山水河闸站拟建工程承重加固结构方案设计分析研究
2021-07-14王翔宇
刘 懿,姚 璐,王翔宇
(1.南京市水利规划设计院股份有限公司,江苏 南京 210000;2.南京市长江河道管理处,江苏 南京 210000)
水利工程中承重结构乃是水工设施安全运营的重要保障,如何提升承重结构安全稳定性乃是水工设计中持续探讨的问题,加强承重结构加固防护,对提升水利运营水平具有重要意义[1-3]。一些学者根据水利设计的侧重点,设计有物理模型试验,根据重难点参数进行对比设计,对物理模型试验结果的差异性开展探讨性研究,为拟建工程设计方案的运营可靠性进行检验、测试及指导[4-6]。当然,限于模型试验成本较高,因而一些水利工程师开始利用数值仿真手段,蒋礼瑜[7]、王志坤[8]、曹洋等[9]设计不同荷载工况下水工结构的应力变形场、渗流场等分析,包括有心墙坝体的参数优化、溢洪道优化设计等,为实际工程确定最优设计方案提供重要参考。本文根据山水河闸站拟建工程的承重加固结构,设计采用CAD-ANSYS建模计算方法[10],开展对特征部位应力特征与设计参数间联系分析,为评价最优设计参数、确定最优方案提供计算支持。
1 工程介绍
1.1 工程概况
山水河为江宁河左岸支流,为有闸控制河道,河道常水位4~5m,全长20km。现状河口宽约18~24m,堤顶高程7.5~9.1m,现状坡比1:2,河底宽2~5m,河底高程3.3~4.2m。拟建山水河河口闸站位于山水河入江宁河河口处,闸站为挡洪、泄洪闸,山水河水位高于江宁河时泄洪,山水河水位低于江宁河水位时关闸挡洪,闸站防洪标准为50a一遇设计洪水位9.43m。拟建工程闸室在顺水流方向上宽135m,垂直水流向长15.6m,闸室共一孔,净宽4.0m,设置工作闸门及防洪闸门,闸门尺寸均为4.0m×4.0m(高×宽),闸底高程2.20m,水闸设计流量为10m3/s。另设有抽水泵站,设2台1400ZQ-100潜水轴流泵,矩形进水流道,净宽4.0m、净高9.20m,底高程1.40m,水泵安装高程6.70m,泵室间设墩墙,另在泵室进口侧设拦污栅,出口侧设防洪闸门,闸门宽高尺寸设计为4.0m×4.0m。根据重要承重部位应着重加固的设计原则,对拟建泵闸工程进行设计加固,初步考虑采用预应力锚索加固支护方案。
锚索布设平面图如图1所示。横锚索为4排布设,每排横锚索均采用双层锚筋,锚筋直径为20mm,各排锚索间距为160mm,层间距为15mm,每个断面上拟采用8~10根横锚索,与横锚索相对应的是纵锚索与之垂直分布,采用锁铰约束固定,间隔200mm设置一个锁铰约束,各排次锚索间距为240mm。设计横锚索张拉吨位为35000kN,能够满足山河口水闸拟建工程承重结构要求,纵锚索与横锚索的拉锚系数分别为1.65、1.73,锚索自由段长度为6m,锚固长度还需根据荷载工况进行二次优化。锚固洞截面为五边形,最长边尺寸为600mm,最短边尺寸为152mm,与锚索体型相适配。为确保荷载传递安全性,横、纵锚索均设置有垫块,厚度分别为50、40mm,但垫块截面尺寸并未确定,初步考虑采用正方形截面体型,因而垫块只需确定其边长,垫块截面示意图如图2所示。根据设计优化要求,本文主要针对性解决锚索锚固长度参数L及垫块截面积参数A(边长参数a)开展对比分析。
图1 锚索布设平面图
图2 垫块截面示意图
1.2 建模计算
根据上述工程设计要求,本文采用ANSYS作为后处理计算平台,前期采用CAD绘图建模获得拟建工程计算几何图,在ANSYS计算平台中进行网格划分,获得山水河水闸工程整体模型,如图3所示。针对计算结果对比可靠性,对水闸特征部位进行重点加密划分,特别是锚固洞及锚块等部位,笔者选取闸站工程3个重要特征部位进行重点计算分析,包括闸肩、锚固洞等部位,且特征部位进行网格加密处理,各部位所在区域及加密后独立模型如图4所示。基于ANSYS软件网格划分后计算模型共获得网格单元325628个,节点数245925个,而独立模型中以锚块为例,其共获得网格单元56825个,节点数46826个,所有划分后的网格尺寸均低于0.5m[11-12]。工况选取水闸正常运营期状态,荷载包括有水压力、闸门推力、水上扬压力及闸室结构自重等,设定水闸顶部为自由边界,其他方面均具有相应的垂向约束。计算模型中X、Y、Z正向分别取山水河闸站右岸、下游水流及闸站垂直向上方向。
