張競予,陳俊杰

(1.吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院,吉林 長春 130021;2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,吉林 長春 130021)

某水電站泄洪洞預(yù)應(yīng)力閘墩三維有限元分析

張競予1,陳俊杰2

(1.吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院,吉林 長春 130021;2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,吉林 長春 130021)

文中結(jié)合豐滿水電站工程設(shè)計中遇到的實際問題,以泄洪兼導(dǎo)流洞預(yù)應(yīng)力閘墩為研究對象,利用大型有限元軟件ANSYS,建立泄洪兼導(dǎo)流洞預(yù)應(yīng)力閘墩三維有限元計算模型.計算分析了預(yù)應(yīng)力閘墩在各種工況下的應(yīng)力分布規(guī)律,提出結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位與受力特性.

預(yù)應(yīng)力閘墩;錨固形式;ANSYS程序

1 概述

某水電站工程位于吉林省境內(nèi)第二松花江干流上,樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、溢流壩、發(fā)電引水壩段、壩后式地面廠房、泄洪兼導(dǎo)流洞、GIS開關(guān)站及利用的原三期電站組成.水庫總庫容104.73億m3,新建電站裝機(jī)6臺,單機(jī)容量200 MW,新建裝機(jī)容量1 200 MW,利用原來的三期電站裝機(jī)容量為280 MW,總裝機(jī)容量為1 480 MW.

泄洪兼導(dǎo)流洞布置在左岸山體內(nèi),為深孔有壓隧洞,全長848.96 m(進(jìn)洞點至出洞點),分為進(jìn)口段、豎井式閘門井段、有壓洞身段、出口工作閘室段、出口擴(kuò)散段及消力戽等部分.弧形,支承結(jié)構(gòu)采用混凝土深梁,初擬深梁尺寸為:高7.5 m,寬6.6 m.單側(cè)弧門推力35 000 kN,由于弧門水推力巨大,普通拉筋難以滿足閘墩的限裂要求,因此采用預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩.

為保證預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理,采用ANSYS有限元軟件,按照結(jié)構(gòu)所承受的荷載及不同的荷載組合,對閘墩及支承梁進(jìn)行應(yīng)力計算分析.

2 預(yù)應(yīng)力計算模型

2.1 預(yù)應(yīng)力錨固數(shù)值模擬

針對錨束平行式布置的預(yù)應(yīng)力閘墩在數(shù)值模擬時,采用等效荷載的方法,該法將與預(yù)應(yīng)力等效的力以面力的形式,施加到錨固墊板上進(jìn)行求解計算.這種模擬方法可以考慮因變形引起的錨索內(nèi)力重分布,還可以考慮錨索預(yù)應(yīng)力的損失,有限元分析建模、計算簡單,施加預(yù)應(yīng)力方向準(zhǔn)確,計算精度相對較高.

2.2 計算荷載

1)結(jié)構(gòu)自重:閘墩整體的自重.

2)弧門推力:單側(cè)弧門推力P=35 000 kN,與水平向夾角29°29′56″.

2.3 計算工況

工況1:結(jié)構(gòu)自重+弧門推力,考察無預(yù)應(yīng)力錨束時出口閘室段應(yīng)力情況.

工況2:結(jié)構(gòu)自重+預(yù)應(yīng)力,考察預(yù)應(yīng)力錨束施工期出口閘室段應(yīng)力情況.

工況3:結(jié)構(gòu)自重+弧門推力+預(yù)應(yīng)力,考察正常運(yùn)行情況下出口閘室段應(yīng)力情況.

其中工況1無預(yù)應(yīng)力錨束作用,與工況3可作為有、無預(yù)應(yīng)力錨束作用的對比分析;工況2為施工期荷載組合;工況3為運(yùn)行期荷載組合.

2.4 計算模型

整個計算模型的范圍沿水流方向(X向)取130.5 m、沿鉛直方向(Y向)取60m、側(cè)向(Z向)取115.95 m.采用solid45實體單元,模型底部施加全約束,沿水流方向施加水平方向(X向)約束,側(cè)面施加水平向(Z向)約束.

