闸墩是水闸、溢流坝等泄洪建筑物的重要组成部分，主要承受闸门传来的水压力，同时也是坝顶桥梁和启闭机械的重要支承［１］。因此，有必要运用三维有限元软件对预应力闸墩结构的应力分布和变形性态进行分析与把握，以保证结构的安全运行［２］。结合某水电站溢流坝预应力中墩结构，运用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对其进行了三维线弹性计算。
１工程概况
某水电站位于我国西南地区，主要任务为发电。坝体主要由挡水坝段、溢流坝段、冲沙底孔坝段、厂房坝段等组成，最大坝高１１６ｍ。溢流坝段采用开敞溢流式，孔口尺寸为１５ｍ×１９ｍ（宽×高），采用预应力闸墩结构，弧门总推力为４４ＭＮ。中墩顺水流向长４０ｍ，厚６ｍ，溢流堰顶高程为３２９１ｍ，坝顶高程为３３１４ｍ。弧门支撑采用简单锚块式，闸墩及锚块均采用Ｃ３５混凝土。预应力锚索布置见图１、图２．主、次锚束均为９根直径１５．２ｍｍ的高强度低松弛预应力钢绞线，考虑１５％的预应力损失，单束主锚索设计吨位为４６６０ｋＮ，永存吨位为３９６０ｋＮ；单束次锚索设计张拉吨位为１５００ｋＮ，永存吨位１２５０ｋＮ，拉锚系数为１．８。在闸墩上游靠近弧门门槽部位预留５个直径为１．３ｍ的孔洞，待预应力张拉完毕后再用混凝土进行封孔灌浆［３］。
２计算模型及荷载
２．１计算模型
运用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ建模时考虑单个坝段整体参与计算，建立整体三维有限元模型，见图３。坝体及闸墩混凝土均采用实体单元Ｓｏｌｉｄ４５模拟，预应力锚束采用杆单元Ｌｉｎｋ８模拟，杆单元和实体单元通过共用节点相连。锚块底部单元与闸墩单元通过共用节点连成一个整体，界面上下保持混凝土变形连续。
２．２计算工况及荷载
计算工况及荷载见表１。根据结构设计要求，溢流坝段预应力闸墩计算荷载需考虑分项系数。（１）弧门推力。弧门总推力为４４ＭＮ，单支臂为２２ＭＮ。其中垂直于支座支承面的力Ｎ＝２０ＭＮ，侧推力Ｈ＝２２００ｋＮ，弧门支铰中心距离闸墩边线０．９ｍ。计算中将弧门推力以集中荷载的方式作用在支撑面相应节点上。（２）锚索预应力。预应力张拉吨位由等效节点温度值变化来设置。（３）检修门水推力。将检修闸门承受的水压力等效成作用在两侧检修门槽上的水荷载。（４）泄洪动水压力。泄洪时，在闸墩两侧面、溢流面及反弧段等部位作用有动水压力，其值和分布规律根据水工模型试验资料确定。由于无水面线试验数据，因此闸墩侧面动水压力假定按照平行坝面的水面线施加［４］。
３结构应力分析
闸墩与锚块连接部位（颈部）是大推力弧门闸墩结构的薄弱部位，也是整个闸墩应力控制的关键部位。计算发现，工况１（施工期）在自重及锚索预压作用下，闸墩颈部各处均处于受压状态。运行期，在弧门推力和锚索预压力联合作用下，颈部的应力状态比较复杂。工况２，在双侧弧门推力作用下，颈部应力呈对称分布，颈部截面大部分呈现受拉状态，拉应力最大值为１．４１ＭＰａ，出现在闸墩表面，并向内递减，如图４（ａ）所示。工况３、工况４单侧弧门推力作用下，颈部截面应力呈现偏心受拉状态，弧门推力作用一侧拉应力集中，最大拉应力为１．７９ＭＰａ，超过了混凝土的抗拉强度设计值，出现局部拉裂破坏，但破坏区范围非常小，如图４（ｂ）所示。可考虑在这些区域配置受拉钢筋或环形箍筋以限制混凝土开裂并控制裂缝的开展。工况３、工况４颈部应力水平基本一致。因此，单侧弧门推力作用工况为闸墩最不利受力工况［５］。
３．１荷载对结构受力影响分析
计算发现，工况３、工况４闸墩关键部位应力计算结果十分相近，作用在检修闸门上的水压力只对门槽附近应力有影响，而对闸墩颈部最危险部位应力的影响可以忽略不计。施工期，模型主要承受自重及锚索预应力作用；运行期模型所承受的荷载作用有自重、静水压力、扬压力、浪压力、泥沙压力、弧门推力及锚索预应力等，其中静水压力、浪压力、泥沙压力均作用在坝体上下游面，扬压力则作用在坝体与地基的接触面上，它们对闸墩关键部位的应力影响非常小。因此，闸墩主要承受自身重力、弧形闸门传来的水压力及锚索的预应力荷载作用。
