预应力闸墩应力分析

摘要：由于溢洪道闸墩体型空间结构非常复杂，再加之弧门推力很大，且本工程溢洪道闸墩有两孔，但不对称，边墩左侧是副坝，因此边墩左右侧受力不对等，导致边墩的应力非常复杂。需计算溢洪道闸墩在此方案下能否满足强度设计要求，从而验证此闸墩结构型式的合理性，作为结构配筋的依据。

关键词：预应力闸墩应力分析有限元

中图分类号： TU378.1 文献标识码： A 文章编号：

1 工程概况

某水电站拦河坝的最大坝高是76m，装机容量是420MW，属于二等大（2）型工程。

枢纽左岸为溢洪道，有两孔，孔口的尺寸为15m（宽）×23m（高），沿水流方向的闸室长度为55m，溢流堰型采用WES实用堰，上游为斜坡，坡比为3:2，堰顶上游有两段圆弧，他们的半径分别是4.62m、10.08m，圆弧的下游是y=0.044x0.81抛物线型曲线，下游反弧段通过1:1的直线段与它相连接，反弧段的半径为30.0m。溢洪道设计水头是21.0m，堰顶高程为1795.5m。

本工程的溢洪道闸墩采用了预应力闸墩。中墩厚度为5.0m，边墩厚度为4.0m。边墩位于左副坝和纵向施工导墙坝段。 溢洪道在上游设了一道14m×23.8m的平面检修闸门，下游设一道14m×24m的弧形工作闸门。检修闸门由4000/320kN坝顶双向门机启闭。弧形闸门由2×3600kN液压启闭机启闭。溢洪道闸室剖视图如图1。

图1溢洪道闸室剖视图

2研究目的和内容

同时，在一孔检修时，中墩一侧受弧们推力，两边受力不对称，致使闸墩颈部应力很大，且本工程采用竖井对拉式锚固，在闸墩上游端锚固竖井附近应力较复杂，且应力很大，以及支承锚块内设预留槽，由于主次锚索的作用，使得锚块的结构及受力更加复杂，所以，需要进行三维有限元计算，选择合理的锚索布置型式，分析闸墩主要部位的应力分布规律。

3计算基本资料

3.1水库特征水位及尾水位

表1 水库特征水位及尾水位

3.2材料力学指标

（1）水重度：γw=10kN/m3

（2）钢筋混凝土重度：γh=25kN/m3

（3）混凝土强度等级及弹性模量见表2。

表2 混凝土强度及弹性模量（N/mm2）

（4）混凝土泊松比：υc=0.167

3.3计算荷载及工况组合

溢洪道堰闸段结构计算的主要荷载有自重、内外水压力、预应力、扬压力、弧门推力、检修门推力等。本次计算中荷载施加方式如下所述。

（1）自重

自重按计算模型范围内不同材料分区密度和重力加速度10.0 m/s2施加在计算模型上。

（2）基础扬压力

河床式水电站扬压力按《水电站厂房设计规范（SL266-2001）》图3.3.6-1(a)的规定的分布图计算，渗透压力折减系数α=0.25。

（3）水压力

正常工况时，弧形闸门前的溢流面和闸墩侧面，按上游水位施加静水压力；弧形闸门后的溢流面和闸墩侧面按下游水位施加静水压力；检修工况时在检修门挡水一侧检修门前的溢流面和闸墩侧面，按上游水位施加静水压力；检修门后的溢流面和闸墩侧面按下游水位施加静水压力；检修门槽下游侧施加检修门传递的水压力。另一侧按正常挡水工况施加水压力。

（4）弧门推力

在正常蓄水位1818.0m时，荷载效应长期组合静水压力时，弧门单个支铰荷载（考虑1.05的分项系数）：

（5）地震力

按《水工建筑物抗震设计规范DL5073-2000》相关规定，场地类别为I类，工程地震设防烈度为7度，相应地震水平加速度0.101g。抗震计算采用动力反应谱法。

计算工况及荷载组合见表3。

表3荷载工况及其组合

4溢洪道预应力闸墩结构计算分析

4.1计算模型的建立及网格剖分

溢洪道堰闸段的计算范围在坝轴线方向即宽度为49.0m，顺水流方向长度为52.0m。坝基沿上游取50.0m，深度方向取80m，下游取150m，宽度与堰闸段相同为49.0m。根据地基开挖图和结构设计图建立三维有限元计算模型见图2。

图2 预应力闸墩有限元剖分图

由于弧门推力及锚索预应力的作用，锚固竖井、闸墩颈部、闸墩与溢流面结合处、支承牛腿周边等部位的应力较复杂且应力很大，所以在单元剖分中，单元尺寸采用0.5m。在闸室以外，向上、下游方向和底部，单元尺寸逐渐放大。节点总数为108020个，单元总数为125641个。

计算模型应用的坐标系为：X轴方向为水流方向，向下游为正；Y轴方向为高度方向，向上为正；Z轴方向为坝轴线方向，向右岸为正。

5.3.2计算成果及分析

限于篇幅，计算成果提供了工况3溢洪道预应力闸墩主要部位应力分布图。计算成果分析如下：

附图3 工况3中墩竖井底板X向应力沿闸墩高度方向分布（MPa）

该工况为一孔检修，一孔正常挡水，弧门推力采用荷载效应长期组合，锚索预应力采用永存吨位。

边墩颈部X向拉应力很小，节点最大拉应力小于荷载效应长期组合C40预应力混凝土的允许拉应力0.91MPa；中墩颈部X向拉应力较大，节点最大拉应力1.02MPa，但单元最大拉应力和拉应力区的平均拉应力均小于荷载效应长期组合C40预应力混凝土的允许拉应力0.91MPa（见附图5-20）。

中墩锚块预留槽上下游面Z向节点最大拉应力1.43MPa，单元最大拉应力0.75MPa；边墩锚块预留槽上下游面Z向节点最大拉应力1.44MPa，单元最大拉应力0.65MPa。节点最大拉应力大于荷载效应长期组合C40混凝土的允许拉应力0.91MPa，但单元最大拉应力和拉应力区的平均拉应力均小于0.91MPa。

边墩锚块下游面与边墩顶面交接处X向节点最大拉应力2.58MPa，单元最大拉应力1.28MPa，Y向节点最大拉应力1.62MPa，单元最大拉应力0.90MPa；中墩锚块下游面与中墩顶面交接处X向节点最大拉应力2.42MPa，单元最大拉应力1.20MPa，Y向节点最大拉应力1.53MPa，单元最大拉应力0.53MPa。节点最大拉应力和部分单元最大拉应力大于荷载效应长期组合该部位C40混凝土的允许拉应力0.91MPa，但拉应力区的平均拉应力均小于0.91MPa。

中墩锚固竖井顶部和底部X向节点最大拉应力2.78MPa，单元最大拉应力1.60MPa，Y向节点最大拉应力1.92MPa，单元最大拉应力1.84MPa；边墩锚固竖井顶部和底部X向节点最大拉应力1.55MPa，单元最大拉应力0.64MPa，Y向节点最大拉应力1.46MPa，单元最大拉应力1.34MPa。节点最大拉应力和单元最大拉应力都大于荷载效应长期组合C30混凝土的允许拉应力0.74MPa，但拉应力区的平均拉应力均小于0.74MPa。其余部位拉应力较小。