鄭曉康

（遼寧省觀音閣水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117100）

閘墩是水利工程中泄水建筑物的重要組成部分，其科學(xué)合理的設(shè)計對水利工程的運行安全具有重要作用[1]。目前，水利工程設(shè)計建設(shè)中大多采取預(yù)應(yīng)力閘墩解決普通混凝土閘墩承載力不足的問題[2]。但是，工藝復(fù)雜、抗震性能不足成為制約其廣泛應(yīng)用的重要缺陷。型鋼-混凝土閘墩作為一種新型的閘墩結(jié)構(gòu)模式，將普通鋼筋混凝土閘墩中的受力鋼筋用型鋼代替，具有剛度大、承載力高、抗震性能好等諸多優(yōu)勢，有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景[3]。因此，廣大學(xué)者和工程技術(shù)人員針對型鋼混凝土閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了諸多研究[4]。鑒于型鋼-混凝土閘墩兩側(cè)配筋設(shè)計研究較少，而閘墩的工作性能又與其緊密相關(guān)。本文對工程運行期間非對稱荷載作用下不同配筋直徑和間距對鋼筋-型鋼混凝土閘墩工作性能的影響進行研究。

1 工程背景

趙家堡子水電站位于遼寧省丹東境內(nèi)，屬于愛河梯級開發(fā)的重要規(guī)劃工程。該電站的壩址在鳳城市石城鎮(zhèn)境內(nèi)，距離鳳城25 km，距離丹東市約95 km。規(guī)劃中的趙家堡子電站屬于一座徑流式水電站，同時具有一定的防洪和養(yǎng)殖功能，為一座綜合性小型水利樞紐工程。電站設(shè)計單機容量42 kW的混流式水利機組，裝機總?cè)萘繛?6800 kW。電站的水庫為河道式水庫，設(shè)計庫容1550萬m3。趙家堡子水電站的工程等別為Ⅲ等，主要水工建筑物級別為3級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇，主要由混凝土重力壩、溢流壩、引水系統(tǒng)和電站廠房構(gòu)成。其中，大壩的溢流壩段位于靠近右岸的位置，采用WES實用堰設(shè)計，堰頂高程為55.10 m，閘門的墩體厚3.0 m，墩頂高程為80.16 m。

2 FLUENT三維有限元計算模型

2.1 有限元模型的構(gòu)建

本次研究選取FLUENT軟件進行三維數(shù)值模擬[5]。根據(jù)相關(guān)研究成果，在混凝土閘墩的粘結(jié)滑移載荷較大時，閘墩的整體位移并不會受到型鋼和混凝之間粘結(jié)滑移作用的明顯影響。因此，本次研究中并不考慮型鋼、鋼筋層和混凝土之間的粘結(jié)滑移作用的影響，而將型鋼和鋼筋層直接嵌入有限元模型進行計算分析[6]。為了區(qū)分不同混凝土材料的性質(zhì)，牛腿采用C40混凝土，而其他部位則采用C30混凝土。由于模型包含范圍較大，不同區(qū)域的計算規(guī)則不同，因此將網(wǎng)格劃分為大小不同的規(guī)則形狀，提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量[7]。模型的網(wǎng)格間距設(shè)定為0.8 m，并對關(guān)鍵部位進行加密，最終獲得約312890個離散單元（見圖1）。

圖1 鋼筋-型鋼混凝土閘墩有限元模型

2.2 算法和邊界條件

由于兩閘墩之間設(shè)置有伸縮縫，相鄰的閘墩之間不存在相互影響，因此模型的左右邊界設(shè)置為自由邊界。由于閘墩的底部和地基接觸十分牢固，底部位移量幾乎為零，因此將模型的底部設(shè)置為全約束條件。在模型計算過程中，將初始增量步長設(shè)置為0.01，最大增量步設(shè)置為10000，以保證模型的計算結(jié)果收斂[8]。研究過程中利用軟件進行多次試算，計算結(jié)果顯示可以滿足收斂條件。

2.3 計算工況

本文主要對不同配筋直徑和間距下閘墩的位移和應(yīng)力進行分析，以確定最佳閘墩配筋直徑和間距，在保證工程安全的前提下，最大限度提升閘墩設(shè)計的工程經(jīng)濟性。計算工況為：①保持配筋間距50 mm不變，閘墩兩側(cè)設(shè)計為沒有配筋以及配筋直徑分別為20 mm、22 mm、25 mm、28 mm以及32 mm等6種不同的配筋直徑；②配筋直徑不變，配筋間距為50 mm、90 mm、120 mm、150 mm、180 mm、210 mm 以及 240 mm 這 7種不同配筋間距。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 不同配筋直徑下閘墩位移分析

