高开绪 许尚伟 李倩雯 刘 智

（1. 山东省水利勘测设计院 山东济南 250013；2. 山东管理学院信息工程学院 山东济南 250100）

型钢混凝土支座预应力闸墩结构应力分析与研究

高开绪1许尚伟1李倩雯1刘 智2

（1. 山东省水利勘测设计院 山东济南 250013；2. 山东管理学院信息工程学院 山东济南 250100）

以岸堤水库溢洪闸预应力闸墩为研究对象，遵循《水工混凝土结构设计规范》（DL/T 5057-2009）的相关规定，对预应力闸墩的承载力和抗裂控制进行计算，并应用大型通用有限元计算软件ansys对溢洪闸预应力闸墩进行了三维应力分析研究，得到了典型工况下的闸墩颈部与型钢牛腿结合部位的混凝土内部应力分布情况，分析结果为岸堤水库溢洪闸墩预应力体系的设计与优化提供了依据。

Ansys 预应力闸墩 三维有限元

1 工程概况

岸堤水库位于沂河一级支流东汶河上，总库容7.49亿m³，兴利库容4.51亿m³，是一座以防洪为主，结合农业灌溉、城市供水等综合利用的大（2）型水库，也是山东省第二大水库。除险加固后水库枢纽由主坝、副坝、溢洪道（溢洪闸、溢流坝）、输水洞和防汛道路五部分组成。

水库溢洪闸共8孔，单孔设计净宽18m，闸底板与闸墩采用分离式钢筋混凝土结构，闸墩厚3.0m，闸室顺水流向长度30.5m，垂直水流方向总宽度165m，为目前山东省内设计单孔宽度、挡水高度最大的水闸。工作闸门采用露顶式弧形钢闸门。闸墩局部扇形受拉区采用预应力混凝土结构，弧门支座采用型钢混凝土组合梁式锚体支座结构。

2 问题背景

一般水闸采用小跨度弧形闸门时，弧门支座承受的推力较小，可采用普通钢筋混凝土闸墩。弧门支座采用普通钢筋混凝土牛腿结构，闸墩扇形受拉区辐射筋采用普通钢筋即可满足要求。

岸堤水库溢洪闸闸孔净宽达18m，中孔闸墩支铰承受的最大法向推力达到10075kN，在弧门支座与闸墩的连接部位将产生较大的拉应力，且受拉区分布面积较大，若采用普通钢筋混凝土闸墩及弧门支座，则难以满足结构抗裂要求。经过综合分析论证，设计采用型钢混凝土组合梁式弧门支座结构代替传统牛腿支座，并在闸墩局部扇形受拉区通过锚固在支座上的高强度钢绞线来施加预应力，以抵消弧门水推力所产生的拉应力，解决闸墩局部扇形受拉区及与支座连接部位的承载能力及抗裂问题。

为了解设计方案中预应力闸墩扇形受拉区混凝土中应力应变分布规律，探究锚索与型钢混凝土组合梁受力状况，为工程提供可靠设计依据，考虑采用空间三维有限元分析方式对闸墩进行应力分析计算。以溢洪闸中孔为例，建立中墩的三维有限元模型，通过对典型工况下模型受力进行计算分析，对设计方案进行评价并提出建议。

3 计算方法

《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057-2009以下简称《规范》）对弧形闸门预应力混凝土闸墩颈部承载力计算及抗裂控制验算均作了明确规定。本次分析遵循了该规范的相关计算规定。首先通过闸墩颈部正截面受拉承载力的计算初步确定预应力钢筋数量，然后通过三维有限元分析法对闸墩颈部进行抗裂控制验算。通过验算对承载力预应力配筋进行校验和调整优化，最终使设计模型满足承载力及抗裂要求。

3.1闸墩颈部承载力极限状态验算

根据预应力闸墩的受力工况，闸墩颈部的正截面受拉承载力计算，可分为单侧弧门推力作用情况和双侧弧门推力同时作用情况。单侧弧门推力作用情况时，弧门推力作用于颈部截面之外，属于大偏心受拉情况；而双侧弧门推力作用情况则为轴心受拉情况。

中墩采用对称配筋，应同时考虑上述两种受力情况，满足以下要求：

在双侧弧门推力设计值作用下，应符合：

见《规范》（13.11.4-1）

在单侧弧门推力设计值作用下，应符合：

见《规范》（13.11.4-2）

3.2闸墩颈部抗裂控制验算

在弧门推力标准组合下，闸墩颈部抗裂控制应符合：

见《规范》（13.11.3）

弧形闸门预应力闸墩为空间结构，闸墩颈部的结构型式特殊，外形尺寸和边界条件复杂，在弧门推力和预应力作用下呈三向应力状态。由于截面上的应变分布不符合平截面假定，严格说，一般不能简化成杆件结构来计算内力。因此，考虑采用三维有限元法对闸墩颈部进行三维应力分析，得到颈部截面混凝土法向应力后，再按《规范》13.11.3式对弧形闸门预应力闸墩颈部进行抗裂验算。

