型钢混凝土支座预应力闸墩结构应力分析与研究.pdf

设计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 7期 型钢混凝土支座预应力闸墩 结构应力分析与研究 高开 绪 许 尚伟 李倩 雯 刘 智 ( 1 山东省水利 勘测设计 院 山东济 南 2 5 0 0 1 3 ： 2 山东管理学 院信 息工程 学院 山东济 南 2 5 0 1 0 0 ) 【 摘 要 】 以岸堤 水库溢洪 闸预应力 闸墩为研 究对象 ，遵循 水工混凝 土结构设计规范 ( DL T 5 0 5 7 2 0 0 9 )的相关规定，对预应力 闸墩的承载力和抗裂控制进行计算，并应用大型通用有限元计算软件 a n s y s 对 溢 洪 闸预应 力 闸墩 进 行 了三维 应 力分 析研 究 ， 得到 了典型 工况 下 的 闸墩颈 部 与型 钢 牛腿 结 合部 位 的混凝 土 内部 应 力分 布 情况 ，分 析 结果 为岸 堤 水库 溢 洪 闸墩预 应 力体 系 的设 计 与优 化提 供 了依 据 。 【 关键词 】 A n s y s 预应力 闸墩三维有限元 【 DO I 编 码 】 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 4 0 7 0 2 5 【 中 图分 类 号 】T V3 1 【 文 献标 识码 】 B 【 文 章 编 号 】 1 6 7 2 2 4 6 9 ( 2 0 1 4 ) 0 7 0 0 8 0 0 3 1 工程概况 岸 堤水库位于沂河 一级支流东汶河 上，总库 容 7 4 9亿 m， ，兴利库容 4 5 1 亿 m3 ，是一座 以防 洪 为主 ，结合农业灌溉 、城市供 水等综合利用 的 大 ( 2 )型水库 ，也是 山东省第 二大水库 。除险 加 固后水库枢 纽由主坝 、 副坝 、 溢洪道 ( 溢洪 闸、 溢流 坝 )、输水洞和 防汛道路五部分组 成 。 水库溢洪 闸共 8孔 ，单孔 设计净宽 1 8 m，闸 底板 与 闸墩采用分 离式钢筋混凝土 结构，闸墩厚 3 0 m，闸室顺水流 向长 度 3 0 5 m，垂直水流方 向 总 宽度1 6 5 m，为 目前 山东省 内设计 单孔宽度 、 挡水 高度最大 的水 闸。工作 闸门采 用露顶式弧形 钢 闸 门。闸墩局 部扇 形受拉 区采用预应 力混凝土 结构， 弧门支座采用型钢混凝土组合梁式锚体支 座结构 。 2 问题背景 一 般水 闸采用 小跨 度弧形 闸门时，弧 门支座 承受的推力较小，可采用普通钢筋混凝土闸墩。 弧 门支 座采用普通钢筋 混凝 土牛腿结构 ，闸墩扇 8 0 形受拉 区辐射 筋采用普通钢筋 即可满足要 求 。 岸堤水库溢 洪闸 闸孔净 宽达 1 8 m，中孔闸墩 支铰承受 的最大法 向推力达 到 1 o 0 7 5 k N，在弧 门 支座与 闸墩 的连接部位将产生 较大 的拉应 力，且 受拉 区分布面积 较大 ， 若采用 普通钢筋混凝 土闸 墩及弧 门支座 ，则难 以满足结构抗裂 要求 。经过 综合分析 论证，设计采用 型钢 混凝土组合梁 式弧 门支座结构代 替传 统牛腿支座 ，并在 闸墩局 部扇 形受 拉 区通过 锚 固在 支座 上 的高 强度钢 绞 线来 施加 预应 力， 以抵消弧 门水推力所产 生的拉应力 ， 解决 闸墩 局部 扇 形受 拉 区及与 支座 连接 部 位 的 承载能力及抗裂 问题 。 