某水电站泄洪洞预应力闸墩三维有限元分析

张竞予,陈俊杰

(1.吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林 长春 130021;2.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

某水电站泄洪洞预应力闸墩三维有限元分析

张竞予1,陈俊杰2

(1.吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林 长春 130021;2.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

文中结合丰满水电站工程设计中遇到的实际问题,以泄洪兼导流洞预应力闸墩为研究对象,利用大型有限元软件ANSYS,建立泄洪兼导流洞预应力闸墩三维有限元计算模型.计算分析了预应力闸墩在各种工况下的应力分布规律,提出结构受力的关键部位与受力特性.

预应力闸墩;锚固形式;ANSYS程序

1 概述

某水电站工程位于吉林省境内第二松花江干流上,枢纽建筑物由碾压混凝土重力坝、溢流坝、发电引水坝段、坝后式地面厂房、泄洪兼导流洞、GIS开关站及利用的原三期电站组成.水库总库容104.73亿m3,新建电站装机6台,单机容量200 MW,新建装机容量1 200 MW,利用原来的三期电站装机容量为280 MW,总装机容量为1 480 MW.

泄洪兼导流洞布置在左岸山体内,为深孔有压隧洞,全长848.96 m(进洞点至出洞点),分为进口段、竖井式闸门井段、有压洞身段、出口工作闸室段、出口扩散段及消力戽等部分.弧形,支承结构采用混凝土深梁,初拟深梁尺寸为:高7.5 m,宽6.6 m.单侧弧门推力35 000 kN,由于弧门水推力巨大,普通拉筋难以满足闸墩的限裂要求,因此采用预应力混凝土闸墩.

为保证预应力结构安全可靠、经济合理,采用ANSYS有限元软件,按照结构所承受的荷载及不同的荷载组合,对闸墩及支承梁进行应力计算分析.

2 预应力计算模型

2.1 预应力锚固数值模拟

针对锚束平行式布置的预应力闸墩在数值模拟时,采用等效荷载的方法,该法将与预应力等效的力以面力的形式,施加到锚固垫板上进行求解计算.这种模拟方法可以考虑因变形引起的锚索内力重分布,还可以考虑锚索预应力的损失,有限元分析建模、计算简单,施加预应力方向准确,计算精度相对较高.

2.2 计算荷载

1)结构自重:闸墩整体的自重.

2)弧门推力:单侧弧门推力P=35 000 kN,与水平向夹角29°29′56″.

2.3 计算工况

工况1:结构自重+弧门推力,考察无预应力锚束时出口闸室段应力情况.

工况2:结构自重+预应力,考察预应力锚束施工期出口闸室段应力情况.

工况3:结构自重+弧门推力+预应力,考察正常运行情况下出口闸室段应力情况.

其中工况1无预应力锚束作用,与工况3可作为有、无预应力锚束作用的对比分析;工况2为施工期荷载组合;工况3为运行期荷载组合.

2.4 计算模型

整个计算模型的范围沿水流方向(X向)取130.5 m、沿铅直方向(Y向)取60m、侧向(Z向)取115.95 m.采用solid45实体单元,模型底部施加全约束,沿水流方向施加水平方向(X向)约束,侧面施加水平向(Z向)约束.

施工期的模拟分二个载荷步:①闸墩自重与锚束预应力;②回填混凝土.

运行期的模拟分三个载荷步:①闸墩自重与锚束预应力;②回填混凝土;③施加弧门推力.

主锚束、次锚束的预压应力和弧门推力均用面载荷模拟.

2.5 有限元网格划分

在闸墩上游预留了顶宽0.58 m,底宽4.26 m,高6.5 m,闸室横向深1.9 m的预留锚固槽.

3 计算成果

3.1 工况1计算成果

无预应力锚束作用,只考虑结构自重和弧门推力作用,在闸墩自重和弧门推力的共同作用下,闸墩结构的整体位移分布较均匀,最大位移值2.354 mm.支承深梁总位移最大值2.025 mm,位于深梁跨中下游侧.深梁沿弧门推力方向的位移为0.975 mm,位于支铰底座部位.闸墩总位移最大值2.093 mm,自重与弧门推力作用下,下游侧闸墩顶部位移较大.

结构的最大拉应力3.01 MPa,位于闸墩颈部,闸墩颈部截面支承深梁方向的拉应力低于1.0 MPa,沿深梁高度方向的竖向拉应力0.42 MPa,沿弧门推力方向的拉应力较大,值为1.99Mpa.深梁及闸墩中多为0.6 MPa以下拉应力区,颈部周围约1 m范围内拉应力大于1.2 MPa,深梁下游侧亦有1.2 MPa以上拉应力区.

以上计算结果表明,无预应力锚束时,闸墩颈部的混凝土中最大拉应力达3.01 MPa,超过规范中的抗裂限制,未满足规范要求.

3.2 工况2计算成果

1)位移计算结果.施工期,主锚束单束张拉吨位4 300 kN,次锚束单束张拉吨位2 650k N.荷载为闸墩自重和主、次锚束的预应力.闸墩结构的整体位移分布较均匀,最大位移值2.513 mm.

