marc軟件在溢洪道預應力閘墩結(jié)構(gòu)中的運用

MARC軟件在溢洪道預應力閘墩結(jié)構(gòu)分析中的運用1.概述糯扎渡水電站溢洪道為岸邊開敞式建筑，在PMF洪水位下可泄洪31318m3/s。閘門控制段凈寬151m，設置8孔15×20m（寬×高）弧形閘門，閘墩厚4.5m。采用孔口分縫，中墩為倒“T”形結(jié)構(gòu)，縫間寬度19.50m，邊墩為貼壁式“L”形結(jié)構(gòu)，邊墩厚度為4.0m?；￠T支撐結(jié)構(gòu)型式為懸臂支撐，即牛腿結(jié)構(gòu)。弧門最大推力達38510kN，常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)難以保證其在長期持續(xù)荷載下的正常使用。為此，設計采用預應力混凝土結(jié)構(gòu)。本文中僅介紹中墩的預應力錨索布置及有限元分析情況。預應力錨索的布置如下(見圖1)：圖1錨索布置圖主錨索每側(cè)10束共20束，其控制張拉力為3.60×106N/根，永存張拉力為3.00×106N/根，總的控制張拉應力為7.20×107N，總的永存預應力為6×107N，弧門的有效預推比為1.56，在國內(nèi)外的工程實踐中屬于領先水平。為使預應力效果最佳，主錨索的布置方向與最大弧門推力方向相同?？偟拇五^索根數(shù)為20束布置方向為垂直主錨索，其控制張拉力為2.30×106N/根，永存錨索力為2.00×106N/根，次錨索總的控制張拉力為4.60×107N，總的永存張拉力為4×107N。為了了解閘墩在各種工況（包括：預應力施工期、中墩雙側(cè)過流時、閘墩單側(cè)擋水時、閘墩雙側(cè)擋水時）下的受力情況，由此要用三維有限元對閘墩進行分析。2.結(jié)構(gòu)分析2.1計算模型本次計算采用MSC公司的MARC軟件對閘墩進行三維有限元分析。分析對象主要為中墩。模型由閘墩、堰體、及基礎巖體組成，按結(jié)構(gòu)分縫（孔口中心）劃分，體形以閘墩中心線為對稱軸。計算模型如圖2所示，網(wǎng)格剖分根據(jù)結(jié)構(gòu)體形和錨索布置綜合考慮，共剖分三維八節(jié)點六面體單元15253個，節(jié)點6534個。模型的約束條件為：在所取模型巖體下表面各個節(jié)點施加約束。由于閘墩上部設有交通橋、檢修門槽和操作室等，為方便計算和網(wǎng)格劃分并借鑒已有工程計算經(jīng)驗，頂部結(jié)構(gòu)參與結(jié)構(gòu)計算，檢修門槽基本在張拉端外，計算中未考慮。2.2模型建立及網(wǎng)格劃分簡介根據(jù)MSC軟件和CAD系列軟件很好的文件傳遞性能，本次結(jié)構(gòu)分析中模型建立采用兩種軟件相結(jié)合的方法進行。根據(jù)設計人員的工作程序，閘墩的結(jié)構(gòu)圖（平面的）在Autocad軟件中有較詳細的表示，只需將Autocad文件作一些簡單的處理即可在MARC中運用?？紤]到結(jié)構(gòu)分析采用三維結(jié)構(gòu)，需要對閘墩模型作一些拉伸（EXPAND）或拷貝(DUPLICATE)的操作，并結(jié)合結(jié)構(gòu)所用材料有分區(qū)的要求，故在進行對Autocad文件的處理時，就根據(jù)對一些線條進行了打斷（BREAK）操作，使部分線段或點成為獨立的線或點。處理后的Autocad文件可存盤成為DXF格式的文件，即可在MARC中進行文件傳遞。在MARC中建立分析模型時，利用了MARC的自動網(wǎng)格生成器（AUTOMESH）。