淺析落久水利樞紐工程預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)

馮振鵬（柳州水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣西 柳州 545000）

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淺析落久水利樞紐工程預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)

馮振鵬（柳州水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣西 柳州 545000）

在預(yù)應(yīng)力技術(shù)快速發(fā)展的背景下，預(yù)應(yīng)力閘墩得到了廣泛的應(yīng)用，在水電工程中，它扮演著重要的角色。本文結(jié)合落久水利樞紐工程，介紹了預(yù)應(yīng)力閘墩的設(shè)計(jì)，對(duì)水工預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了初步分析，旨在提高水工預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)的合理性與可靠性。

水工預(yù)應(yīng)力；閘墩；設(shè)計(jì)

引言

目前，在水利水電工程建設(shè)中預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越多，在此背景下，水工預(yù)應(yīng)力閘墩的設(shè)計(jì)問(wèn)題得到了廣泛的關(guān)注。本文對(duì)落久水利樞紐工程在預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些問(wèn)題進(jìn)行了初步分析，包括錨索預(yù)應(yīng)力損失的確定、閘墩錨塊與頸部的設(shè)計(jì)等。處理好這幾方面的問(wèn)題，對(duì)水工預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)的合理性與可靠性具有重大的意義。

1　落久水利樞紐工程的概況

落久水利樞紐工程位于廣西壯族自治區(qū)柳州市融水苗族自治縣境內(nèi)的柳江流域融江支流貝江下游，是一個(gè)以防洪為主，兼顧灌溉、城鎮(zhèn)供水、發(fā)電和航運(yùn)等任務(wù)的綜合性水利樞紐工程，是國(guó)務(wù)院以國(guó)函［2007］40號(hào)文批準(zhǔn)的《珠江流域防洪規(guī)劃》中確定的廣西柳江防洪控制性工程之一。落久水利樞紐工程攔河主壩為碾壓混凝土重力壩，由左岸非溢流重力壩段、溢流重力壩段、右岸非溢流重力壩段等組成，大壩總長(zhǎng)312.40m，最大壩高62.8m。溢流重力壩段布置在河床中間，總長(zhǎng)79.0m，采用中孔泄洪方式，泄洪孔共設(shè)5孔，孔口尺寸為10m×12m。溢流堰為帶胸墻的實(shí)用堰，每孔設(shè)有弧型閘門(mén)，采用固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)操作。

2　錨索預(yù)應(yīng)力損失的確定

錨索預(yù)應(yīng)力損失主要取決于鎖定損失、預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛及混凝土收縮和徐變引起的應(yīng)力損失。是否能合理的確定錨索在張拉、鎖定及運(yùn)行等階段的預(yù)應(yīng)力損失，關(guān)系到預(yù)應(yīng)力的施加效果，直接影響到工程設(shè)計(jì)的安全與否和經(jīng)濟(jì)合理，需引起足夠的重視。

實(shí)際上，后期預(yù)應(yīng)力損失仍會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而不斷變化，由于預(yù)應(yīng)力閘墩的使用壽命較長(zhǎng)，錨索后期預(yù)應(yīng)力損失還需要通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)來(lái)確定最終結(jié)果，目前的設(shè)計(jì)宜留有一定的富余。

3　預(yù)應(yīng)力閘墩的錨塊設(shè)計(jì)

考慮到便于主、次錨索的布置，落久水利樞紐工程預(yù)應(yīng)力閘墩錨塊的高度為6.0m，寬度為5.0m，錨塊混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。

按照《規(guī)范》規(guī)定，混凝土錨塊的截面尺寸應(yīng)符合以下要求：錨塊的斜截面抗裂控制：Fk≤0.75ftkbh。式中：Fk：閘墩一側(cè)弧門(mén)推力標(biāo)準(zhǔn)值；ftk：混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；b：弧門(mén)支座寬度；h：弧門(mén)支座高度。錨塊的剪跨比a/h0宜控制在0.2左右，a為弧門(mén)推力作用點(diǎn)至閘墩邊緣的距離，h0為錨塊的有效高度。結(jié)構(gòu)尺寸驗(yàn)算成果見(jiàn)表1，錨塊的結(jié)構(gòu)尺寸滿(mǎn)足要求。

表1　錨塊結(jié)構(gòu)尺寸驗(yàn)算成果表

錨塊與閘墩頸部采用相同的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，可避免在高應(yīng)力區(qū)域形成不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)的分界區(qū)，保證混凝土材料的均質(zhì)，從而降低施工難度，減少由于彈模不同產(chǎn)生的應(yīng)力波動(dòng)。

本工程在錨塊底面還設(shè)置一層厚1cm的瀝青油氈墊層作為軟縫與閘墩隔開(kāi)，采用此軟縫可以減小錨塊與頸部的接觸面，改善錨塊的受力條件，增大預(yù)壓縮效果。

