水利工程中水闸闸墩结构计算的分析与探讨

2010-08-15梅海州

黑龙江水利科技 2010年2期

梅海州

(新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院,乌鲁木齐 830002)

1 前言

近年来,在大型水利枢纽建筑物中,为解决弧门水推力大、闸墩布筋困难这一难题,水工闸墩逐渐开始采用预应力混凝土支承结构形式。预应力混凝土结构借高强度钢丝束施加预应力将弧门支承体与闸墩连接,在锚束作用范围内产生预压应力来平衡弧门水推力产生的拉应力。

尽管预应力闸墩已被广泛应用,但是其结构设计也没有固定的计算形式,各个工程采用不同的结构设计方法,因而其设计结果也各不相同。笔者在总结了大量预应力闸墩设计工程实践经验的基础上,提出了预应力闸墩结构设计的总体步骤以及设计中需重点考虑的问题,为工程设计技术人员提供参考。

2 预应力闸墩结构设计总体思路

首先从弧门水推力大小、结构强度、变形、裂缝控制、运用要求、施工条件、技术经济等方面进行综合分析,以确定是否有采用预应力的必要性;然后开始预应力闸墩的设计。当论证是否采用预应力闸墩时,可以按照规范或通过计算来比较分析。

根据规范,弧门水推力＞35 000 k N的就可采用预应力式闸墩。另外,为了论证采用预应力技术的必要性,可以将常规混凝土闸墩与预应力式闸墩结构两种方案分别进行有限元计算来比较论证。

3 预应力闸墩结构设计中需重点考虑的几个问题

预应力闸墩结构设计总体步骤中包含着需要设计人员重点考虑的问题。如弧门支承体结构选型问题、闸墩结构预应力度表示方法和选择标准问题、如何合理布置预应力锚束的问题、配筋时预应力筋和非预应力筋的比例问题、部分预应力闸墩裂缝成因以及如何控制等方面。

3.1 弧门支承体结构选型问题

大型预应力闸墩弧门支承结构由闸墩体与弧门支承体两部分组成,并通过颈部连成一整体。支承体作为弧形门支座,是传递弧门水推力的机构。闸门所受水压力便通过弧门支承体传到闸墩上,再通过锚系钢筋或构件传到闸墩的上游部分。弧门支承体结构形式和尺寸大小对闸墩和支承体本身应力状态的影响作用很大,它关系到能否改善闸墩受力状态和提高闸墩预应力效果。

工程设计中,在弧门支承体结构选型问题上,各个工程应根据不同的泄水孔的结构特点和工程地质条件等因素,通过对比分析多种弧门支承体形式来选取合适的弧门支承体。目前,我国工程实践中。大型弧门预应力混凝土支承体的结构型式主要有牛腿或悬臂深梁、锚块及跨孔口深梁等几种类型。各种支承体结构型式的特点及适用场合如下:悬臂梁和锚块均属于深梁悬臂,只是在外形上有所差别,前者为简单的四边形状,后者为复杂的不规则多边形的立方体。采用锚块形式主要是为了改善锚块内部应力和减少阻水作用;且采用锚块形式较为经济。当闸室泄洪孔口为大跨度、多孔口结构,整个闸室处于坝体上或地质条件较好的基岩上时,为使结构体形简单,方便施工,可考虑采用锚块式支承体结构。

近年来,为提高锚束的预应力效果,改善支承结构应力状态,工程设计和研究人员开始研究多种新型支承体结构。如朱暾等提出在颈部开槽的新结构型式,该新型结构能显著降低预应力闸墩拉锚系数,能明显改善颈部的应力分布状态,增大预应力的抗裂效果;另贺采旭等提出在简单锚块中预留一条很薄夹缝的新锚块形式(简称开缝锚块),这种开缝锚块改变了预应力的传力路径,增加了颈部两侧的预压应力,提高了预应力效果,节省了预应力锚束的数量。