图3 山水河水闸整体模型
图4 锚索加固结构特征部位计算模型
2 锚固长度参数设计优化分析
为探究锚固长度参数对加固结构应力稳定性影响,本文设计在保持其他设计参数一致的状态下,对单一变量锚固长度参数开展对比计算分析,为确定最优锚固长度参数提供参考。笔者设定锚固长度参数方案分别为10、12、14、16、18、20m,对各方案中加固结构特征部位应力特征开展分析。
2.1 拉应力特征
根据数值仿真计算各锚固长度参数方案下特征部位拉应力特征,获得锚固长度参数影响下加固结构特征部位最大拉应力变化关系,如图5所示。从图中可知,各方案中均以锚固洞上拉应力值为最大,在锚固长度为14m时锚固洞最大拉应力为4.64MPa,而相同方案中闸肩、锚块最大拉应力相比前者分别降低了55.8%、22.7%,表明锚固洞上拉应力集中较严重,张拉破坏威胁较大,设计与施工时均应着重防护[13-14]。分析锚固长度对特征部位拉应力影响可知,锚固长度与3个特征部位最大拉应力均为负相关关系,其中降幅最显著的属锚固洞,在锚固长度10m时锚固洞最大拉应力为5.67MPa,而锚固长度为14、18、20m时的最大拉应力相比前者分别降低了18.1%、32.4%、35.3%。当锚固长度增大2m,锚固洞上最大拉应力平均损失了8.3%,且其降幅主要集中在锚固长度区间10~16m内,该区间内长度增大2m的最大降幅为11.5%,而在长度16~20m内最大降幅仅为6.3%,表明锚固长度16m后锚固洞上最大拉应力降幅对结构张拉应力改变无显著影响。锚块与闸肩处最大拉应力较之降幅较小,特别是闸肩部位最大拉应力在锚固长度16m后基本无较大波动,其在锚固长度增大2m状态下,导致闸肩部位最大拉应力损失为5.2%。锚块上最大拉应力在锚固长度为14、18、20m时的最大拉应力相比长度10m时分别降低了5.5%、10.3%、11.9%,其在锚固长度10~16m区间内时,平均降幅为7.5%,而在区间16~20m的平均降幅又为1.3%,表明锚固长度对锚块最大拉应力影响为逐渐减弱。
图5 锚固长度参数影响下特征部位最大拉应力变化
2.2 压应力特征
在计算加固结构特征部位拉应力的同时,亦可获得结构特征部位压应力变化特征,如图6所示。从图中可知,锚固洞与锚块上最大压应力随锚固长度为递减关系,锚固长度10m时锚块最大压应力为14.34MPa,而锚固长度14、18、20m下最大压应力相比前者分别减少了17.2%、27.2%、28.3%,表明锚固长度愈大,愈可抑制加固结构上压应力发展,对山水河拟建水闸向下沉降变形等抑制或减小均有较强作用。锚块最大压应力随锚固长度增大2m,平均可降低6.4%,但在区间16~20m长度内,其平均降幅为2.3%;同样在锚固洞上,其平均降幅为13%,而区间16~20m内的降幅为5.8%。闸肩部位处最大压应力基本无显著变化,在各设计方案中均稳定在8.2MPa,且低于结构材料安全压缩荷载。为减少工程建设成本,在锚固长度16m后锚固洞与锚块压应力降低趋势较小的情况下,并不需过长的锚固长度,因而综合拉、压应力影响变化特征,锚固长度为16m时更佳。
图6 锚固长度参数影响下特征部位最大压应力变化
3 垫板设计参数优化分析
垫板的存在,对加固结构荷载传递及应力稳定性具有较大作用,研究垫板结构设计尺寸参数很有必要,本工程中垫板厚度已确定,主要针对正方形截面垫板的边长参数开展对比分析,在保持其他设计参数一致的状态下,其中锚固长度为16m,对垫板边长设计参数进行方案优化。笔者设定边长参数方案分别为20、25、30、35、40、45cm,对各方案中加固结构特征部位应力特征开展分析。