4　預(yù)應(yīng)力閘墩的頸部設(shè)計(jì)

弧形閘門(mén)預(yù)應(yīng)力閘墩為空間結(jié)構(gòu)，閘墩頸部結(jié)構(gòu)型式特殊，外形尺寸和邊界條件復(fù)雜，在弧門(mén)推力和預(yù)應(yīng)力作用下呈三向應(yīng)力狀態(tài)。由于截面上的應(yīng)變不符合平截面假定，故《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DLT5057-2009）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》）規(guī)定，閘墩頸部抗裂驗(yàn)算時(shí)，頸部應(yīng)力宜采用有限元法進(jìn)行計(jì)算；在估算預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量及錨束布置的初步設(shè)計(jì)時(shí)，可采用以材料力學(xué)公式為基礎(chǔ)的“應(yīng)力修正法”來(lái)計(jì)算閘墩頸部的應(yīng)力，進(jìn)而對(duì)弧形閘門(mén)預(yù)應(yīng)力閘墩頸部進(jìn)行抗裂驗(yàn)算。下面以落久水利樞紐工程預(yù)應(yīng)力閘墩為例進(jìn)行初步的探討。

相關(guān)參數(shù)：閘墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，頸部混凝土采用C40，中墩厚度為4.0m，邊墩厚度為3.5m。閘墩主錨束扇形布置，總擴(kuò)散角為16°，其中中墩采用兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置形式，每側(cè)2 排5層，共20根；邊墩采用兩側(cè)非對(duì)稱(chēng)布置形式，臨水側(cè)2排5層，非臨水側(cè)1排3層，共13根。主錨束單束均由30根1× 7φs15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)組成，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860N/mm2，單束鎖定噸位為5859kN，永存噸位為4947kN，預(yù)應(yīng)力損失為16%。閘墩除預(yù)應(yīng)力錨束外，同時(shí)沿弧門(mén)推力方向配置扇形非預(yù)應(yīng)力鋼筋，總擴(kuò)散角為32°，中墩每側(cè)布置2排，邊墩臨水側(cè)布置2排，非臨水側(cè)布置1排，主筋φ36@2°，分布筋φ25@400。

根據(jù)《規(guī)范》，在弧門(mén)推力標(biāo)準(zhǔn)組合下，閘墩頸部抗裂控制宜符合下列規(guī)定：σck-σpc≤0.7ftk。式中：σck：弧門(mén)推力標(biāo)準(zhǔn)組合下頸部截面受拉區(qū)邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力；σpc：扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后頸部截面受拉區(qū)邊緣混凝土的法向預(yù)壓應(yīng)力；ftk：混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。σck及σpc值在初步計(jì)算時(shí)按以材料力學(xué)公式為基礎(chǔ)的“應(yīng)力修正法”計(jì)算。中墩及邊墩頸部抗裂控制驗(yàn)算成果分別見(jiàn)表2～4，均滿(mǎn)足《規(guī)范》要求。

表2　中墩頸部抗裂控制驗(yàn)算成果表（受雙側(cè)弧門(mén)推力作用時(shí)）

表3　中墩頸部抗裂控制驗(yàn)算成果表（受單側(cè)弧門(mén)推力作用時(shí)）

根據(jù)《規(guī)范》，閘墩頸部正截面受拉承載力應(yīng)分別符合下列規(guī)定：

（1）中墩頸部采用對(duì)稱(chēng)配筋時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足下列要求：

在雙側(cè)弧門(mén)推力設(shè)計(jì)值作用下，其正截面受拉承載力應(yīng)符合下列規(guī)定：

Asi：頸部受拉區(qū)一側(cè)第i根非預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積；

Apj：頸部受拉區(qū)一側(cè)第j根預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積；

θi：頸部受拉區(qū)一側(cè)第i根非預(yù)應(yīng)力鋼筋在立面上與弧門(mén)推力方向投影的夾角；

βj：頸部受拉區(qū)一側(cè)第j根預(yù)應(yīng)力鋼筋在立面上與弧門(mén)推力方向投影的夾角；

fy：非預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

fpy：預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

在單側(cè)弧門(mén)推力設(shè)計(jì)值作用下，其正截面受拉承載力應(yīng)符合下列規(guī)定：

式中：e′：弧門(mén)推力作用點(diǎn)至受壓區(qū)非預(yù)應(yīng)力鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋合力作用點(diǎn)之間的距離；

B′0：頸部截面有效高度，即受壓區(qū)非預(yù)應(yīng)力鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋合力作用點(diǎn)至受拉邊緣的距離；

asi：頸部受拉區(qū)一側(cè)第i根非預(yù)應(yīng)力鋼筋合力作用點(diǎn)至受拉邊緣的距離；

apj：頸部受拉區(qū)一側(cè)第j根預(yù)應(yīng)力鋼筋合力作用點(diǎn)至受拉邊緣的距離。

（2）邊墩頸部采用非對(duì)稱(chēng)配筋時(shí)，在單側(cè)弧門(mén)推力設(shè)計(jì)值作用下，其正截面受拉承載力應(yīng)符合下列規(guī)定：