为 了解 设 计方 案 中预 应力 闸墩 扇 形受 拉 区 混凝土 中应力应变 分布规律 ， 探 究锚索与 型钢 混 凝土组合梁 受力状况 ， 为工程提供 可靠设计依据 ， 考虑采用空间三维有限元分析方式对 闸墩进行 应力分析计算 。 以溢洪 闸中孔为例 ，建立 中墩 的 三维有 限元模型，通过对典型工况下模型受力进 行计算分析 ，对设 计方案进 行评 价并提 出建 议 。 作者简介：高开绪 ( 1 9 7 6年一 )，男，高级工程师 。 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 7期 3 计算方法 水工混凝土结构设计规范( D L T 5 0 5 7 2 0 0 9 以下简称 规范)对 弧形 闸 门预应力混凝土 闸 墩 颈部 承载 力计 算及 抗 裂控 制验 算均 作 了 明确 规 定 。本次分 析遵循 了该规范 的相关计 算规定 。 首先通过闸墩颈部正截面受拉承载力的计算初 步确定预应力钢筋数量， 然后通过三维有限元分 析法对 闸墩 颈部进行抗裂控制验算 。通过验算对 承载 力预应 力配筋进行校验和 调整 优化 ， 最终使 设计模 型满 足承载力及抗裂要 求。 3 1 闸墩颈部承载力极限状态验算 根据预 应力 闸墩 的受力工况 ，闸墩颈部 的正 截面受拉承 载力计算 ， 可分为单侧 弧 门推力作用 情况和双侧弧门推力同时作用情况。 单侧弧门推 力作 用情况 时，弧 门推力 作用于颈 部截面 之外 ， 属于大偏 心受拉情况 ； 而双侧 弧 门推力作用情况 则为轴 心受拉情况 。 中墩采 用对称配筋 ， 应 同时考虑上述两种受 力情况 ，满 足 以下要求 ： 在双侧 弧 门推力设计值作用 下，应符合 ： 1 ， ， 月 m 、 F l A c o s + 厶 c o s I ， d i = 1 j = l 见 规 范 ( 1 3 1 1 4 1 ) 在单侧 弧 门推力设计值作用 下，应 符合 ： 1厂 m 、 F e l c o s ( 一 a si) + c o s (或 一 ) I ， d f 1 l 见 规范 ( 1 3 1 1 4 2 ) 3 2 闸墩颈部抗裂控制验算 在 弧 门推力标准组合下 ，闸墩颈部抗裂控制 应符 合： 一 c ) - 0 7 见 规 范 ( 1 3 1 1 - 3 ) 其 中 是颈部 截面边缘混凝土 的法 向拉 应 力， 是扣 除全部 预应 力损失后 ，颈部截 面边 缘 混凝土 的法 向预压应力 。 弧形 闸门预应 力闸墩为空间结构 ，闸墩颈部 的结构型式特殊 ，外形尺寸和边 界条件 复杂 ，在 弧门推力和预应力作用下呈三向应力状态。由于 截面上的应变分布不符合平截面假定，严格说， 一 般不能简化成杆件结构来计算内力。因此，考 虑采 用三 维有 限元 法对 闸墩颈 部进 行三 维应 力 分析 ， 得到颈部截面混凝土法 向应力后 ， 再 按 规 范 1 3 1 1 3 式对弧形 闸 门预应力 闸墩颈 部进 行 抗裂验算 。 4计算模型的建立 岸 堤 水库 溢洪 闸采用 分 离式 钢 筋混 凝土 结 构 ，计算取 中孔 的大底 板和 闸墩结构作 为一个整 体 ，根 据结构 设计 图建 立三维有 限元计算模 型 。 