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        預(yù)應(yīng)力閘墩有限元分析

        2020-12-24 07:56:55胡森
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2020年27期
        關(guān)鍵詞:泄洪閘錨索有限元

        胡森

        摘? 要:根據(jù)某水電站泄洪閘孔閘墩結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力錨索布置方案,應(yīng)用有限元程序ANSYS建立三維有限元模型,比較預(yù)應(yīng)力與非預(yù)應(yīng)力情況下閘墩受力性能,驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力錨索布置方案的合理性,為工程設(shè)計(jì)提供參考。

        關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力閘墩;錨索;泄洪閘;有限元

        中圖分類號:TV662+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? ?文章編號:2095-2945(2020)27-0062-03

        Abstract: According to the structure of the pier and the pre-stressed anchor layout of the spillway gate of a hydropower station, the finite element program ANSYS was used to establish a three-dimensional finite element model, compare the mechanical performance of the pier under pre-stressed and non-prestressed conditions, and verify the rationality of the pre-stressed anchor layout, so as to provide a reference for engineering design.

        Keywords: pre-stressed pier; anchor; floodgate; finite element

        1 預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        某水電站布置有7孔泄洪閘,擬采用預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu),弧門總推力為2×16000kN。閘墩錨索布置分主錨索和次錨索,主錨索長20m,次錨索長8.8m。中墩主錨索在閘墩立面上作扇形布置,設(shè)5層,每層4根,總擴(kuò)散角24°,相鄰兩層主錨索擴(kuò)散角6°,預(yù)應(yīng)力主錨索合力作用線通過弧門支鉸中心。錨塊在受到弧門推力和主錨索張拉力作用下,在垂直主錨索方向會出現(xiàn)次生拉應(yīng)力,為改善錨塊應(yīng)力狀態(tài),在錨塊內(nèi)水平方向布置了3列次錨索,每列4根,錨固端設(shè)在錨塊左右兩側(cè)。縫墩及邊墩主錨索布置5層,每層3根,次錨索水平方向布置3列,每列4根,縫墩和邊墩錨索布置形式同中墩。錨索采用7Φ5(Φ15.2)高強(qiáng)低松弛鋼絞線,強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860MPa單根主錨索設(shè)計(jì)永存噸位2000kN,次錨索設(shè)計(jì)永存噸位1000kN。中墩錨索布置見圖1。

        閘墩混凝土分區(qū):鉸支座部位采用C40混凝土,其余部位采用C35混凝土。

        2 三維有限元分析

        2.1 計(jì)算模型與假定

        本次計(jì)算主要分析比較閘墩預(yù)應(yīng)力與非預(yù)應(yīng)力條件下工作性態(tài),驗(yàn)證閘墩預(yù)應(yīng)力錨索布置的合理性,對模型荷載和邊界條件進(jìn)行了簡化,考慮如下基本假定[1-4]:

        (1)閘墩混凝土符合小變形情況下的線彈性基本假

        定,即按空間線彈性理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析。

        (2)模型未計(jì)入地基巖體的影響,僅考慮上部閘墩結(jié)構(gòu)。

        (3)計(jì)算荷載包括結(jié)構(gòu)自重、單側(cè)/雙側(cè)弧門推力、錨索預(yù)應(yīng)力,未考慮兩側(cè)水壓力對閘墩的影響。

        (4)錨索預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加,錨索與混凝土節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合求解。

        選取泄洪閘中墩進(jìn)行三維有限元分析,模型范圍為中墩兩側(cè)閘孔中-中距離。模型底部及兩邊閘孔底板邊界采用法向鏈桿約束。順河向?yàn)閄軸,指向下游為正,豎向?yàn)閅軸,豎直向上為正。采用有限元程序ANSYS對預(yù)應(yīng)力閘墩進(jìn)行分析,中墩結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示,其單元總數(shù)82049個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)72827個(gè)。

        2.2 計(jì)算成果分析

        2.2.1 單側(cè)弧門推力作用下非預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力比較

        (1)由表1可知,非預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力條件下閘墩變形均不大,順?biāo)飨蜃畲笪灰莆挥诨¢T推力作用處,橫向最大位移位于閘墩尾部頂端處,豎向最大位移位于閘墩上游頂端處。非預(yù)應(yīng)力條件下相較預(yù)應(yīng)力條件下各向最大位移略大。

        (2)靠近支座附近扇形區(qū)域徑向應(yīng)力如圖3、圖4,由圖可知,非預(yù)應(yīng)力條件下扇形區(qū)域徑向應(yīng)力主要為拉應(yīng)力,徑向總拉力10569.63kN;預(yù)應(yīng)力條件下扇形區(qū)域徑向應(yīng)力主要為壓應(yīng)力,徑向總壓力-25785.59kN??梢婎A(yù)應(yīng)力錨索對閘墩結(jié)構(gòu)起到了很好的預(yù)壓效果。

        2.2.2 雙側(cè)弧門推力作用下非預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力比較

        (1)由表2可知,非預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力條件下閘墩變形均不大,順?biāo)飨蜃畲笪灰莆挥诨¢T推力作用處,因荷載對稱橫向位移可忽略不計(jì),豎向最大位移位于閘墩上游頂端處。非預(yù)應(yīng)力條件下相較預(yù)應(yīng)力條件下各向最大位移略大。

        (2)靠近支座附近扇形區(qū)域徑向應(yīng)力如圖5、圖6,由圖可知,非預(yù)應(yīng)力條件下扇形區(qū)域徑向應(yīng)力主要為拉應(yīng)力,徑向總拉力24583.84kN;預(yù)應(yīng)力條件下扇形區(qū)域徑向應(yīng)力主要為壓應(yīng)力,徑向總壓力-11810.62kN。可見預(yù)應(yīng)力錨索對閘墩結(jié)構(gòu)起到了很好的預(yù)壓效果。

        3 結(jié)束語

        結(jié)合泄洪閘孔預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)工程實(shí)例,對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力和變形進(jìn)行了分析,結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力錨索大大改善了支座附近應(yīng)力狀態(tài),達(dá)到了很好的預(yù)壓效果,錨索布置方案可行。

        參考文獻(xiàn):

        [1]夏菲菲,張宗亮,張?zhí)靹?糯扎渡新型預(yù)應(yīng)力閘墩工作性態(tài)研究[J].云南水力發(fā)電,2007,23(4):33-38.

        [2]石太軍,楊德超.深溪溝水電站泄洪閘預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)[J].水電站設(shè)計(jì),2013,29(2):31-33.

        [3]陳滿圈,王新軍,王愛萍.燕山水庫泄洪閘預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)[J].水電能源科學(xué),2009,27(6):110-112.

        [4]蘇超,徐匯,陳鵬,等.預(yù)應(yīng)力閘墩頸縮式空腔結(jié)構(gòu)體形優(yōu)化[J].水電能源科學(xué),2016,34(12):117-120.

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