基于COMSOL_Mult...的溢流坝预应力闸墩数值分析_华中.pdf

2023 年第 2 期水利技术监督信息化DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.015基于 COMSOL Multiphysics 的溢流坝预应力闸墩数值分析华中，王晓，戚会刚(淮安市淮河水利建设工程有限公司，江苏 涟水 223400)摘要:为分析溢流坝预应力闸墩在不同工况下的最大主应力和最大位移，给工程设计提供技术参考，以某工程溢流坝为研究对象，通过 COMSOL Multiphysics 建立预应力闸墩三维有限元模型，并进行数值分析，得到不同工况下预应力闸墩的位移及应力分布情况。由分析结果可知:超过混凝土抗拉强度的部位，可以通过配置非预应力钢筋来限制闸墩表面裂缝的开展。该分析方法可为类似工程预应力闸墩体系的设计和优化提供借鉴参考。关键词:COMSOL Multiphysics;预应力闸墩;溢流坝;数值分析中图分类号:TV652文献标识码:A文章编号:1008-1305(2023)02-0054-06收稿日期:2022-10-11作者简介:华中(1985 年)，男，工程师。E-mail:964578575 1工程概况某工程泄洪建筑物为溢流坝，各溢流坝段长分别为 26.5、18.5、18.5、17m。溢流表孔共设 4孔，孔口尺寸 13m 21m，堰顶高程 87.0m，每孔设弧形工作闸门，弧形闸门尺寸 13m 24.5m，挡水情况下，弧门总推力 56000kN，采用液压启闭机操作，上游设平板检修门，下游设置电缆沟。表孔闸墩为预应力闸墩，型式为宽尾墩，闸墩全长49m，墩头采用半圆形，半径 2m，闸墩宽尾段长15.15m，孔口收缩比 0.5，孔口缩窄后出口宽度6.5m，墩尾厚13m。两侧边墩以下设导墙，导墙墙顶高程由 96.50m 渐变至 80.0m。溢流堰面曲线采用 WES 曲线，曲线方程为y=0.0432 1.85，下接 1 0.632 的直线段和半径 25m 的反弧段，再接戽流消力池。溢流坝采用孔 中 分 缝，闸 墩 厚 4.5m，闸 墩 上 游 悬 挑3.1m，在高程 81.1m 挑出溢流坝上游面，墩顶顶部再悬挑 1.5m 布置坝顶公路桥梁。溢流坝坝体上游面铅直，下部为 1 0.2 折坡，折坡点高程 71.0m。戽流消力池底板高程 40m，消力池水平段长20m，消力池底板厚 5m，其后设斜坡消力坎，陡坎高度 8m，消力坎坡比为 12，戽流消力池总长54.7m。消力 池 底 板 下 设 锚 筋 32 1.5m，入岩 9.0m。2锚块及锚索布置2.1锚块布置1 弧门支座(锚块)采用简单型锚块，锚块底部与闸墩之间采用“三油两毡”分隔层连接，锚块伸出闸墩外 2.7m，平面尺寸 7m 6.15m(宽 高)，如图 1 所示。图 1闸墩结构布置图(单位:mm)2.2锚索布置2 中墩各侧面沿闸墩高度方向布置 5 层，每层 3排，共 30 根，长度分别为 33、29m，各层长短相间布置，最外侧主锚索距闸墩边缘 0.6m，排距0.6m，相邻 2 层锚索间的扩散角 4.0，如图 2所示。45信息化水利技术监督2023 年第 2 期图 2中墩锚索和锚块结构布置图(单位:mm)边墩在挡水侧布置 3 排 5 层的预应力主锚索，布置方式同中墩，在另外一侧布置 1 排 3 层的预应力张拉平衡锚索，如图 3 所示。锚索端部通过锚垫板与闸墩和锚块直接接触。水平次锚索在锚块上游面布置 2 排，相邻 2 排的间距为 1.0m，距锚块上游边缘 1.0m，在锚块下游面布置一排，距锚块下游边缘 1.0m，每排 4 根，共 12 根。在闸墩主锚索上游端预留 5 个直径为 1.5m 的张拉孔，以便预应力锚索张拉施工，施工完毕后再用微膨胀混凝土回填封堵，以确保闸墩结构的整体性。