基于ANSYS的某大型水庫溢洪閘預(yù)應(yīng)力閘墩三維有限元分析

高開緒 胡冰 高媛 于蓉

1 山東省水利勘測設(shè)計院 山東 濟南 250000

2 山東水投集團有限公司 山東 濟南 250000

1 工程概況

岸堤水庫位于沂河一級支流東汶河上，總庫容7.49億m3，興利庫容4.51億m3，是一座以防洪為主，結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水等綜合利用的大（2）型水庫。除險加固后水庫樞紐由主壩、副壩、溢洪道（溢洪閘、溢流壩）、輸水洞和防汛道路五部分組成。

水庫溢洪閘共8孔，單孔設(shè)計凈寬18m，閘底板與閘墩采用分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘墩厚3.0m，閘室順?biāo)飨蜷L度30.5m，垂直水流方向總寬度165m。工作閘門采用露頂式弧形鋼閘門。閘墩局部扇形受拉區(qū)采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，弧門支座采用型鋼混凝土組合梁式錨體支座結(jié)構(gòu)。

2 計算方法

2010年新版《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（DL/T 5057-2009，下稱《規(guī)范》）對弧形閘門預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩頸部承載力計算及抗裂控制驗算均作了明確地規(guī)定。本次分析遵循了該規(guī)范的相關(guān)計算規(guī)定。首先通過閘墩頸部正截面受拉承載力的計算初步確定預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量，然后通過三維有限元分析法對閘墩頸部進行抗裂控制驗算。通過驗算對承載力預(yù)應(yīng)力配筋進行校驗和調(diào)整優(yōu)化，最終使設(shè)計模型滿足承載力及抗裂要求。

2.1 閘墩頸部承載力極限狀態(tài)驗算

根據(jù)預(yù)應(yīng)力閘墩的受力工況，閘墩頸部的正截面受拉承載力計算，可分為單側(cè)弧門推力作用情況和雙側(cè)弧門推力同時作用情況。單側(cè)弧門推力作用情況時，弧門推力作用于頸部截面之外，屬于大偏心受拉情況；而雙側(cè)弧門推力作用情況則為軸心受拉情況。

中墩采用對稱配筋，應(yīng)同時考慮上述兩種受力情況，滿足以下要求：

在雙側(cè)弧門推力設(shè)計值作用下，應(yīng)符合：

在單側(cè)弧門推力設(shè)計值作用下，應(yīng)符合：

2.2 閘墩頸部抗裂控制驗算

在弧門推力標(biāo)準(zhǔn)組合下，閘墩頸部抗裂控制應(yīng)符合：

其中是頸部截面邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力，是扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后，頸部截面邊緣混凝土的法向預(yù)壓應(yīng)力。

弧形閘門預(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)變分布不符合平截面假定，嚴格來說，一般不能簡化成桿件結(jié)構(gòu)來計算內(nèi)力。因此，考慮采用三維有限元法對閘墩頸部進行三維應(yīng)力分析，得到頸部截面混凝土法向應(yīng)力后，再根據(jù)《規(guī)范》13.11.3式對弧形閘門預(yù)應(yīng)力閘墩頸部進行抗裂驗算。

3 計算模型的建立

岸堤水庫溢洪閘采用分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，計算取中孔的大底板和閘墩結(jié)構(gòu)作為一個整體，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖建立三維有限元計算模型，見圖1。

圖1 溢洪閘中墩三維有限元模型

為了獲取閘墩頸部截面邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力分布情況，計算模型采用如下局部坐標(biāo)系：以頸部截面法向為Y軸方向，弧門推力方向為正；在閘墩側(cè)表面內(nèi)垂直于Y軸方向為X軸方向，向上為正；Z軸方向遵循右手法則，垂直于閘墩側(cè)表面指向閘墩外部。

計算采用的三維有限元模型包括23620個計算節(jié)點和17513單元?？紤]到計算主要關(guān)心閘墩頸部應(yīng)力分布情況，因此在閘墩上游面和閘底板底面均約束全部自由度。閘墩混凝土假定為各向同性、均勻連續(xù)的線彈性體。