为 了获取 闸墩 颈 部截 面边 缘 混凝 土 的法 向 拉应力分布情况， 计算模型采用如下局部坐标系： 以颈部截面法 向为 Y轴方向， 弧 门推力方 向为正： 在 闸墩侧表 面 内垂直于 Y 轴方 向为 x 轴 方 向， 向上为 正；z轴 方 向遵循右手法 则，垂 直于 闸墩 侧表面指 向闸墩外部 。 计算 采用 的三维有 限元模 型包括 2 3 6 2 0 个 计算节 点和 l 7 5 1 3单元 。考虑到计算主要 关心闸 墩颈部应力 分布情况 ，因此在 闸墩上游面和 闸底 板底面均约束 全部 自由度 。闸墩混凝土假定为各 向同性 、均 匀连续 的线弹性 体 。 闸墩 预应 力混凝土 结构主要 采用 8节 点六 面体单元进 行离散 。 为 了避 免锚头预应力产生应 力集中而引起计算误差， 将锚索预应力荷载扣除 预应力损失后， 转化为均布荷载后施加到型钢梁 顶板上。在网格划分时考虑了结构的几何形状、 受力特性、 材 料分区以及预应力锚索的布置角度 ， 对 闸墩与 型钢混凝土梁结合 部位 ( 闸墩 颈部 )的 网格进行细 分 ，以求精确模拟 闸墩 、弧 门支承 型 钢 混凝 土梁 和预 应力 锚 索耦合 作 用 下 的整 体 复 杂受力和变 形特征 ； 对远离 闸墩颈部 的闸墩 区域 及 闸底 板逐渐 放大单元 尺寸 ， 以控制计 算规模 ， 提高计算 效率 。 5 计算成果分析 5 1 计算工况 共考虑三种运行工况： ( 1 )闸门关闭，双侧 挡水 ： ( 2 )一侧闸 门关闭 ，一侧闸门瞬间开启； ( 3 )一侧 闸门关 闭，一侧 闸门开启 ，单侧挡水 。 荷载 工况组合包括 闸墩 自重 、 弧 门水推力及 锚束预 加应力 。 5 2计算成 果分析 通 过有限元分析计 算可 以看 出：在弧 门推力 作用 下，闸墩颈部受 拉区边缘混凝土法 向拉应力 存在明显的应力集中现象， 若以该处法向拉应力 作 为设计控 制标准 ，很难满 足抗裂设 计 的要 求 ， 也不尽合理 。因此 ，计算时 以颈部 受拉 区边缘至 最外侧锚束孔 中心之 间的混凝土 法 向拉应力平均 值 作为控制标准 ， 在 基本保证预应力 锚束处不开 81。 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 7期 表 1 各工况下闸墩颈部抗裂分析成果表 颈部截面边缘砼法向应力平均值 C 3 0 砼轴心抗拉强度标准值f t k O c k - O pc 二 ! 计算工况 f k d c ( M P a ) ( M P a ) ftk 容 肄 值 工况 1 3 7 3 2 O 1 O 7 工况 2 1 9 6 2 O l | 0 7 工况 3 O 5 8 2 0 l 0 - 2 9 O 7 裂 的前提 下，减少预应力锚束 的用量 。按照 以上 原则计算 出各工况下 闸墩颈部抗 裂分析成果 ， 详 见表 1 。 由计 算成果可 以看 出： ( 1 )工况 1为 闸墩 双侧对称受力 ，工况 2 为 闸墩双侧 非对 称受力 ， 瞬 间启 门侧 弧 门水推力 略大于对侧 弧门水推力 ， 两 种工况受力状况类似 。 闸墩 颈 部法 向应力 在 闸墩厚 度方 向上 分布 比较 均匀 ， 最大法 向拉应 力 出现在 型钢 混凝土粱与混 凝土 的接触 点处，自接触 点处沿弧 门推力相反方 向的拉应 力分布迅速衰减并发 展为压应力 。 