4 计算模型的建立

岸堤水库溢洪闸采用分离式钢筋混凝土结构，计算取中孔的大底板和闸墩结构作为一个整体，根据结构设计图建立三维有限元计算模型。

为了获取闸墩颈部截面边缘混凝土的法向拉应力分布情况，计算模型采用如下局部坐标系：以颈部截面法向为Y轴方向，弧门推力方向为正；在闸墩侧表面内垂直于Y轴方向为X轴方向，向上为正；Z轴方向遵循右手法则，垂直于闸墩侧表面指向闸墩外部。

计算采用的三维有限元模型包括23620个计算节点和17513单元。考虑到计算主要关心闸墩颈部应力分布情况，因此在闸墩上游面和闸底板底面均约束全部自由度。闸墩混凝土假定为各向同性、均匀连续的线弹性体。

闸墩预应力混凝土结构主要采用8节点六面体单元进行离散。为了避免锚头预应力产生应力集中而引起计算误差，将锚索预应力荷载扣除预应力损失后，转化为均布荷载后施加到型钢梁顶板上。在网格划分时考虑了结构的几何形状、受力特性、材料分区以及预应力锚索的布置角度，对闸墩与型钢混凝土梁结合部位（闸墩颈部）的网格进行细分，以求精确模拟闸墩、弧门支承型钢混凝土梁和预应力锚索耦合作用下的整体复杂受力和变形特征；对远离闸墩颈部的闸墩区域及闸底板逐渐放大单元尺寸，以控制计算规模，提高计算效率。

5 计算成果分析

5.1计算工况

共考虑三种运行工况：（1）闸门关闭，双侧挡水；（2）一侧闸门关闭，一侧闸门瞬间开启；（3）一侧闸门关闭，一侧闸门开启，单侧挡水。

荷载工况组合包括闸墩自重、弧门水推力及锚束预加应力。

5.2计算成果分析

通过有限元分析计算可以看出：在弧门推力作用下，闸墩颈部受拉区边缘混凝土法向拉应力存在明显的应力集中现象，若以该处法向拉应力作为设计控制标准，很难满足抗裂设计的要求，也不尽合理。因此，计算时以颈部受拉区边缘至最外侧锚束孔中心之间的混凝土法向拉应力平均值作为控制标准，在基本保证预应力锚束处不开

裂的前提下，减少预应力锚束的用量。按照以上原则计算出各工况下闸墩颈部抗裂分析成果，详见表1。

表1 各工况下闸墩颈部抗裂分析成果表

由计算成果可以看出：

（1）工况1为闸墩双侧对称受力，工况2为闸墩双侧非对称受力，瞬间启门侧弧门水推力略大于对侧弧门水推力，两种工况受力状况类似。闸墩颈部法向应力在闸墩厚度方向上分布比较均匀，最大法向拉应力出现在型钢混凝土梁与混凝土的接触点处，自接触点处沿弧门推力相反方向的拉应力分布迅速衰减并发展为压应力。可见该两种工况下，闸墩混凝土预应力施加效果比较理想，闸墩颈部和闸墩的其它大部分区域基本上处于受压状态。闸墩颈部混凝土法向应力的平均值均为压应力。

（2）工况3为闸墩单侧受力，闸墩颈部法向应力分布在闸墩厚度方向上由拉应力过渡为压应力，但应力分布仍以压应力为主。闸墩颈部混凝土法向应力的平均值虽为拉应力，但应力平均值较小，能够满足规范要求。

6 结论

（1）当水闸采用大跨度弧门挡水时，支座承受的水推力通常很大，导致闸墩颈部大部分区域的表层混凝土内将产生较大的拉应力，普通钢筋混凝土结构难以满足设计要求，因此采用部分预应力闸墩结构是必要的，预应力的施加可以有效改善闸墩颈部混凝土的受力状况。

（2）工况3为单侧弧门推力作用情况，闸墩颈部应力呈大偏心受拉状态。分析表明，此情况下闸墩颈部受拉区边缘的最大拉应力可以达到双侧对称受力情况的1.5倍左右，为颈部受力最不利工况。设计时应对此工况给予足够关注。

（3）弧门支座处钢梁悬臂段与闸墩混凝土相交处存在应力集中现象，设计时应采取构造措施防止该区域混凝土的局部拉裂。一般可以采取预应力筋和非预应力筋的混合配筋方案。配置非预应力筋有利于控制该局部区域裂缝发展，增强交界处混凝土的延性性能。

1 《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057-2009)[S].2010. 07.中国电力出版社.

2 杨晓红等. 预应力闸墩结构设计中几个关键问题的探讨[J]. 红水河. 2004.04.

3 赵长海. 预应力锚固技术[M]. 北京:中国水利水电出版社, 2001. 12.

4 徐远杰等. 三板溪大吨位预应力边墩三维有限元分析[J].长江科学院院报, 2005.22(3).

5 贺采旭, 李传才等. 大推力预应力闸墩的设计方法[J].水利水电技术, 1997,(6).

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.07.025

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高开绪（1976年—），男，高级工程师。