施工期在预应力锚束作用下,支承梁总位移最大为2.347 mm,位于主锚束锚固端.闸墩总位移最大为2.347 mm,位于闸墩下游顶端,向闸墩上游和底部逐渐减小.底板总位移最大为1.098 mm,位于底板两侧.

2)应力分析结果.施工期由于无弧门推力作用,闸墩颈部拉应力不大,上游侧颈部拉应力最大值为0.218 MPa,拉应力从上至下逐渐减小.上游侧最大压应力为2.457 MPa,位于颈部底部,下游侧最大压应力为2.373 MPa,在颈部上部.

深梁中大部分拉应力小于0.5 MPa,局部拉应力在0.5～1.0 MPa范围内.深梁及闸墩颈部均为压应力,最大压应力12.0 MPa,位于主锚束锚固端.

施加预应力后,闸墩颈部拉应力值低于0.6 MPa,闸墩中多为0.2 MPa以下拉应力区.在自重和预应力锚束作用下,闸墩中沿主锚束方向形成一压应力区,最大压应力值低于5.0 MPa.

施工期底板表面受拉,底面受压.拉应力最大为0.61 MPa,位于底板表面中部区域.最大压应力值为1.4 MPa,位于弧门底坎附近.

3.3 工况3计算成果

1)位移计算结果.平行锚束布置推荐方案正常运行期,主锚束单束永存吨位3 400 kN,次锚束单束永存吨位2 000 kN.运行期荷载为闸墩自重、主、次锚束的预应力和弧门推力.闸墩结构的整体位移最大值2.058 mm,位于闸墩下游顶端.支承梁总位移最大为1.843 mm,位于深梁下游主锚束锚固端.

深梁沿弧门推力方向位移基本向上游位移,最大值为0.681 mm,位于深梁下游主锚束锚固端.弧门推力附近,深梁小范围向下游位移,值为0.249 mm.

运行期闸墩总位移最大值2.058 mm,闸墩下游顶端位移较大.闸墩底板总位移1.168 m,位于底板下游侧上层.

2)应力分析结果.运行期闸墩颈部最大拉应力1.544 MPa.无预应力锚束中,弧门推力通过支承梁在闸墩颈部产生较大的拉应力,最大值达3.01 MPa.施加预应力锚束后,在结构自重、弧门推力、预应力锚束的共同作用下,锚束产生的预压应力正好可以削减掉弧门推力引起的闸墩颈部集中的拉应力,使得该部位的拉应力由3.01 MPa降低到1.544 MPa,从而满足了闸墩颈部的限裂要求.

从支铰底座中心沿弧门推力方向的截面中,支承深梁及周围闸墩部位的第一主应力,运行期深梁中多为0.5 MPa以下拉应力,只在颈部上游侧0.7 m范围内有1.0～1.5 MPa的拉应力.深梁中第三主应力多为2.0 MPa以下压应力,主锚束锚固部位及弧门支铰底座附近压应力较大,最大值低于10.0 MPa.

在自重、锚束预应力和弧门推力的共同作用下,深梁轴向多为1.0 MPa压应力.深梁高度方向有低于0.25 MPa以下的拉应力,范围不大.弧门推力方向基本为1.0 MPa以下的压应力,在上游主锚束锚固端和弧门支铰底座附近为较大压应力区,最大压应力值为10.0 MPa.

运行期,锚束产生的预压应力正好可以削减掉弧门推力引起闸墩颈部集中的拉应力.第一主应力除闸墩与深梁交汇及上游锚固附近拉应力稍大外,闸墩中多为0.20 MPa以下拉应力区.第三主应力在锚固位置压应力稍大,最大值为4.0 MPa.

运行期底板顶面受拉,拉应力最大为0.84 MPa,位于底板上游侧顶部.最大压应力值为1.96 MPa,位于底板下游底部.

4 结语

施工期和正常运行期,闸墩颈部的混凝土拉应力均未超过规范抗裂限制,最大压应力亦未超过混凝土抗压强度,并且预应力锚束达到了降低弧门推力在闸墩颈部和支承梁等部位产生拉应力的效果,同时又可保证闸墩、支承梁、底板混凝土不超过混凝土的抗拉、抗压强度.

[1]王泰恒,许文年,陈池,周宜红.预应力锚固技术基本理论与实践[M].北京:中国水利水电出版社.2007:1-15.

[2]解伟,李树山.预应力闸墩结构试验及理论[M].北京:中国水利水电出版社,2010.12:5-38.

[3]陈昭辉.里底水电站溢洪道预应力闸墩和右导墙坝段有限元计算分析[D].西安理工大学.2009.

[4]马妹英,王立成,吴桂兰,顾小兵.戈兰滩水电站泄洪表孔闸墩结构设计[J].水利水电工程设计,2011.03.

[5]李国勇,向友国,唐山.彭水电站预应力闸墩结构设计与监测分析[J].人民长江,2009.23.

TV314 < class="emphasis_bold">[文献标识码]B

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1002-0624(2017)11-0004-02

2017-07-28