基于COMSOL Multiphysics的溢流坝预应力闸墩数值分析

2023-03-14戚会刚

水利技术监督 2023年2期

华中，王晓，戚会刚

(淮安市淮河水利建设工程有限公司，江苏涟水 223400)

1 工程概况

某工程泄洪建筑物为溢流坝，各溢流坝段长分别为26.5、18.5、18.5、17m。溢流表孔共设4孔，孔口尺寸13m×21m，堰顶高程87.0m，每孔设弧形工作闸门，弧形闸门尺寸13m×24.5m，挡水情况下，弧门总推力56000kN，采用液压启闭机操作，上游设平板检修门，下游设置电缆沟。表孔闸墩为预应力闸墩，型式为宽尾墩，闸墩全长49m，墩头采用半圆形，半径2m，闸墩宽尾段长15.15m，孔口收缩比0.5，孔口缩窄后出口宽度6.5m，墩尾厚13m。两侧边墩以下设导墙，导墙墙顶高程由96.50m渐变至80.0m。

溢流堰面曲线采用WES曲线，曲线方程为y=0.0432×1.85，下接1∶0.632的直线段和半径25m的反弧段，再接戽流消力池。溢流坝采用孔中分缝，闸墩厚4.5m，闸墩上游悬挑3.1m，在高程81.1m挑出溢流坝上游面，墩顶顶部再悬挑1.5m布置坝顶公路桥梁。溢流坝坝体上游面铅直，下部为1∶0.2折坡，折坡点高程71.0m。

戽流消力池底板高程40m，消力池水平段长20m，消力池底板厚5m，其后设斜坡消力坎，陡坎高度8m，消力坎坡比为1∶2，戽流消力池总长54.7m。消力池底板下设锚筋φ32@1.5m，入岩9.0m。

2 锚块及锚索布置

2.1 锚块布置[1]

弧门支座(锚块)采用简单型锚块，锚块底部与闸墩之间采用“三油两毡”分隔层连接，锚块伸出闸墩外2.7m，平面尺寸7m×6.15m(宽×高)，如图1所示。

图1 闸墩结构布置图(单位：mm)

2.2 锚索布置[2]

中墩各侧面沿闸墩高度方向布置5层，每层3排，共30根，长度分别为33、29m，各层长短相间布置，最外侧主锚索距闸墩边缘0.6m，排距0.6m，相邻2层锚索间的扩散角4.0°，如图2所示。

图2 中墩锚索和锚块结构布置图(单位：mm)

边墩在挡水侧布置3排5层的预应力主锚索，布置方式同中墩，在另外一侧布置1排3层的预应力张拉平衡锚索，如图3所示。

图3 边墩锚索和锚块结构布置图(单位：mm)

锚索端部通过锚垫板与闸墩和锚块直接接触。

水平次锚索在锚块上游面布置2排，相邻2排的间距为1.0m，距锚块上游边缘1.0m，在锚块下游面布置一排，距锚块下游边缘1.0m，每排4根，共12根。

在闸墩主锚索上游端预留5个直径为1.5m的张拉孔，以便预应力锚索张拉施工，施工完毕后再用微膨胀混凝土回填封堵，以确保闸墩结构的整体性。

钢绞线采用Φ15.2mm(7Φ5)高强低松弛钢绞线，公称直径15.2mm，抗拉强度标准值1860MPa。单束主锚索由36股钢绞线组成，次锚索由18股钢绞线组成[3]。主锚索预应力为5400kN，次锚索预应力为2800kN。

3 计算模型及工况

根据溢流坝段闸墩设计方案，分别选取中墩和边墩为研究对象，将溢流堰、闸墩以及锚块按等比例建立三维有限元模型[4- 5]。混凝土采用常应力实体单元，溢流堰单元尺寸为0.5m[6]，闸墩单元尺寸为0.2～0.5m，锚块单元尺寸为0.2m。中墩模型共36.5万个单元，25.5万个节点，如图4所示。

图4 中墩计算模型和锚块三维网格图

边墩模型共28.7万个单元，20.8万个节点，如图5所示。

图5 边墩计算模型和锚块三维网格图

预应力锚索采用一维杆单元进行模拟，只计轴向拉力，不计剪力和弯矩[7- 8]。

模型坐标系统为：x轴沿水流方向；y轴沿坝轴线方向；z轴竖直向上。

根据闸墩受力特点，就主要控制工况进行计算，中墩计算工况及荷载组合见表1[9]。

表1 中墩计算工况及荷载组合

边墩计算工况及荷载组合见表2。

表2 边墩计算工况及荷载组合

4 计算成果与分析

经数值计算，中墩和边墩在不同工况下的位移见表3。

表3 不同工况下最大位移汇总表单位：mm

中墩和边墩在不同工况下的应力见表4。

表4 不同工况下最大应力汇总表单位：MPa

中墩颈部应力最不利工况为工况A3，工况A3位移计算结果如图6—7所示。

图6 工况A3中墩总位移(左)和x向位移(右)图(单位：m)

图7 工况A3中墩y向位移(左)和z向位移(右)图(单位：m)

闸墩各部位应力计算结果如图8—10所示。

图8 工况A3中墩颈部第一(左)和第三(右)主应力图(单位：kN/m2)

图9 工况A3中墩张拉孔第一(左)和第三(右)主应力图(单位：kN/m2)

图10 工况A3中墩锚块第一(左)和第三(右)主应力图(单位：kN/m2)

边墩颈部应力最不利工况为工况B2，工况B2位移计算结果如图11—12所示。

图11 工况B2边墩总位移(左)和x向位移(右)图(单位：m)

图12 工况B2边墩y向位移(左)和z向位移(右)图(单位：m)

闸墩各部位应力计算结果如图13—15所示。

图13 工况B2边墩颈部第一(左)和第三(右)主应力图(单位：kN/m2)

图14 工况B2边墩张拉孔第一(左)和第三(右)主应力图(单位：kN/m2)

图15 工况B2边墩锚块第一(左)和第三(右)主应力图(单位：kN/m2)

由表3—4、图6—15可看出：①中墩颈部截面受拉区边缘至最外侧主锚束孔中心之间的混凝土法向拉应力的平均值最大为1.20MPa[2]，发生在工况A3(一侧闸门挡水，一侧泄水)；边墩颈部法向拉应力平均值为1.42MPa，发生在工况B2(闸门挡水)。②中墩颈部表面最大拉应力为2.85MPa，边墩颈部表面最大拉应力为3.76MPa，均大于混凝土抗拉强度，范围较小，且沿轴线方向很快衰减。③中墩锚块的最大拉应力发生在工况A3(一侧闸门挡水，一侧泄水)，最大拉应力为1.35MPa，位于锚块闸墩交接处，最大压应力为20.57MPa，位于锚块底部与闸墩边缘接触部位；边墩锚块的最大拉应力发生在工况B2(闸门挡水)，最大拉应力为1.61MPa，位于锚块闸墩交接处，最大压应力为15.12MPa，位于锚头与锚块接触部位，为应力集中区域。④中墩张拉孔的最大拉应力发生在工况A2(两侧闸门挡水)，最大值为4.18MPa；边墩张拉孔的最大拉应力发生在工况B2(闸门挡水)，最大值为3.93MPa。两者均大于混凝土的抗拉强度，位于张拉孔上下边缘。⑤由于采用的是分离式锚块，锚块底部与闸墩连接部位在施工和运行过程中会出现应力集中区域，但分布范围较小。