步驟如下：先對曲線（CURVE）布設種子點（SEED），然后利用ADVANCINGFRONT生成四邊形網(wǎng)格。要注意到一點，本次計算需要的是八節(jié)點六面體單元，所以在這里要求是四邊形單元，在用ADVANCINGFRONT生成四邊形網(wǎng)格時區(qū)域邊界的種子點數(shù)應為偶數(shù)，否則，有可能出現(xiàn)三角形單元。在進行該步驟時，網(wǎng)格的疏密應結(jié)合結(jié)構(gòu)分析中的需要作出不同的劃分。平面網(wǎng)格劃分完畢后，就可借助MARC的拉伸（EXPAND）或拷貝(DUPLICATE)命令對平面網(wǎng)格操作，最終形成三維分析模型（見圖2）。該步驟的操作也要結(jié)合預應力錨索的布置、預應力的加載形式進行相應操作。在該步驟中有一點技巧可用，結(jié)合材料的分區(qū)和拉伸（EXPAND）或拷貝(DUPLICATE)命令，對單元進行分組，每組命名一個簡潔易懂的組名，在對單元選擇及對單元賦值材料及邊界條件時，會簡化很多的操作，具體方法在本文中不予詳述。圖2:閘墩三維有限元模型在對較復雜的結(jié)構(gòu)進行三維分析時，分組可以給建立模型、材料賦值等操作帶來極大的方便。2.3計算材料參數(shù)計算模型中設計了四種材料，分別與結(jié)構(gòu)設計的材料分區(qū)相對應。如下表：預應力閘墩計算--材料分區(qū)表序號材料名稱彈性模量（N/m2）泊松比容重(kg/m3)部位1C403.25×100100.1672500牛腿+堰表2C353.15×100100.1672450閘墩3C252.80×100100.1672450堰體4ROCK7.00×10090.252650基巖2.4計算工況計算中考慮的荷載：=1\*GB3錯誤！未找到引用源?；炷磷灾?；=2\*GB3錯誤！未找到引用源。正常蓄水位，兩弧門擋水的支鉸推力(永存噸位)；=3\*GB3錯誤！未找到引用源。正常蓄水位，一側(cè)弧門擋水，另一側(cè)過流，此時單鉸推力(永存噸位)；=4\*GB3錯誤！未找到引用源。主次錨索控制張拉預應力荷載；=5\*GB3錯誤！未找到引用源。主次錨索永存噸位。（1）施工期預應力鋼筋張拉完畢，弧門擋水前，閘墩在張拉預應力和結(jié)構(gòu)自重作用等下，此時預應力荷載按控制張拉力考慮。施工期荷載組合：=1\*GB3錯誤！未找到引用源。＋=4\*GB3錯誤！未找到引用源。（2）運行期正常蓄水位下，弧門擋水，閘墩在弧門推力、張拉預應力和結(jié)構(gòu)自重等作用下，此時預應力荷載按永存預應力考慮。對中墩的分析分為單側(cè)、雙側(cè)擋水兩種情況。運行期荷載組合：(A)=1\*GB3錯誤！未找到引用源。＋=2\*GB3錯誤！未找到引用源。＋=5\*GB3錯誤！未找到引用源。(B)=1\*GB3錯誤！未找到引用源。＋=3\*GB3錯誤！未找到引用源。＋=5\*GB3錯誤！未找到引用源。2.5計算成果分析(1)施工期施工期，在錨塊和中墩連接的頸部產(chǎn)生最大壓應力，張拉端表面也產(chǎn)生較大的壓應力；在錨塊孔腔內(nèi)因傳力梁的作用在錨索張拉時產(chǎn)生拉應力。應力統(tǒng)計情況見表1。表1單元節(jié)點最大主應力計算工況序號單元節(jié)點號量值（MPa）部位施工期16100、100058-1.76頸部外側(cè)22484.7錨塊空腔內(nèi)側(cè)31884.7錨塊空腔內(nèi)側(cè)4204-1.5錨塊下游側(cè)表面面計算位移、應力圖形如下：施工期閘墩位移圖施工期預應力錨塊主應力圖(2)運行期（雙側(cè)推力）運行期，在錨塊和中墩連接的頸部，即弧門推力作用點附近，產(chǎn)生最大拉應力，拉應力最高水平約為1.5Mpa；在弧門推力作用點附近的錨塊局部點產(chǎn)生約5.5Mpa左右的局部拉應力；在錨塊下游側(cè)牛腿范圍內(nèi)產(chǎn)生約2.7Mpa左右的拉應力。