３．２锚块混凝土强度对结构受力影响分析
由于闸墩颈部存在几何突变，因此在弧门推力作用下，颈部应力集中现象明显。规范规定，预应力闸墩锚固区域的混凝土强度等级不得低于Ｃ３０，锚块混凝土强度等级不得低于Ｃ４０。该工程中闸墩及锚块均采用相同的混凝土强度等级Ｃ３５。通过计算发现，单侧弧门推力作用下，闸墩颈部拉应力水平比较高。为了探讨锚块混凝土强度对闸墩颈部受力的影响，锚块部位混凝土强度改用Ｃ４０进行计算。以工况２和工况３为控制工况，Ｃ４０与Ｃ３５颈部应力峰值计算结果见表２．计算发现，当混凝土强度等级提高到Ｃ４０后，无论是单侧弧门推力作用还是双侧弧门推力作用工况，颈部各应力分量均有所减小，但是变化不很明显。工况２双侧弧门推力作用下，颈部最大主拉应力由１．４１ＭＰａ降至１．３１ＭＰａ，应力降幅为７％；最大主压应力没有变化。工况３单侧弧门推力作用下，颈部最大主拉应力由１．７９ＭＰａ降至１．７０ＭＰａ，应力降幅为５％；最大主压应力由６．３６ＭＰａ降为６．１５ＭＰａ，应力降幅为３％。分析其原因，当闸墩与锚块混凝土强度等级不同时，在材料强度突变部位（颈部）会产生一定的应力集中。因此，单纯提高锚块混凝土强度对于改善颈部应力效果不明显。
３．３闸墩与锚块接触方式研究
闸墩与锚块采用整体式连接，即闸墩单元与混凝土单元通过共用节点连成一个整体，接触面混凝土保持变形连续［６－７］。在锚索预压作用下，由于闸墩混凝土的约束，锚块不能自由变形，因此锚索的预压应力不能十分有效地传递到闸墩颈部。为了探讨闸墩与锚块接触方式对提高锚索预压效果的影响，拟在锚块底部与闸墩的接触部位铺设一层沥青油毡弹性垫层，以便锚块在锚索预压力作用下更自由地滑动。沥青油毡的密度为１．７４ｇ／ｃｍ３，弹性模量为０．０１ＧＰａ，泊松比为０．４７。弹性垫层厚度取５ｃｍ，用实体单元进行模拟。不同接触方式的颈部应力计算结果见表３。计算发现，铺设弹性垫层后，施工期颈部压应力值明显增大，压应力最大值由原来的７．６０ＭＰａ增大到９．７６ＭＰａ，效果明显；同时颈部在弹性垫层上游根部出现了拉应力，大小为１ＭＰａ。在正常蓄水双侧弧门关闭的工况下，铺设垫层后，闸墩颈部拉应力范围较之前有所减小，最大拉应力由之前的１．４１ＭＰａ降至１．１７ＭＰａ，应力峰值降低１７％，在对称荷载作用下颈部的预压效果有所提高。工况３单侧弧门推力作用下，颈部截面的主拉应力峰值反而较之前显著增大，由１．７９ＭＰａ提高到２．６７ＭＰａ，应力峰值增加４９％。分析其原因，在偏心受拉状态下锚块底部混凝土失去闸墩的约束，从而导致颈部受拉明显加重。综上所述，在双侧弧门推力作用工况下，锚块底部铺设弹性垫层有利于提高闸墩颈部的预压效果，减小拉应力集中；但是对于单侧弧门推力作用工况，闸墩颈部受力不利。因此，是否铺设弹性垫层应综合分析比较后决定，在该工程中建议闸墩和锚块采用整体式连接。
４结论
有限元模拟结果表明，闸墩颈部应力是整个闸墩结构应力控制的关键部位。自重、弧门推力及锚索预应力是闸墩计算中的关键荷载，对结构的受力影响比较大。各工况作用下，闸墩颈部均出现拉应力集中现象。其中，单侧弧门推力作用工况下闸墩颈部最大主拉应力值较双侧弧门推力作用工况增长２７％。因此，单侧弧门推力作用工况是闸墩最不利受力情况。将锚块混凝土强度等级由Ｃ３５变为Ｃ４０，计算发现，闸墩颈部的最大拉应力并没有得到明显降低，原因可能是颈部材料强度突变产生一定的应力集中。可以考虑将材料结合面移至闸墩内来改善颈部的受力，材料结合面距离颈部的位置需要进一步分析研究确定。对预应力闸墩与锚块的接触方式采用整体式和分离式两种方案进行对比，在正常蓄水双侧弧门关闭的工况下，采用分离式接触方式可以提高闸墩颈部的预压效果；但在单侧弧门推力作用工况，锚块底部与闸墩混凝航空机电论文土分离，在不对称荷载作用下，颈部偏心受拉严重，导致颈部最大拉应力剧增。因此，建议该工程闸墩与锚块采用整体式连接。
作者：沈鑫 单位：安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司
