淺談砼重力壩表孔閘墩優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、淺談砼重力壩表孔閘墩優(yōu)化設(shè)計(jì) 摘要：水工建筑物的設(shè)計(jì)中，主要中小設(shè)計(jì)院采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法和經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的普及，越來越多的采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析計(jì)算的軟件得以盛行。這些軟件在減輕設(shè)計(jì)人員計(jì)算工作量，增加計(jì)算的準(zhǔn)確性，特別是在設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化等方面起到了巨大作用，也使得設(shè)計(jì)人員對建筑物的應(yīng)力有了較為直觀的認(rèn)識。本篇論文，主要討論在實(shí)際工程項(xiàng)目中，運(yùn)用相關(guān)設(shè)計(jì)手段，對閘墩的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì) 優(yōu)化 閘墩 表孔 重力壩 一、工程概況 a水電站位于x江干流二級支流下游，b城上游11km，壩址上游是山區(qū)，距河口c市147km，距d市約70km（直線距離）。a水電站由大壩及泄洪建筑物、電站、通

2、航建筑物等組成。大壩為碾壓混凝土重力壩，壩高76.5m；電站布置在右岸，為地下式廠房，安裝5臺單機(jī)容量為15mw的中型混流式水輪發(fā)電機(jī)組。 二、表孔閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 大壩設(shè)9個表孔，孔寬14m，堰頂高程268.5m，表孔采用孔中分縫，堰頂設(shè)平板檢修門和弧形工作門。共設(shè)10個閘墩，閘墩厚5.5m。 弧門擋水按正常蓄水位293m設(shè)計(jì)，弧門總推力為43900kn，單鉸推力為26000kn，與水平面夾角為約11，弧門推力作用點(diǎn)至閘墩邊緣距離為1.5m?；￠T支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較了鋼筋混凝土方案和預(yù)應(yīng)力混凝土方案。 （一）鋼筋混凝土方案 1.結(jié)構(gòu)布置：弧形閘門支承寬4.0m，高6.5m，懸出閘墩邊墻2.8m，采用

3、c35混凝土。據(jù)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范dl/t5057-1996中公式計(jì)算，需布置3236的縱向受力鋼筋，閘墩側(cè)面需布置11640的扇形鋼筋?？v向受力鋼筋和扇形鋼筋均分兩層布置。 2.有限元計(jì)算 （1）計(jì)算模型：計(jì)算模型取一個溢流壩段頂?shù)拈l墩，省略壩體部分，閘墩底部為固定約束，按三維有限元計(jì)算，計(jì)算模型見圖1。 （2）計(jì)算工況：鋼筋混凝土方案考慮正常蓄水位兩側(cè)弧門擋水和正常蓄水位一側(cè)弧門擋水+一側(cè)檢修門擋水兩種工況。 （3）成果分析：兩種工況下表孔閘墩根部基本為壓應(yīng)力或零應(yīng)力區(qū)，其應(yīng)力分布情況見圖2（a=0，c=0.94mpa，e=1.88mpa，g=2.82mpa，i=3.76mpa，k=4

4、.71mpa，m=5.54mpa， o=5.59mpa）。 兩種工況下弧門支承根部順壩軸線向拉應(yīng)力分布情況基本相同。其中工況2拉應(yīng)力極值較大，達(dá)到5.9mpa，而工況1拉應(yīng)力范圍相對較大，總拉應(yīng)力大，見圖3（a=0，b=1mpa，c=2mpa，d=3mpa，e=4mpa，f=5mpa，g=6mpa，h=7mpa，i=8mpa）；經(jīng)計(jì)算，須配3036的縱 向受拉鋼筋。 兩種工況下閘墩在弧門支承部位第一主應(yīng)力分布情況見圖47，由圖中可看出閘墩在弧門支承范圍內(nèi)全斷面受拉。工況2時(shí)閘墩在弧門支承根部主拉應(yīng)力較大，達(dá)到8.24mpa，而工況1閘墩拉應(yīng)力對稱分布，在弧門推力中心平面上全斷面主拉應(yīng)力均大于0

5、.5mpa，其弧門支承范圍內(nèi)拉應(yīng)力較大，須配13136的扇形鋼筋。 因弧門支鉸推力以順?biāo)飨驗(yàn)橹?，閘墩在弧門支承部位垂直向拉應(yīng)力基本未超過0.5mpa，該區(qū)域鉛直向鋼筋可按構(gòu)造配筋。 （二）預(yù)應(yīng)力方案 70年代葛洲壩成功運(yùn)用預(yù)應(yīng)力錨塊閘墩，其技術(shù)優(yōu)勢逐步得到行業(yè)內(nèi)認(rèn)可，因此優(yōu)化對比方案采用預(yù)應(yīng)力錨塊。 1.結(jié)構(gòu)布置 弧門支承結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力錨塊高6m，長10.5m（邊墩長7.5m），寬5.5m，懸出閘墩二側(cè)各2.5米，為改善閘墩與錨塊聯(lián)接部位的應(yīng)力狀態(tài)，在錨塊上游面底部各布置一小牛腿，尺寸為2.5m1.5m1.0m。選用3000kn級的后張預(yù)應(yīng)力錨束。 錨束造型采用75預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其極限強(qiáng)度rby