3.1 拉应力特征
将各方案中垫板边长参数代入模型计算,获得垫板边长参数影响下加固结构特征部位最大拉应力变化特征,如图7所示。从图中可看出,锚固洞与锚块最大拉应力随垫板边长参数均为递增关系,在边长20cm时锚块最大拉应力为2.09MPa,而边长30、45cm时的最大拉应力相比前者分别增大了13.5%、60.8%,而相同对比方案下锚固洞的增长幅度分别为33.5%、100.3%;从整体幅度计算结果可知,锚固洞在边长参数增大5cm时,其最大拉应力可提升15%,但以边长35~45cm区间内的拉应力增长幅度最为显著,该区间内平均增长幅度为17.8%;相比之下,锚块增长效应弱于前者,边长参数增大5cm,最大拉应力提升幅度为9.8%,但同样最大增长幅度均集中在边长35~45cm区间内,该阶段内最大增长幅度可达17.3%,平均增幅达15.6%;分析表明,锚固洞与锚块乃是加固结构中张拉应力最危险区域,加筋及混凝土浇筑均应着重防护。与前两者特征部位不一样的是,闸肩最大拉应力随垫板边长参数为递减关系,边长30、45cm时的最大拉应力相比边长20cm分别减少了48.8%、81.1%,表明垫板边长设计参数愈大,对闸肩最大拉应力抑制效果愈为显著,在边长20~35cm区间内,各方案中闸肩最大拉应力平均降低幅度为32.6%,方案间最大降幅为41%,而在边长35~45cm区间内闸肩最大拉应力降幅较小,最大降幅仅为23.4%,平均降幅仅为21%,表明闸肩最大拉应力受边长参数影响在35cm后逐渐减弱。
图7 垫板边长参数影响下特征部位最大拉应力变化
3.2 压应力特征
同理计算获得垫板边长参数影响下的加固结构压应力特征,如图8所示。从最大拉应力变化关系可知,3个特征部位最大压应力随垫板边长均为递减关系,边长20cm时闸肩最大压应力为7.83MPa,而边长30、45cm时的最大拉应力相比前者分别减少了14.3%、23.6%,在边长35~45cm时闸肩最大压应力基本接近,稳定在6MPa左右,表明垫板边长对压应力抑制效应在35cm后无显著差异,在边长增大5cm时,闸肩最大压应力平均损失了5.2%。同样,在锚固洞与锚块上最大压应力随各方案均有较大降幅,边长5cm的增长,可导致2者最大压应力降低7.4%、6.2%,且均集中在边长35~40cm左右时,出现最大压应力降幅减小的情形,表明垫板边长参数在该节点之后,对应力抑制效应无较大改变。综合结构应力特征可知,垫板边长以35cm为设计方案,不仅压应力处于较为可控区间,且张拉应力处于抑制性发展节点,有利于加固结构长期安全稳定运营。
图8 垫板边长参数影响下特征部位最大压应力变化
3.3 应力分布特征
为探讨最佳设计方案中应力特征,给出锚固长度16m、垫板边长35cm时特征部位应力分布特征,如图9所示。分析3个部位应力特征可知,闸肩处最大拉应力集中在与锚块接触面上,而锚块全区域内以较小拉应力为主,分布范围为0.18~0.46MPa,锚固洞上拉应力集中较大,但并未集中在锚固洞薄弱面上,压应力主要集中在侧面区域。从加固结构整体应力来看,应力分布处于较为均衡,无显著张拉集中破坏,该设计方案作为最优方案更具可靠性。
图9 特征部位应力分布特征
4 结论
(1)结构最大拉应力位于锚固洞,锚固长度与特征部位最大拉应力为负相关,但降幅最大为锚固洞部位,且最大拉应力均在锚固长度16m后降幅显著减小。
(2)锚固洞、锚块最大压应力随锚固长度为递减关系,随锚固长度增大2m,分别降低13%、6.4%,闸肩压应力稳定在8.2MPa;特征部位最大压应力与边长参数为负相关。
(3)锚固洞与锚块最大拉应力随垫板边长均为递增关系,均以边长35~45cm区间内的拉应力增幅最为显著;闸肩最大拉应力随垫板边长参数为递减关系,且其影响在35cm后逐渐减弱。
(4)综合认为锚固长度16m、垫板边长35cm,加固结构安全稳定性最佳。