预应力闸墩有限元分析
2020-12-24胡森
胡森
摘 要:根据某水电站泄洪闸孔闸墩结构及预应力锚索布置方案,应用有限元程序ANSYS建立三维有限元模型,比较预应力与非预应力情况下闸墩受力性能,验证预应力锚索布置方案的合理性,为工程设计提供参考。
关键词:预应力闸墩;锚索;泄洪闸;有限元
中图分类号:TV662+.2 文献标志码:A 文章编号:2095-2945(2020)27-0062-03
Abstract: According to the structure of the pier and the pre-stressed anchor layout of the spillway gate of a hydropower station, the finite element program ANSYS was used to establish a three-dimensional finite element model, compare the mechanical performance of the pier under pre-stressed and non-prestressed conditions, and verify the rationality of the pre-stressed anchor layout, so as to provide a reference for engineering design.
Keywords: pre-stressed pier; anchor; floodgate; finite element
1 預应力闸墩结构设计
某水电站布置有7孔泄洪闸,拟采用预应力闸墩结构,弧门总推力为2×16000kN。闸墩锚索布置分主锚索和次锚索,主锚索长20m,次锚索长8.8m。中墩主锚索在闸墩立面上作扇形布置,设5层,每层4根,总扩散角24°,相邻两层主锚索扩散角6°,预应力主锚索合力作用线通过弧门支铰中心。锚块在受到弧门推力和主锚索张拉力作用下,在垂直主锚索方向会出现次生拉应力,为改善锚块应力状态,在锚块内水平方向布置了3列次锚索,每列4根,锚固端设在锚块左右两侧。缝墩及边墩主锚索布置5层,每层3根,次锚索水平方向布置3列,每列4根,缝墩和边墩锚索布置形式同中墩。锚索采用7Φ5(Φ15.2)高强低松弛钢绞线,强度标准值1860MPa单根主锚索设计永存吨位2000kN,次锚索设计永存吨位1000kN。中墩锚索布置见图1。
闸墩混凝土分区:铰支座部位采用C40混凝土,其余部位采用C35混凝土。
2 三维有限元分析
2.1 计算模型与假定
本次计算主要分析比较闸墩预应力与非预应力条件下工作性态,验证闸墩预应力锚索布置的合理性,对模型荷载和边界条件进行了简化,考虑如下基本假定[1-4]:
(1)闸墩混凝土符合小变形情况下的线弹性基本假
定,即按空间线弹性理论进行结构有限元分析。
(2)模型未计入地基岩体的影响,仅考虑上部闸墩结构。
(3)计算荷载包括结构自重、单侧/双侧弧门推力、锚索预应力,未考虑两侧水压力对闸墩的影响。
(4)锚索预应力采用降温法施加,锚索与混凝土节点进行耦合求解。
选取泄洪闸中墩进行三维有限元分析,模型范围为中墩两侧闸孔中-中距离。模型底部及两边闸孔底板边界采用法向链杆约束。顺河向为X轴,指向下游为正,竖向为Y轴,竖直向上为正。采用有限元程序ANSYS对预应力闸墩进行分析,中墩结构有限元模型如图2所示,其单元总数82049个,节点总数72827个。
2.2 计算成果分析
2.2.1 单侧弧门推力作用下非预应力与预应力比较
(1)由表1可知,非预应力与预应力条件下闸墩变形均不大,顺水流向最大位移位于弧门推力作用处,横向最大位移位于闸墩尾部顶端处,竖向最大位移位于闸墩上游顶端处。非预应力条件下相较预应力条件下各向最大位移略大。
(2)靠近支座附近扇形区域径向应力如图3、图4,由图可知,非预应力条件下扇形区域径向应力主要为拉应力,径向总拉力10569.63kN;预应力条件下扇形区域径向应力主要为压应力,径向总压力-25785.59kN。可见预应力锚索对闸墩结构起到了很好的预压效果。
2.2.2 双侧弧门推力作用下非预应力与预应力比较
(1)由表2可知,非预应力与预应力条件下闸墩变形均不大,顺水流向最大位移位于弧门推力作用处,因荷载对称横向位移可忽略不计,竖向最大位移位于闸墩上游顶端处。非预应力条件下相较预应力条件下各向最大位移略大。
(2)靠近支座附近扇形区域径向应力如图5、图6,由图可知,非预应力条件下扇形区域径向应力主要为拉应力,径向总拉力24583.84kN;预应力条件下扇形区域径向应力主要为压应力,径向总压力-11810.62kN。可见预应力锚索对闸墩结构起到了很好的预压效果。
3 结束语
结合泄洪闸孔预应力闸墩结构工程实例,对结构关键部位的应力和变形进行了分析,结果表明预应力锚索大大改善了支座附近应力状态,达到了很好的预压效果,锚索布置方案可行。
参考文献:
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