式中：A′si：頸部受壓區(qū)一側(cè)第i根非預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積；

A′pj：頸部受壓區(qū)一側(cè)第j根預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積；

θ′i：頸部受壓區(qū)一側(cè)第i根非預(yù)應(yīng)力鋼筋在立面上與弧門(mén)推力方向投影的夾角；

β′j：頸部受壓區(qū)一側(cè)第j根預(yù)應(yīng)力鋼筋在立面上與弧門(mén)推力方向投影的夾角；

f′y：受壓區(qū)非預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

f′py：受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

fc：混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

b：弧門(mén)支座寬度；

e：弧門(mén)推力作用點(diǎn)至受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋合力作用點(diǎn)之間的距離；

B0：頸部截面有效高度，即受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋合力作用點(diǎn)至受壓邊緣的距離；

中墩及邊墩頸部正截面受拉承載力驗(yàn)算成果分別見(jiàn)表5～7，均滿(mǎn)足《規(guī)范》要求。

表4　邊墩頸部抗裂控制驗(yàn)算成果表

表5　中墩頸部正截面受拉承載力驗(yàn)算成果表（受雙側(cè)弧門(mén)推力作用時(shí)）

表6　中墩頸部正截面受拉承載力驗(yàn)算成果表（受單側(cè)弧門(mén)推力作用時(shí)）

表7　邊墩頸部正截面受拉承載力驗(yàn)算成果表

此前，國(guó)內(nèi)弧形閘門(mén)預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)，主要是用半理論、半經(jīng)驗(yàn)的拉錨系數(shù)法 （即預(yù)應(yīng)力的有效總拉力與弧形閘門(mén)總推力的比值的方法）。它是將結(jié)構(gòu)的正常使用和承載能力兩個(gè)極限狀態(tài)的不同要求合二為一，且采用此法時(shí)國(guó)內(nèi)多取1.5～3.0之間，選擇隨意性較大，存在不夠嚴(yán)謹(jǐn)精確的問(wèn)題。而在初步計(jì)算時(shí)采用 《規(guī)范》所述方法可以更好地確定閘墩頸部尺寸、材料強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力錨束的噸位及布置等，并有效減少下一階段使用有限元方法進(jìn)行精確計(jì)算時(shí)的工作量。

采用《規(guī)范》推薦的方法將結(jié)構(gòu)按正常使用和承載能力兩個(gè)極限狀態(tài)分開(kāi)進(jìn)行設(shè)計(jì)后，在閘墩的設(shè)計(jì)過(guò)程中就可以更好地貫徹部分預(yù)應(yīng)力混凝土的設(shè)計(jì)理念。部分預(yù)應(yīng)力混凝土是介于全預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土之間的一種預(yù)應(yīng)力混凝土，具有如下的一些優(yōu)點(diǎn)：部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)由于所施加的預(yù)應(yīng)力較小，可減少預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量，能用非預(yù)應(yīng)力鋼筋代替部分預(yù)應(yīng)力鋼筋，降低造價(jià)；在大跨度結(jié)構(gòu)中，部分預(yù)應(yīng)力混凝土可以減少過(guò)大的反拱；部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的延性較好，有利于結(jié)構(gòu)抗震。落久水利樞紐工程預(yù)應(yīng)力閘墩的計(jì)算中，在受拉區(qū)的預(yù)應(yīng)力錨束已能使頸部滿(mǎn)足裂縫控制要求后，按正截面受拉承載力計(jì)算所需的其余受拉鋼筋均采用非預(yù)應(yīng)力鋼筋，即采用預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋的混合配筋方案，以充分發(fā)揮部分預(yù)應(yīng)力混凝土的優(yōu)勢(shì)。

5　結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了落久水利樞紐工程預(yù)應(yīng)力閘墩的設(shè)計(jì)過(guò)程，結(jié)合筆者的工作實(shí)踐，在錨索預(yù)應(yīng)力損失的確定、閘墩錨塊與頸部的設(shè)計(jì)等方面談了一些體會(huì)和筆者認(rèn)為需要注意的問(wèn)題，供同行參考。

［1］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DLT5057-2009）［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2009.

［2］劉志明，溫續(xù)余.《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）第七卷泄水與過(guò)壩建筑物［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

馮振鵬（1983-），男，漢族，廣西柳州人，中級(jí)，本科，主要從事水利電力設(shè)計(jì)工作。

TV662.2

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2095-2066（2016）16-0021-03

2016-5-10