基于ANSYS的预应力闸墩结构布置研究

唐克东，孙留颖

(华北水利水电大学，河南 郑州450045)

近几年来，我国在预应力锚固技术的张锚体系和施工工艺、材料和设备以及预应力设计理论等方面积累了十分丰富的实践经验，并进行了较深入的理论研究［1］.预应力混凝土技术，通过实践证明便于施工定位和缩短工期，在获取更高的经济技术效益方面呈现出明显优势［2］，故在水工结构工程中的弧形闸门支墩锚固等部位得到了广泛应用［3］. 结构选型过程中，所选类型应考虑其自身强度、刚度、构造上的要求，使各部位的尺寸合理［4］. 以往的计算大多采用弹性地基梁的方法进行，且认为地基是无限均质体，而有限元分析可以将地基和上部结构统一划分单元，从而使闸室地基协调一致、共同变形.有限元法实质是一种在物理或工程问题的数学模型上进行近似数值计算的方法［5］.ANSYS 程序作为一个功能强大的设计分析及优化软件包，具有以下特点:①ANSYS 是完全的WINDOWS 程序，从而使应用更加方便;②产品系列由一整套可扩展的、灵活集成的各模块组成，因而能满足各行各业的工程需要;③它不仅可以进行线性分析，还可以进行各类非线性分析;④它是一个综合的多物理场耦合分析软件，用户不但可用其进行诸如结构、热、流体流动、电磁等的单独研究，还可以进行这些分析的相互影响研究，例如:热—结构耦合，磁—结构耦合以及电—磁—流体—热耦合等.因泄洪闸墩及弧门支承牛腿承受弧门传递的较大水推力，加上闸墩内预应力主锚索和上游端锚固竖井的布置，以及支承牛腿内次锚索的作用，使得闸墩和锚块的结构及受力更加复杂.因此，须通过三维有限元计算了解闸室段的应力、应变分布规律.

1 计算模型

某泄洪闸为3 孔开敞式平底闸，孔口尺寸均为12.6 m×19.5 m.泄洪闸闸室段长49 m，设有2 个边墩和2 个中墩，底板中间分施工缝.每孔闸设平板检修闸门(3 孔共用一扇检修门)和弧形工作门各一道，弧门支座牛腿为预应力锚块，在锚块下部设一条永久缝，缝内涂抹黄油. 弧门单支铰最大推力14 500 kN［6］.主锚索立面布置如图1所示.

图1 主锚索立面布置图

取1#泄洪闸为计算对象，沿坝轴线(垂直水流方向)按分缝选取(左侧为左边墩左边界、右侧为2#泄洪闸底板中缝)，基础深度取一倍闸室高度50 m，基础上、下游长度(顺水流方向)分别取30 m 和50 m，基础沿坝轴线宽度同闸室.

4 个侧向地基表面分别施加与侧面相垂直的刚性链杆约束，底面施加竖向刚性链杆约束.其余结构表面均为自由面［7］.

图2 泄洪闸三维有限元网格图

2 计算结果与分析

2.1 锚 块

在各种工况下，左墩锚块部位的应力工况1 最不利，工况6 与工况1 基本相同，其他工况下的应力均好于工况1.工况1 下σx'拉应力区域从闸墩表面

在正常蓄水位1 436.00 m 时，工作弧门单支铰最大荷载14 500 kN;自重荷载按体积考虑;预应力荷载均按永存吨位考虑，主锚索永存吨位3 000 kN，拉锚比2.07，次锚索永存吨位2 400 kN;缝内水压力分为一道止水上、下游水位和两道止水内外有无水两种情况;闸室侧向水压力包括闸墩内外侧向水压力;温度荷载按结构内温度均匀降低11.6 ℃考虑.计算分9 种工况，见表1.单元网格划分如图2—3 所示.沿z'方向向闸墩内延伸0. 675 m，最大拉应力为3 172.9 kPa，如图4所示. σy'方向的拉应力基本在300 kPa 以内.σz'方向的最大拉应力为1 656 kPa.

