敛;根据监测资料结果分析，锚索荷载损失率普遍较高，索力损失率超过15%的有7支，损失率在10% ～15%之间的有8支，部分锚索应力损失较大，且当前测值低于设计永存吨位.该电站在运行过程中曾遭遇30年一遇洪水，发现泄洪闸闸墩顶部振动幅度较大，无法判定锚索索力损失与闸墩振动之间的关系.鉴于此，本文基于三维有限元模型，并结合水力学模型试验，研究锚索索力损失对闸墩动态特性的影响.

2 预应力闸墩数值计算模型

采用ANSYS大型有限元软件建立泄洪闸闸墩数值模型，取2#泄洪闸右半孔+3#泄洪闸+4#泄洪闸左半孔(简称3#孔闸墩)作为计算单元体进行干模态分析，模拟不同索力损失对泄洪闸闸墩整体动力特性的影响.泄洪闸闸墩、地基、锚索等结构相关计算材料参数如下:钢筋混凝土重度为24.50 kN/m3，混凝土重度为24.0 kN/m3，锚索重度为78.5 kN/m3;C25 混凝土弹性模量和泊松比为2.80×104N/mm2和 0.167，C30 的为3.00×104N/mm2和0.167，C40 的为 3.25×104N/mm2和 0.167;锚索弹性模量和泊松比为 1.95×105N/mm2和 0.27.

采用ANSYS单元库中的SOLID45单元模拟闸墩混凝土结构及地基;附属建筑物(如工作桥等)采用MASS质量元进行简化;采用LINK8杆单元模拟锚索效应(施加初始应变进行模拟)，闸墩预应力按损失后吨位计算，边墩、中墩主锚索张拉力每根均按4 000 kN计;次锚索张拉力前3排每根均按3 700 kN计，后1排每根均按3 350 kN计.

计算范围及边界条件:根据地基模拟范围对泄洪闸闸墩动力特性影响的分析结果［10］，地基模拟深度取50 m，宽度取26 m，上下游长度取50 m;闸室地板周边结构缝按自由边界处理，地基四周采用全约束，即约束X，Y，Z方向位移，工作桥等附属建筑物以附加质量的形式考虑.泄洪闸及锚索有限元模型如图4～5所示.

图4 3#孔泄洪闸闸墩整体有限元模型Fig.4 FEM for 3#sluice pier

图5 闸墩锚索有限元模型(LINK8单元)Fig.5 Anchor's FEM(LINK8 element)

3 锚索索力损失对闸墩动态特性的影响分析

3.1 索力损失对闸墩模态特性的影响

以上述有限元模型为基础，计算5组索力损失程度情况下闸墩模态特性(前10阶)，主锚索索力损失模拟每根按4 000，3 000，2 000，1 000和0 kN 依次递减;次锚索拉力前3 排每根按3 700、3 000，2 000，1 000 和0 kN依次递减;次锚索拉力后1排按3 350，3 000，2 000，1 000和0 kN依次递减.计算时，当锚索发生应力损失时，按主锚索与次锚索同时损失进行计算，计算结果如图6所示.从计算结果来看，主、次锚索损失对泄洪闸闸墩自振频率影响很小(频率变化基本在小数点后2位).

3.2 索力损失对闸墩动态响应(动位移、动应力)的影响

3.2.1 泄洪闸闸墩整体水动力荷载模型试验 为获取作用在闸墩上的整体荷载(面荷载)，制作了泄洪闸整体水力学模型，水力学模型左、右闸墩沿顺水流方向都分成3块，用于测量顺水流向闸墩不同区段的水力学荷载，利于后续的数值计算.面压力盒承压面的面积与一个闸墩段的面积相同，承压面由2个力传感器支撑，受测段两侧承压面的动水压力传至2个传感器，进而测出受测段的动水荷载.闸墩的力传感器布置如图7所示，试验模型如图8所示.试验工况为不同频率洪水及不同运行方式组合，如表2所示.