钢绞线采用 15.2mm(75)高强低松弛钢绞线，公称直径 15.2mm，抗拉强度标准值 1860MPa。单束主锚索由 36 股钢绞线组成，次锚索由 18 股钢绞线组成3。主锚索预应力为 5400kN，次锚索预应力为 2800kN。3计算模型及工况根据溢流坝段闸墩设计方案，分别选取中墩和边墩为研究对象，将溢流堰、闸墩以及锚块按等比例建立三维有限元模型4-5。混凝土采用常应力实体单元，溢流堰单元尺寸为 0.5m6，闸墩单元尺寸为 0.2 0.5m，锚块单元尺寸为 0.2m。中墩模型共36.5 万个单元，25.5 万个节点，如图4 所示。边墩模型共 28.7 万个单元，20.8 万个节点，如图 5 所示。预应力锚索采用一维杆单元进行模拟，只计轴向拉力，不计剪力和弯矩7-8。模型坐标系统为:x 轴沿水流方向;y 轴沿坝轴线方向;z 轴竖直向上。根据闸墩受力特点，就主要控制工况进行计算，中墩计算工况及荷载组合见表 19。边墩计算工况及荷载组合见表 2。图 3边墩锚索和锚块结构布置图(单位:mm)图 4中墩计算模型和锚块三维网格图图 5边墩计算模型和锚块三维网格图552023 年第 2 期水利技术监督信息化表 1中墩计算工况及荷载组合荷载工况自重左侧弧门推力右侧弧门推力水压力预应力检修闸门推力工况 A1:完建，未挡水工况 A2:两侧闸门挡水工况 A3:一侧闸门挡水一侧泄水表 2边墩计算工况及荷载组合荷载工况自重左侧弧门推力右侧弧门推力水压力预应力检修闸门推力工况 B1:完建，未挡水工况 B2:闸门挡水4计算成果与分析经数值计算，中墩和边墩在不同工况下的位移见表 3。中墩和边墩在不同工况下的应力见表 4。中墩颈部应力最不利工况为工况 A3，工况 A3位移计算结果如图 67 所示。闸墩各部位应力计算结果如图 810 所示。边墩颈部应力最不利工况为工况 B2，工况 B2位移计算结果如图 1112 所示。闸墩各部位应力计算结果如图 1315 所示。由表34、图615 可看出:中墩颈部截面受拉区边缘至最外侧主锚束孔中心之间的混凝土法向拉应力的平均值最大为 1.20MPa2，发生在工况A3(一侧闸门挡水，一侧泄水);边墩颈部法向拉应力平均值为 1.42MPa，发生在工况 B2(闸门挡水)。中墩颈部表面最大拉应力为 2.85MPa，边墩颈部表面最大拉应力为 3.76MPa，均大于混凝土抗拉强度，范围较小，且沿轴线方向很快衰减。中墩锚块的最大拉应力发生在工况 A3(一侧闸门挡水，一侧泄水)，最大拉应力为 1.35MPa，位于锚块闸墩交接处，最大压应力为20.57MPa，位于表 3不同工况下最大位移汇总表单位:mm闸墩计算工况x 向位移y 向位移z 向位移最大值发生部位最大值发生部位最大值发生部位中墩工况 A1:完建、未挡水2.2锚块下游面0.28锚块下游面0.28锚块下游面工况 A2:两侧闸门挡水1.52张拉孔处0.32锚块下游面0.58锚块下游面工况 A3:一侧闸门挡水一侧泄水2.22锚块泄水侧侧面5.14锚块下游侧顶部0.92锚块泄水侧侧面边墩工况 B1:完建、未挡水1.88锚块下游面1.91锚块下游面0.26闸墩下游侧工况 B2:闸门挡水1.62锚块侧面4.64锚块下游侧顶部0.6锚块下游面表 4不同工况下最大应力汇总表单位:MPa闸墩工况颈部锚块张拉孔13平均1313中墩工况 A1:完建、未挡水/11.2/1.1315.143.5612.60工况 A2:两侧闸门挡水0.978.37/0.9315.174.1812.58工况 A3:一侧闸门挡水一侧泄水2.8516.321.201.3520.574.0612.60边墩工况 B1:完建、未挡水/11.67/1.0115.123.5112.62工况 B2:闸门挡水3.765.141.421.6115.123.9312.61规范允许值/1.67/注 1:正值为拉，负值为压。注 2:平均为闸墩颈部截面受拉区边缘至最外侧主锚束孔中心之间的混凝土法向拉应力的平均值。