對不同配筋直徑下的閘墩整體和部分關(guān)鍵部位的位移量進行計算，結(jié)果見表1。由表1可知，在設(shè)置配筋的情況下，閘墩各個方向上位移與關(guān)鍵部位的位移均相對較小，說明設(shè)置配筋對控制閘墩位移具有顯著的作用。從有配筋的5種工況的對比結(jié)果來看，隨著配筋直徑的增大，閘墩的各向位移、合位移以及關(guān)鍵部位的位移均呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢，但是減小的幅度會隨著配筋直徑的增加而不斷減小。但是，配筋直徑對各向位移的影響程度并不相同，其中對X向和Z向位移的影響較大，而對Y向位移的影響并不明顯。從具體的數(shù)據(jù)來看，采用D32@50配筋與無配筋工況相比，X向位移由1.110 mm減小到1.041 mm，減小幅度為6.22%；Y向位移由0.800 mm減小到0.783 mm，減小幅度為2.13%；Z向位移由5.153 mm減小到4.936 mm，減小幅度為4.21%；此外，由于上角點的位移大于下角點的位移，說明上角點的應(yīng)力集中更為顯著。

表1 不同配筋直徑下閘墩位移量計算結(jié)果

3.2 不同配筋直徑下閘墩應(yīng)力分析

對不同配筋直徑下的閘墩整體和部分關(guān)鍵部位的應(yīng)力進行計算，結(jié)果見表2。由表2可知，在閘墩的兩側(cè)增設(shè)配筋之后，閘墩整體和關(guān)鍵部位的最大拉應(yīng)力值均有不同程度的增加，同時拉應(yīng)力值還隨著配筋直徑的增加而增大。例如，采用D32@50配筋與無配筋工況相比，閘墩的最大拉應(yīng)力值由1.951 MPa增加到1.980 MPa增加了1.48%。究其原因，閘墩在運行工況下會受到較大的閘門推力作用，因此承擔(dān)的荷載較大。而配筋直徑的增加勢必會導(dǎo)致配筋與混凝土接觸面積的增大，從而使配筋與混凝土粘結(jié)力的減弱，進而導(dǎo)致各部位受到的拉應(yīng)力增大。

表2 不同配筋直徑下閘墩應(yīng)力計算結(jié)果

3.3 不同配筋間距下閘墩位移分析

在配筋直徑為32 mm不變的情況下，對不同配筋間距下的閘墩整體位移和部分關(guān)鍵部位的位移量進行計算，結(jié)果見表3。由表3可知，減小配筋間距有助于控制閘墩的X向位移。例如，閘墩的配筋間距由240 mm減小到50 mm時，閘墩的X向位移由1.082 mm減小到1.041 mm，減小了3.79%；減小配筋間距對改善閘墩的Y向位移的作用不明顯，閘墩的配筋間距由240 mm減小到50 mm時，閘墩的Y向位移由0.785 mm減小到0.783 mm，減小幅度極為有限；減小配筋間距對控制閘墩的Z向位移的作用比較明顯，閘墩的配筋間距由240 mm減小到50 mm時，閘墩的Z向位移由5.050 mm減小到4.936 mm，減小了2.26%。此外，閘墩兩個關(guān)鍵部位，牛腿上下角的位移量也隨著配筋間距的減小而減小，說明減小配筋間距對減少該部位的位移也具有一定的作用。此外，由于上角點的位移大于下角點的位移，說明上角點的應(yīng)力集中更為顯著。

表3 不同配筋間距下閘墩位移量計算結(jié)果

3.4 不同配筋間距下閘墩應(yīng)力分析

對不同配筋間距下的閘墩整體和部分關(guān)鍵部位的應(yīng)力進行計算，結(jié)果見表4。由表4可知，閘墩拉應(yīng)力值隨著配筋間距的減小呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。閘墩在運行工況下會受到較大的閘門推力作用，因此承擔(dān)的荷載較大。而配筋間距的增大會導(dǎo)致配筋與混凝土接觸面積的減小，從而使配筋與混凝土粘結(jié)力的有所增強，進而導(dǎo)致各部位受到的拉應(yīng)力減小。但是配筋間距過大，會加大對支座附近混凝土的牽拉作用，進而導(dǎo)致閘墩的拉應(yīng)力增大。

表4 不同配筋間距下閘墩應(yīng)力計算結(jié)果

4 結(jié)論

本文以趙家堡子水電站為例，對不同鋼筋-型鋼混凝土閘墩配筋直徑和間距條件下的閘墩位移和應(yīng)力變化特征進行研究，得到的研究結(jié)論如下：

（1）設(shè)置配筋對控制閘墩位移具有顯著的作用，隨著配筋直徑的增大，閘墩的各向位移、合位移以及關(guān)鍵部位的位移均呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢，應(yīng)力呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，但是增加幅度比較有限。

（2）減小閘墩配筋間距對控制閘墩各向位移具有明顯的作用，其中對控制X向位移和Z向位移的作用更為明顯；隨著配筋間距的減小，閘墩的拉應(yīng)力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，但是變化不大。

（3）綜合研究結(jié)果，同時考慮工程的經(jīng)濟性要求，建議趙家堡子水電站溢流壩閘墩應(yīng)該采用D32@50配筋方式。