施工期的模擬分二個載荷步:①閘墩自重與錨束預(yù)應(yīng)力;②回填混凝土.

運(yùn)行期的模擬分三個載荷步:①閘墩自重與錨束預(yù)應(yīng)力;②回填混凝土;③施加弧門推力.

主錨束、次錨束的預(yù)壓應(yīng)力和弧門推力均用面載荷模擬.

2.5 有限元網(wǎng)格劃分

在閘墩上游預(yù)留了頂寬0.58 m,底寬4.26 m,高6.5 m,閘室橫向深1.9 m的預(yù)留錨固槽.

3 計算成果

3.1 工況1計算成果

無預(yù)應(yīng)力錨束作用,只考慮結(jié)構(gòu)自重和弧門推力作用,在閘墩自重和弧門推力的共同作用下,閘墩結(jié)構(gòu)的整體位移分布較均勻,最大位移值2.354 mm.支承深梁總位移最大值2.025 mm,位于深梁跨中下游側(cè).深梁沿弧門推力方向的位移為0.975 mm,位于支鉸底座部位.閘墩總位移最大值2.093 mm,自重與弧門推力作用下,下游側(cè)閘墩頂部位移較大.

結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力3.01 MPa,位于閘墩頸部,閘墩頸部截面支承深梁方向的拉應(yīng)力低于1.0 MPa,沿深梁高度方向的豎向拉應(yīng)力0.42 MPa,沿弧門推力方向的拉應(yīng)力較大,值為1.99Mpa.深梁及閘墩中多為0.6 MPa以下拉應(yīng)力區(qū),頸部周圍約1 m范圍內(nèi)拉應(yīng)力大于1.2 MPa,深梁下游側(cè)亦有1.2 MPa以上拉應(yīng)力區(qū).

以上計算結(jié)果表明,無預(yù)應(yīng)力錨束時,閘墩頸部的混凝土中最大拉應(yīng)力達(dá)3.01 MPa,超過規(guī)范中的抗裂限制,未滿足規(guī)范要求.

3.2 工況2計算成果

1)位移計算結(jié)果.施工期,主錨束單束張拉噸位4 300 kN,次錨束單束張拉噸位2 650k N.荷載為閘墩自重和主、次錨束的預(yù)應(yīng)力.閘墩結(jié)構(gòu)的整體位移分布較均勻,最大位移值2.513 mm.

施工期在預(yù)應(yīng)力錨束作用下,支承梁總位移最大為2.347 mm,位于主錨束錨固端.閘墩總位移最大為2.347 mm,位于閘墩下游頂端,向閘墩上游和底部逐漸減小.底板總位移最大為1.098 mm,位于底板兩側(cè).

2)應(yīng)力分析結(jié)果.施工期由于無弧門推力作用,閘墩頸部拉應(yīng)力不大,上游側(cè)頸部拉應(yīng)力最大值為0.218 MPa,拉應(yīng)力從上至下逐漸減小.上游側(cè)最大壓應(yīng)力為2.457 MPa,位于頸部底部,下游側(cè)最大壓應(yīng)力為2.373 MPa,在頸部上部.

深梁中大部分拉應(yīng)力小于0.5 MPa,局部拉應(yīng)力在0.5～1.0 MPa范圍內(nèi).深梁及閘墩頸部均為壓應(yīng)力,最大壓應(yīng)力12.0 MPa,位于主錨束錨固端.

施加預(yù)應(yīng)力后,閘墩頸部拉應(yīng)力值低于0.6 MPa,閘墩中多為0.2 MPa以下拉應(yīng)力區(qū).在自重和預(yù)應(yīng)力錨束作用下,閘墩中沿主錨束方向形成一壓應(yīng)力區(qū),最大壓應(yīng)力值低于5.0 MPa.