可见 该两种工 况下 ， 闸墩混凝土预应力施 加效果 比较 理想 ， 闸墩颈 部和闸墩 的其它 大部分区域基本上 处于 受压状态 。 闸墩颈部混凝土法 向应力 的平均 值均为压应 力 。 ( 2 )工况 3为 闸墩单侧受 力 ，闸墩颈部法 向应 力分 布在 闸墩 厚度 方 向上 由拉应 力过渡 为 压应力 ，但应力 分布 仍 以压应力为 主。闸墩颈部 混凝土法 向应 力的平均值虽为拉应 力 ， 但应力平 均值较小 ，能够 满足规范要求 。 6 结 论 ( 1 )当水 闸采用大跨度 弧 门挡水 时，支座 承 受 的水推力通 常很大 ， 导致 闸墩颈 部大部分 区 域的表层混凝土 内将产生较大 的拉应 力 ， 普通钢 ( 上接第 8 9页 )3 6 修 复上坝路 水库 对外交通道路和通 讯设备 ， 是抢 险工作 的根本 保证 。它 能使抢 险物 资和人 员送 达水库 ， 险情 、灾情 能及时 向上级汇 报，避 免 出现重大 的 灾 害事故。水库上坝公路 出现水毁 的，应抓紧修 复疏通 ，及 时检 修库 区周 围电力、通讯 设施 ，保 证 电讯畅通 。 4 结束语 营口市小型水库基本 以灌溉为主， 兼顾防洪等 。 R 筋混凝土结构难 以满 足设计要求 ， 因此采 用部分 预应 力 闸墩结构 是必要 的， 预应力 的施加 可 以有 效改善 闸墩颈 部混 凝土 的受力状况 。 ( 2 )工况 3为单侧弧 门推力作 用情况 ，闸 墩颈部应力呈 大偏 心受拉状态 。分析表 明，此情 况下 闸墩 颈部 受拉 区边缘 的最大 拉应 力可 以达 到双 侧对称受力情 况的 1 5倍 左右 ，为颈部受力 最不利工况 。设计 时应对此 工况给予足 够关注 。 ( 3 )弧 门支座 处钢梁悬 臂段与 闸墩 混凝土 相 交处存在应 力集 中现象 ， 设计 时应采 取构造措 施 防止该 区域混凝 土的局部拉裂 。 一般 可 以采取 预应力筋和非预应 力筋 的混合配 筋方案 。 配置非 预应力筋有利 于控 制该局部 区域裂 缝发展 ， 增 强 交界处混凝土 的延 性性能 。 参考 文献 1 水 工混 凝 土结 构 设计 规 范 ( DL T 5 0 5 7 2 0 0 9 ) S 2 0 1 0 0 7 中 国电力 出版 社 2 杨 晓 红 等 预应 力 闸 墩结 构 设 计 中几 个 关 键 问题 的探 讨 J 1 红水 河 2 0 0 4 0 4 3 赵 长 海 预 应 力 锚 固 技 术 M 北 京 ： 中 国水 利 水 电 出 版 社 2 0 0 1 1 2 4 徐 远 杰等 三板 溪 大 吨位 预应 力 边墩 三 维有 限 元 分析 J 】 长 江 科学 院 院报 2 0 0 5 2 2 ( 3 ) 5 贺采 旭，李传才等 大推力预应 力闸墩的设计方法 f J 水 利 水 电技 术， 1 9 9 7 ， ( 6 ) 水库工程 的建成，有利于促进农业稳 定发展 ，提 高人 民生活水平，保障社会稳 定。但水库存在病 险 ，势必影响其各项效益正常发挥 ，为此准确分 析水库病险、提 出科学加 固措施具有重要意义 。 参考文献 1 碾压 式土石坝 设计规 范 M】 北京： 中国水利水 电出版 社， 2 0 01 2 张春 婉 ， 曲静涛 病 险水 库 除险 加 固中 的主 要技 术措 施 建筑 与发 展 2 0 1 0 ， ( 0 5 )