65信息化水利技术监督2023 年第 2 期图 6工况 A3中墩总位移(左)和 x 向位移(右)图(单位:m)图 7工况 A3中墩 y 向位移(左)和 z 向位移(右)图(单位:m)图 8工况 A3中墩颈部第一(左)和第三(右)主应力图(单位:kN/m2)图 9工况 A3中墩张拉孔第一(左)和第三(右)主应力图(单位:kN/m2)752023 年第 2 期水利技术监督信息化图 10工况 A3中墩锚块第一(左)和第三(右)主应力图(单位:kN/m2)图 11工况 B2边墩总位移(左)和 x 向位移(右)图(单位:m)图 12工况 B2边墩 y 向位移(左)和 z 向位移(右)图(单位:m)图 13工况 B2边墩颈部第一(左)和第三(右)主应力图(单位:kN/m2)85信息化水利技术监督2023 年第 2 期图 14工况 B2边墩张拉孔第一(左)和第三(右)主应力图(单位:kN/m2)图 15工况 B2边墩锚块第一(左)和第三(右)主应力图(单位:kN/m2)锚块底部与闸墩边缘接触部位;边墩锚块的最大拉应力发生在工况 B2(闸门挡水)，最大拉应力为1.61MPa，位于锚块闸墩交接处，最大压应力为15.12MPa，位于锚头与锚块接触部位，为应力集中区域。中墩张拉孔的最大拉应力发生在工况A2(两侧闸门挡水)，最大值为 4.18MPa;边墩张拉孔的最大拉应力发生在工况 B2(闸门挡水)，最大值为 3.93MPa。两者均大于混凝土的抗拉强度，位于张拉孔上下边缘。由于采用的是分离式锚块，锚块底部与闸墩连接部位在施工和运行过程中会出现应力集中区域，但分布范围较小。5结语本文采用三维有限元法，借助 COMSOL Mul-tiphysics 数值分析平台，对溢流坝预应力闸墩进行静力特性分析，得到如下结论。(1)中墩颈部截面受拉区边缘至最外侧主锚束孔中心之间的 混 凝 土 法 向 拉 应 力 的 平 均 值 为1.20MPa，边 墩 颈 部 法 向 拉 应 力 平 均 值 为1.42MPa，均满足规范要求的颈部应力控制标准1.67MPa(0.7ftk=0.7 2.39=1.67MPa)。(2)中墩和边墩颈部表面局部最大拉应力均大于混凝土抗拉强度，但其范围较小，且沿轴线方向很快衰减，可以通过配置非预应力钢筋来限制闸墩表面裂缝的开展。(3)中墩锚块整体压应力水平均小于 C40 混凝土的抗压强度设计值(19.1MPa)，仅在中墩锚块与闸墩交接的角点处存在应力集中，最大压应力为20.57MPa，范围极小，不影响结构安全;边墩锚块的最大压应力为 15.12MPa，均小于 C40 混凝土的抗压强度设计值(19.1MPa)。(4)在张拉孔上下边缘以及锚块底部与闸墩连接部位局部会产生较大拉应力，超过混凝土的抗拉 强 度，这 些 区 域 应 加 强 配 筋 来 控 制 裂 缝开展。参考文献 1潘家军，徐远杰，孔科 预应力闸墩与钢锚块接触非线性有限元分析 J 武汉大学学报(工学版)，2008，2(41):60-64 2SL/2122012 水工预应力锚固设计规范 S 3GB/T 52242014 预应力混凝土用钢绞线 S 4潘家军，徐远杰，费胜 水电站预应力闸墩三维有限元分析J 中国农村水利水电，2007(9):92-99 5徐远杰，唐碧华 三板溪预应力边墩应力与变形的三维有限元分析 J 长江科学院院报，2005，22(3):52-55 6顾滨 某溢流坝预应力闸墩三维有限元分析D 大连理工大学，2015 7杨晓红，胡清义 预应力闸墩结构设计中几个关键问题的探讨J 红水河，2004，23(4):14-18 8姚艳华，彭刚，陈灯红，等 江坪河坝溢洪道预应力中墩应力分布特性J 人民长江，2008，39(11):79-81 9傅继涛，陈星云，王忠诚 葛洲坝水利枢纽闸墩预应力混凝土结构设计C/大型预应力混凝土结构工程实践论文集 北京:198695