施工期底板表面受拉,底面受壓.拉應(yīng)力最大為0.61 MPa,位于底板表面中部區(qū)域.最大壓應(yīng)力值為1.4 MPa,位于弧門底坎附近.

3.3 工況3計算成果

1)位移計算結(jié)果.平行錨束布置推薦方案正常運(yùn)行期,主錨束單束永存噸位3 400 kN,次錨束單束永存噸位2 000 kN.運(yùn)行期荷載為閘墩自重、主、次錨束的預(yù)應(yīng)力和弧門推力.閘墩結(jié)構(gòu)的整體位移最大值2.058 mm,位于閘墩下游頂端.支承梁總位移最大為1.843 mm,位于深梁下游主錨束錨固端.

深梁沿弧門推力方向位移基本向上游位移,最大值為0.681 mm,位于深梁下游主錨束錨固端.弧門推力附近,深梁小范圍向下游位移,值為0.249 mm.

運(yùn)行期閘墩總位移最大值2.058 mm,閘墩下游頂端位移較大.閘墩底板總位移1.168 m,位于底板下游側(cè)上層.

2)應(yīng)力分析結(jié)果.運(yùn)行期閘墩頸部最大拉應(yīng)力1.544 MPa.無預(yù)應(yīng)力錨束中,弧門推力通過支承梁在閘墩頸部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,最大值達(dá)3.01 MPa.施加預(yù)應(yīng)力錨束后,在結(jié)構(gòu)自重、弧門推力、預(yù)應(yīng)力錨束的共同作用下,錨束產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力正好可以削減掉弧門推力引起的閘墩頸部集中的拉應(yīng)力,使得該部位的拉應(yīng)力由3.01 MPa降低到1.544 MPa,從而滿足了閘墩頸部的限裂要求.

從支鉸底座中心沿弧門推力方向的截面中,支承深梁及周圍閘墩部位的第一主應(yīng)力,運(yùn)行期深梁中多為0.5 MPa以下拉應(yīng)力,只在頸部上游側(cè)0.7 m范圍內(nèi)有1.0～1.5 MPa的拉應(yīng)力.深梁中第三主應(yīng)力多為2.0 MPa以下壓應(yīng)力,主錨束錨固部位及弧門支鉸底座附近壓應(yīng)力較大,最大值低于10.0 MPa.

在自重、錨束預(yù)應(yīng)力和弧門推力的共同作用下,深梁軸向多為1.0 MPa壓應(yīng)力.深梁高度方向有低于0.25 MPa以下的拉應(yīng)力,范圍不大.弧門推力方向基本為1.0 MPa以下的壓應(yīng)力,在上游主錨束錨固端和弧門支鉸底座附近為較大壓應(yīng)力區(qū),最大壓應(yīng)力值為10.0 MPa.

運(yùn)行期,錨束產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力正好可以削減掉弧門推力引起閘墩頸部集中的拉應(yīng)力.第一主應(yīng)力除閘墩與深梁交匯及上游錨固附近拉應(yīng)力稍大外,閘墩中多為0.20 MPa以下拉應(yīng)力區(qū).第三主應(yīng)力在錨固位置壓應(yīng)力稍大,最大值為4.0 MPa.

運(yùn)行期底板頂面受拉,拉應(yīng)力最大為0.84 MPa,位于底板上游側(cè)頂部.最大壓應(yīng)力值為1.96 MPa,位于底板下游底部.

4 結(jié)語

施工期和正常運(yùn)行期,閘墩頸部的混凝土拉應(yīng)力均未超過規(guī)范抗裂限制,最大壓應(yīng)力亦未超過混凝土抗壓強(qiáng)度,并且預(yù)應(yīng)力錨束達(dá)到了降低弧門推力在閘墩頸部和支承梁等部位產(chǎn)生拉應(yīng)力的效果,同時又可保證閘墩、支承梁、底板混凝土不超過混凝土的抗拉、抗壓強(qiáng)度.

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