運行期（雙側(cè)推力），閘墩的整體變位均小于2mm；變位最大的地方在錨塊下右側(cè)約2mm。應力統(tǒng)計情況見表2。表2單元節(jié)點最大主應力計算工況序號單元節(jié)點號量值（MPa）部位運行期16082、1000401.5頸部外側(cè)26081、1000391.3頸部外側(cè)312489、11959552.6錨塊下游側(cè)419284、11996005.5弧門推力作用點點計算位移、應力圖形如下：閘墩承受雙側(cè)推力時位移圖閘墩承受雙側(cè)推力時錨塊主應力圖(3)運行期（單側(cè)推力）當閘墩承受單側(cè)推力時，閘墩產(chǎn)生側(cè)向扭轉(zhuǎn)，在錨塊附近發(fā)生最大變位，錨塊與中墩連接頸部出現(xiàn)不對稱的拉應力和壓應力。在推力側(cè)，頸部出現(xiàn)約2.9Mpa左右的拉應力，在過水側(cè)連接頸部出現(xiàn)約1.5Mpa左右的壓應力。推力側(cè)的推力作用點附近錨塊上產(chǎn)生的局部拉應力最大約5.5Mpa。在錨塊下游側(cè)牛腿范圍產(chǎn)生3.0Mpa左右的拉應力。承受單側(cè)推力作用時，牛腿的變位兩側(cè)不對稱。閘墩順水流向的整體變位約1.7mm；橫向變位不對稱，但均小于4mm。應力統(tǒng)計情況見表3。表3單元節(jié)點最大主應力計算工況序號單元節(jié)點號量值（MPa）部位施工期160822.9推力側(cè)頸部260812.5推力側(cè)頸部310054-1.1過水側(cè)頸部410053-1.2過水側(cè)頸部512489、11250992.7錨塊下游側(cè)611982、11200223.0錨塊下游側(cè)計算位移、應力圖形如下：閘墩承受單側(cè)推力時位移圖閘墩承受單側(cè)推力時錨塊過流側(cè)主應力圖閘墩承受單側(cè)推力時錨塊推力側(cè)主應力圖3預應力閘墩分析結(jié)論(1)施工期，閘墩主要承受主次錨索控制張拉應力，計算結(jié)果中主壓應力水平不高，但因錨索采用傳力梁結(jié)構(gòu)，在傳力梁受拉側(cè)產(chǎn)生拉應力。目前階段，傳力梁的厚度為1.5m，若增大傳力梁的厚度，拉應力水平會降低；(2)當閘門承受雙側(cè)推力時，閘墩與錨塊連接頸部出現(xiàn)拉應力，拉應力水平不高，在牛腿局部產(chǎn)生約5Mpa的局部拉應力，在弧門推力作用點附近。當閘門承受雙側(cè)推力時，閘墩的變位水平不高，小于2mm；(3)當閘門承受單側(cè)推力時，閘墩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，順水流向的變位達約2mm，橫向變位不對稱，小于2mm，兩側(cè)（推力側(cè)與過流側(cè)）變位的不均勻值在1mm以內(nèi)。糯扎渡水電站溢洪道預應力閘墩設置形式參照了南盤江天生橋一級水電站的成功經(jīng)驗，不同之處在于，閘墩承受的弧門推力大于天生橋一級水電站，閘墩厚度減小了0.5m。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，糯扎渡溢洪道預應力閘墩錨索的設置是合理的，主次錨索的控制張拉力及有效張拉力（永存張拉力）的選取也在鋼絞線強度設計允許范圍之內(nèi)，且已有成功的工程經(jīng)驗。糯扎渡水電站溢洪道預應力閘墩的設計