6、=1860mpa。錨束張拉控制應(yīng)力采用張拉控制應(yīng)力采用k=0.69rby ，超張拉控制應(yīng)力k=1.05k，考慮預(yù)應(yīng)力損失10%，永存應(yīng)力=0.9k。 主錨束每束由19-75預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成，次錨束每束由12-75預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成。主、次錨束每束相應(yīng)的張拉噸位，見表1。結(jié)合國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，錨束布置選用平行布置方式。 錨束數(shù)量布置，中墩布置主錨束30束，邊墩布置20束。中墩預(yù)應(yīng)力總噸位91260kn，拉錨系數(shù)1.93；邊墩預(yù)應(yīng)力總噸位60840kn，拉錨系數(shù)2.57。為使錨塊保持較好應(yīng)力狀態(tài)，在錨塊內(nèi)布置縱向水平次錨束，中墩、邊墩均為12束。 主錨束在閘墩豎直面內(nèi)分五層，以弧門推力作用平面為中間層

7、，以4擴(kuò)散角向上游呈放射狀長短相間布置。據(jù)規(guī)范要求，長錨束取30m，短錨束取25m，中墩每層布置6束，兩側(cè)對稱各布置3束，共計(jì)30束；邊墩每層布置4束，共計(jì)20束。 次錨束布置在錨塊豎直面內(nèi)分4層，每層布置3束，其中2束布置在錨塊上游部位，另外1束布置在錨塊下游部位，共計(jì)12束，預(yù)應(yīng)力總噸位23052kn。 2.預(yù)應(yīng)力閘墩支座計(jì)算 （1）計(jì)算模型及邊界條件：預(yù)應(yīng)力計(jì)算模型取一個溢流壩段頂閘墩，省略壩體部分，閘墩底部為固定約束，按三維有限元計(jì)算， 扇形預(yù)應(yīng)力錨索作用按集中力方式施加（見圖8）。 （2）計(jì)算工況：預(yù)應(yīng)力閘墩有限元計(jì)算考慮正常蓄水位兩側(cè)弧門擋水和正常蓄水位一側(cè)弧門擋水+一側(cè)檢修門擋水

8、兩種工況。 （3）分析：據(jù)三維有限元計(jì)算結(jié)果，表孔閘墩根部位應(yīng)力基本為壓應(yīng)力區(qū)或零應(yīng)力區(qū)。 與鋼筋混凝土閘墩計(jì)算結(jié)果相比，預(yù)應(yīng)力閘墩支座根部第一主拉應(yīng)力范圍減小明顯（見圖914），鋼筋混凝土閘墩支座根部4m范圍內(nèi)全部為3.5mpa以上的高拉應(yīng)力區(qū)，預(yù)應(yīng)力閘墩支座根部僅在3m范圍內(nèi)為0.5mpa以上的高拉應(yīng)力區(qū)，同時(shí)閘墩部分在弧門推力中心平面上全斷面5.5m范圍內(nèi)最大第一主拉應(yīng)力大于的區(qū)域僅有1.8m，有效地降低閘墩支座部位應(yīng)力值和高應(yīng)力區(qū)域。 據(jù)三維有限元計(jì)算結(jié)果，在工況2情況下弧門支承范圍內(nèi)扇形鋼筋配筋最大，除預(yù)應(yīng)力錨索外，須配2236鋼筋作為其扇形鋼筋，與常規(guī)鋼筋混凝土方案配筋為11640扇形鋼筋結(jié)果相比，鋼筋量減少，利于閘墩配筋布置。 支座根部順壩軸線向的拉應(yīng)力值在工況2情況下較大，但均小于5mpa，每米范圍內(nèi)須配632級鋼作為其受拉鋼筋，利于弧門支承結(jié)構(gòu)配筋布置。 因弧門支鉸推力以順?biāo)飨驗(yàn)橹?，弧門支座垂直向拉應(yīng)力較小，基本未超過0.5mpa， 弧門支座部位可按構(gòu)造配筋即可，因此不必增加豎向預(yù)應(yīng)力錨索。 三、結(jié)語 鋼筋混凝土閘墩支座方案在工期和工程造價(jià)等方面好于預(yù)