图3 泄洪闸锚块有限元网格图

右墩锚块部位的应力工况2 最不利.工况2 下σx'拉应力区域从闸墩表面沿z'方向向闸墩内延伸0.52 m，最大拉应力为2 246.7 kPa.

表1 泄洪闸计算工况

图4 左墩锚块上游面与泄洪闸孔中心线剖面交线σx'变化图

2.2 闸墩支铰区

在各种工况下，左墩支铰区的应力工况1 最不利，工况6 与工况1 基本相同，其他工况各方向均好于工况1，基本为压应力.工况1 下在靠近锚块上游面3.98 m 长度范围内的闸墩支铰区出现了σx'拉应力，最大值为3 262.2 kPa，如图5所示.σy'方向的最大拉应力基本为227.18 kPa.σz'方向的最大拉应力为1 656 kPa.

右墩支铰区的应力工况2 最不利，工况7 与工况2 基本相同，其他工况出现的σx'拉应力均小于工况2.工况2 下在靠近锚块上游面2.98 m 长度范围内的闸墩支铰区出现了σx'拉应力，最大值为2 423.4 kPa.

图5 左墩右侧面与泄洪闸孔中心线剖面在闸墩锚索长度范围内交线σx'变化图

2.3 闸墩根部

工况5 下左闸墩左侧根部出现了σy拉应力，最大值在600 kPa 以内，如图6所示.

在设计洪水和校核洪水情况下，一道止水时左闸墩根部基本处于受压状态;两道止水时闸墩根部x，y，z 三个方向都出现了拉应力，σy拉应力最大，其值为7 435.1 kPa，超出了混凝土的抗拉强度而无法满足抗裂设计要求［8］.因此，两道止水方案不可取.

在设计洪水和校核洪水情况下，一道止水时右闸墩根部处于受压状态;两道止水时闸墩根部x，y，z三个方向都出现了较大的拉应力，σy拉应力最大，其值为1 910.6 kPa.

图6 工况5 左边墩左侧σy 等值线图(单位:kPa)

3 结 语

1)泄洪闸正常运用时，闸墩施加预应力可有效消除弧门推力在闸墩及锚块上产生的拉应力. 当泄洪闸、厂房永久结构缝设置一道止水时，闸墩根部、检修门槽、顶部连接板等部位的混凝土应力状态满足设计控制要求.左墩锚块部位的应力最大拉应力为3 172. 9 kPa，闸墩支铰区拉应力最大值为3 262.2 kPa，闸墩支铰区及锚块局部存在大于C40混凝土抗拉标准强度的拉应力，不能完全满足设计要求.建议在结构布置允许的情况下作进一步调整.

2)当泄洪闸、厂房永久结构缝设置两道止水时，闸墩尤其是左墩内侧闸墩与底板交接线上部区域存在较大的拉应力，不能满足闸墩混凝土抗裂设计要求.因此，设计不应采用两道止水方法.

［1］黎军.苏北平原某水闸闸墩混凝土开裂主导因素的定量分析［J］. 华北水利水电学院学报，2009，30(6):47－50.

［2］赵顺波，张学朋，李晓克. 压力隧洞高效预应力混凝土衬砌的设计与应用［J］.华北水利水电学院学报，2008，29(1):24－27.

［3］郑小平，熊增生，徐倩，等.四川横江万年桥水电站泄洪冲砂闸门制造及施工技术［J］. 华北水利水电学院学报，2011，32(1):23－26.

［4］陈霞，丁正中，杨光，等.大跨度液压上翻转式闸门的研究与应用［J］.华北水利水电学院学报，2010，31(6):19－22.

［5］彭成山，袁淮中，王甜. 南水北调工程七里河水闸的三维有限元分析［J］. 华北水利水电学院学报，2010，31(3):12－13，18.

［6］唐克东，郭雪莽，赵顺波，等.巴贡水电站溢洪道预应力闸墩三维有限元计算分析［R］.郑州:华北水利水电学院，2004.

［7］中水东北勘测设计研究有限责任公司. SL 212—2012水工预应力锚固设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2012.

［8］水利部长江水利委员会长江勘测规划设计研究院. SL 191—2008 水工混凝土结构设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2008.