閘墩預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)以8結(jié)點六面體單元離散為主。為了避免錨頭預(yù)應(yīng)力應(yīng)力集中引起的計算誤差，將錨索預(yù)應(yīng)力荷載轉(zhuǎn)換為均勻分布荷載施加在鋼梁頂梁上。在嚙合時考慮的幾何形狀結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能，材料分區(qū)布局的角度來看，和預(yù)應(yīng)力錨索碼頭鋼筋混凝土梁和鋼部件的網(wǎng)格(碼頭頸部)分割，為了準(zhǔn)確模擬碼頭，弧門軸承鋼鋼筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力錨索耦合效應(yīng)下的整個復(fù)雜的應(yīng)力和變形特征；為了控制計算規(guī)模，提高計算效率，逐漸增大了遠離門墩頸處的墩面積和門底板的單位尺寸。

4 計算成果分析

4.1 計算工況

一共考慮三種運行工況：

工況1：閘門關(guān)閉，雙側(cè)擋水；工況2：一側(cè)閘門關(guān)閉，一側(cè)閘門瞬間開啟；工況3：一側(cè)閘門關(guān)閉，一側(cè)閘門開啟，單側(cè)擋水。

荷載工況組合包括閘墩自重、弧門水推力及錨束預(yù)加應(yīng)力。

4.2 計算成果分析

通過有限元分析和計算，可以發(fā)現(xiàn)在弧形門推力作用下，墩頸處受拉區(qū)邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。因此，普通混凝土的拉應(yīng)力的平均值之間的邊緣頸部張力區(qū)，最外層的錨梁的中心孔作為控制標(biāo)準(zhǔn)計算，和預(yù)應(yīng)力錨梁在基本保證的前提下減少沒有開裂預(yù)應(yīng)力錨束

按照以上原則計算出各工況下閘墩頸部抗裂分析成果見下表：

截取閘墩頸部局部混凝土區(qū)域的模型單元，得到各工況下閘墩頸部法向拉應(yīng)力分布云圖見圖2、圖3、圖4。

圖2 閘墩頸部法向拉應(yīng)力分布圖 工況1

圖3 閘墩頸部法向拉應(yīng)力分布圖 工況2

圖4 閘墩頸部法向拉應(yīng)力分布圖 工況3

由計算成果可以看出：

（1）情況1是氣閘的雙向?qū)ΨQ力，2是氣閘的不對稱力，同時快速打開的電弧推力略大于側(cè)弧的側(cè)弧，同時兩個工作位置相同。相對均勻地將壓力分布到氣閘的頸部，向氣閘厚度的方向，最大張力發(fā)生在狹窄的混凝土梁與混凝土的碰撞點，而從電弧門向拉力反向的拉伸應(yīng)力迅速減弱，轉(zhuǎn)化為壓力。在這兩個工作條件下，氣閘的頸部和大部分其他部分的壓力相對最佳，對混凝土的壓力相對較低。氣閘脖子上的混凝土壓力平均等于平均張力的壓力。

（2）工況3是單向動力作用，氣閘的脖子被轉(zhuǎn)移到壓力壓力下，向氣閘厚度轉(zhuǎn)移，但電壓分布仍然是壓力的核心。根據(jù)氣閘頸部混凝土的方法，盡管壓力較低，但平均應(yīng)力較低，可以滿足標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語：

1.當(dāng)閘門門大型煤炭領(lǐng)土靠水，橋墩水推力大，通常導(dǎo)致閘區(qū)塊脖子里大部分流向上層混凝土壓力產(chǎn)生較大的，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)很難完成編制要求，因此采用部分預(yù)應(yīng)力網(wǎng)關(guān)勢在必行，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)單元可以有效改善混凝土閘門脖子上力量組成。

2. 工況3為單側(cè)弧門推力作用情況，氣閘頸部的壓力往往會引起劇烈的張力。分析表明，在這種情況下，頸部邊緣的最大張力可能是雙邊對稱力的1.5倍，這可能對頸部的勞動力不利。在設(shè)計過程中，應(yīng)充分注意工作情況。