图6 锚索索力损失对闸墩动力特性的影响Fig.6 Impact of anchor force loss on pier dynamic characteristics

图7 闸墩整体面荷载测试传感器布置Fig.7 Sensor layout of pier overall load tests

图8 闸墩整体荷载模型试验Fig.8 Overall load model tests on piers

表2 整体面荷载测量试验工况Tab.2 Model test conditions of overall load tests

对各试验工况闸墩整体荷载进行统计分析，整体面荷载最大值、均方根见图9～10(限于篇幅仅给出左闸墩试验结果).

图9 各工况左闸墩整体荷载最大值Fig.9 The maximum overall load of left pier

图10 各工况左闸墩整体荷载均方差Fig.10 Root mean square deviation of overall load of left pier

试验结果表明，左闸墩最大瞬时水平推力出现在校核工况，位置在桩号0+26 m处，约为6.11×103kN，此时脉动推力均方根约为9.1×102kN;其他工况的瞬时水平推力为1.96×102～5.88×103kN量级，脉动推力均方根为2.25×102～1.0×103kN 量级.通过对闸墩整体荷载功率谱分析，荷载主频较低，约为0.05 ～0.15 Hz，脉动能量基本分布在0.50 Hz以内.

3.2.2 索力损失对闸墩动态响应的计算结果分析 以校核荷载工况所测整体荷载为典型计算工况，将所测整体面荷载施加至有限元模型进行瞬态计算，分别计算锚索索力不同损失程度对闸墩动位移及动应力的影响，锚索索力损失计算组次同表1.闸墩动位移及动应力结果提取节点位置如图11所示，其中1～10号点提取动位移，11～31号点提取动应力，计算结果如图12～13所示.

图11 动位移及动应力提取点位置Fig.11 Dynamic displacement and dynamic stress monitoring points

图12 1～10号点动位移均方根及最大值Fig.12 Root mean square and the maximum dynamic displacement of points

从计算结果来看，对动位移而言，锚索索力损失对闸墩动位移影响甚微，各计算组次情况下动位移均方根及最大值变化很小;对动应力而言，对于远离锚固区的11～17号点，动应力均方根无论是沿高程还是不同计算组次，其值变化很小，基本在0.02 MPa;闸墩动应力最大值沿高程逐渐减小，但不同索力损失计算组次情况下，底部最大动应力随索力损失程度增加而增大，即锚索索力的减小增大了远离锚固区的底部的最大动应力值，增幅约0.2 MPa.对于锚固区的18～24号点以及25～31号点，动应力均方根无论是沿高程还是不同计算组次，其值变化也较小，约0.05 MPa;闸墩动应力最大值沿高程逐渐减小，在不同索力损失计算组次情况下，闸墩底部最大动应力随索力损失的变化与远离锚固区的11～17号点变化趋势相反，即底部最大动应力随索力损失程度增加而呈减小的趋势，减幅约0.1 MPa.

总体而言，锚索索力损失对闸墩动位移影响很小，而对闸墩底部最大动应力的影响与闸墩部位有关(即锚固区与远离锚固区)，动应力最大值的变幅不大，主要体现为局部影响.

4 结语

预应力闸墩在水利工程泄水建筑物中已广泛使用，随着运行时间的增长，锚索索力会发生不同程度的降低，本文以某泄洪闸闸墩为例，针对其运行过程中出现的锚索索力损失以及闸墩强烈振动现象，采用数值模拟与水力学模型试验相结合的手段，研究了锚索索力损失对闸墩模态特性、动位移及动应力的影响.研究结果表明，锚索索力损失对闸墩模态特性及动位移影响很小，对闸墩动应力而言，闸墩首部(远离锚固区)最大动应力随锚索拉力减小而增大，闸墩后部(锚固区)最大动应力有随锚索拉力减小而减小的趋势，最大动应力变幅在0.1～0.2 MPa.由于本文仅考虑了5组索力损失组合情况，并且在计算工况的选择上仅考虑了最大整体动荷载(即校核工况，无弧门推力)的工况，对于闸门局部开启工况(有弧门推力)以及更多的索力损失组合工况的研究还有待进一步加强.

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