经过上述多种支承体形式比较分析,可以选取适合各个工程的支承体形式。当支承体形式确定之后,接下来应着重研究其截面形状和截面大小。支承梁的形状和大小主要由弧门推力大小、主次锚索布置及锚索的作用效果等因素决定。确定截面尺寸的过程同以后的锚索布置过程相辅相成,它们需要经过反复试验和计算才能确定。模型试验、有限元计算等,成为这一过程中有力的辅助手段。具体过程为:初拟支承体截面尺寸——进行模型试验或计算分析①初拟锚索布置——进行模型试验或计算分析,②调整支承体截面尺寸(或进行分缝研究)和锚索布置——进行模型试验或计算分析,③如此反复,最终选取一较优的支承体截面尺寸大小。

3.2 合理布置预应力锚束

预应力闸墩在弧门推力和预应力锚束共同作用下,结构的受力状态十分复杂。预应力锚束布置得合理与否,将直接影响弧门支承体结构性能和预应力效果。如何合理地、经济地布置预应力锚束,必须仔细考虑。

闸墩主锚束的布置方式主要考虑通过主锚束施加预应力后,能有效地抵消弧门推力在颈部所产生的拉应力,并使主锚束预应力有效地扩散到闸墩内。在立面上,工程实践中大都使其与弧门水推力合力方向一致,使预应力的压应力更好地抵消由荷载产生的拉应力,以达到有效和经济的要求;同时,为使弧门支铰区附近闸墩内的集中应力得以扩散,主锚束多呈扇状形布置,扩散角一般取为 5°～15°,以使闸墩内应力最大限度地均化,满足设计规定的要求。

为减少拉锚系数值,减少预应力筋布置比例,还需要考虑预应力锚束布置位置对拉锚系数的影响。预应力锚索布置位置不同,在颈部产生的预压应力分布将有较大的区别。预应力锚束布置在闸墩中部,在颈部产生的预压应力是中部大,两侧小,对抵消闸墩表层高拉应力极为不利;预应力锚束布置在两侧,在颈部产生的预压应力是中部小,两侧大,这对抵消闸墩表面高拉应力较为有利。因此,设计时该优先考虑将预应力锚束布置在两侧,以降低拉锚系数。一般地,闸墩和支承体在受到弧门水推力和主锚束张拉力的作用下,在垂直于主锚束方向会出现较大范围和较大量值的次生拉应力。为了抵消这部分次生拉应力对支承体结构产生的不利影响,改善支承体的应力状况,通常在闸墩体和支承体内布置适当的水平次锚束。

3.3 配筋时预应力筋和非预应力筋的比例问题

部分预应力混凝土是采用预应力筋与非预应力钢筋混合配筋的结构,它兼有全预应力混凝土和普通钢筋混凝土的优点。主预应力筋配置是为了有效抵消弧门推力在颈部产生的拉应力,并将预压应力尽量扩散到闸墩体内。非预应力筋主要配置在一些可能出现裂缝的部位,以限制裂缝的发展。在允许开裂情况下,预应力筋和非预应力筋基本上都是按应力图形配置,但往往需要几次反复比较才能得到预应力锚束和非预应力钢筋面积的最优比例。

3.4 部分预应力闸墩裂缝成因以及控制措施

由于闸墩体内外温差、混凝土的干缩、应力集中和地基不均匀沉降等原因,闸墩肯定会产生裂缝。即使闸墩按全预应力设计,其裂缝的产生也不可避免。

针对这些原因及影响因素,从材料、温度控制、施工方法与工艺和养护等方面采取措施,以达到防止和控制裂缝的效果。设计时应根据气温情况采取相应的温控和防裂措施。如果单纯地配温度筋不能经济合理地限制裂缝开展,可从结构和施工方面采取措施。荷载应力主要是由于支承体承受传来的巨大弧门推力,使其下游边发生变形从而产生较大的拉应力,支承体混凝土体积小,不足以抵抗较大荷载作用,就有可能产生贯穿性的裂缝。针对这种原因产生的裂缝,可在支承体内设垂直向预应力次锚束,给予预压,既可防止裂缝进一步扩展,也可减少支铰推力产生的拉应力,避免形成新的裂缝。