大型预应力混凝土闸墩结构模型试验研究.pdf

水 力 发 电 第3 6 卷第5 期 2 0 1 0 年5月 大 型 预 应 力 混 凝 土 闸 墩 结 构 模 型 试 验 研 究 李树 山 一 ，解 伟 ，魏 鹏 ，闰 飞 ，张世 宝 1 ． 郑州 大学环境 与水利 学院 ，河 南 郑 州4 5 0 0 0 2 ；2 ． 华北 水利水 电学院 ，河南郑州4 5 0 0 1 1 摘要 对蒲石河 电站大 型预应力混凝土 闸墩结构进行仿真模 型试验研究 。根据模 型试验 测试 和有 限元计算结果 ， 分析不 同的预应力筋 张拉工序对闸墩颈部预压效果 的影响规律 ，确定合理 的预应力筋张拉工序 ；研究 双侧弧门关闭 工况下 闸墩颈部受力状态 研究在单侧弧门关闭工况下 闸墩结构的超载能力 ，提 出需要改进 的结构设计建议。 关键词 闸墩 ；预应力混凝土 ；模 型试验 ；应力；超载能力；蒲石河抽水蓄能电站 M o d e l Ex p e r i m e n t a l S t u d y o n La r g e - s c a l e P r e - s t r e s s e d Co n c r e t e P i e r S t r u c t u r e L i S hu s h a n 2 ，Xi e W e i 。 ， W e i P e n g ，Ya n Fe i ，Zh a ng S h i b a o 1 ． S c h o o l o f E n v i r o n me n t a n d Wa t e r C o n s e r v a n c y ， Z h e n g z h o u Un i v e r s i t y ， Z h e n g z h o u He n a n 4 5 0 0 0 2 ； 2 ． N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r ， Z h e n g z h o u He n a n 4 5 0 0 1 1 Ab s t r a c t T h e mo d e l t e s t f o r P u s h i h e P u mp e d S t o r a g e P o w e r S t a t i o n p r e - s t r e s s e d c o n c r e t e p i e r wa s c a r r i e d o u t a n d t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n w a s c o n d u c t e d b y t h r e e - d i me n s i o n a l fi n i t e e l e me n t ． T h e r e a s o n a b l e t e n s i o n p r o c e d u r e i s p r o p o s e d a ft e r a n a l y z i ng t h e e f f e c t o f d i f f e r e n t s t r a nd s t e ns i o ni n g pr o c e d ur e o n pi e r n e c k s t r e s s ．Th e i mpr o v e men t s o n p i er s t r uc t ur e d e s i g n a r e p r o p o s e d a f t e r a n a l y z i n g t h e p i e r n e c k s t r e s s u n d e r t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n o f t w o a c e g a t e s c l o s e d a n d t h e o v e r l o a d c a p a c i t y o f p i e r s t ruc t ur e un de r t h e o p e r a t i n g c o n di t i o n o f s i n g l e a c e g a t e c l o s e d ． Ke y W o r d s p i e r ； p r e - s t r e s s e d c o n c r e t e ； mo d e l t e s t ； s t r e s s ； o v e r - l o a d c a p a c i t y ； P u s h i h e P u mp e d S t o r a g e P o we r S t a t i o n 中图分类号 T V 3 2 2 3 1 文献标识码 A 文章编号 0 5 5 9 9 3 4 2 2 0 1 0 0 5 0 0 7 6 0 3 1 工程概况 蒲 石 河 抽 水 蓄 能 电 站 位 于 辽 宁 省 宽 甸 满 族 自治 县 境 内 ，距 丹 东 市 约 6 0 k m．总 装 机 容 量 1 2 0 0 MW ，是 我 国 东 北 地 区 第 一 座 大 型 抽 水 蓄 能 电 站 。 工 程 枢 纽 建 筑 物 主 要 由 下 水 库 及 下 水 库 泄 洪 排 沙 闸 坝 、上 水 库 及 上 水 库 钢 筋 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 、上 下 水 库 进 出 水 口 、地 下 厂 房 洞 室 系 统 、地 下 输 水 洞 室 系 统 及 地 面 开 关 站 等 组 成 。 泄 洪 排 沙 闸 布 置 在 主 河 床 ， 由 WE S实 用 堰 、边 墩 、 中 墩 组 成 。 两 孑 L口 中 心 线 间距 为 1 8 I n，- f L 孑 L口宽 1 4 IT I ，闸墩 高 3 4 ． 1 m。 两 孔 控 制 堰 之 间 设 置 结 构 缝 ．分 为 两 个 独 立 的 整 体 结 构 。 每 孔 设 弧 形 工 作 闸 门 和 检 修 闸 门 ， 中 墩 为 “ 上 ” 形 结 构 。 闸 墩 厚 4 In。 弧 门 支 撑 为 C 4 0混 凝 土 的 牛 腿 式 锚 块 结 构 ． 闸 墩 采 用 C 3 0预 应 力 钢 筋 混 凝 土 ， 溢 流 面 采 用 C3 0混 凝 土 ，表 面 布 置 防 冲 耐 磨 混 凝 土 ，弧 门 最 大 推 力 达 3 4 0 0 0 k N。 经 过 初 步 计 算 分析 。采用 常规 混 凝 土结 构 闸墩 厚度 大 ，难 以保 证 多种 工况 下 混凝 土抗 裂 设计 要求 ，不利 于长期 持 续 困Wa t e r P o w e r V o 1 ． 3 6 ． N o ．5 荷 载 作 用 下 的 正 常 使 用 ， 因 此 采 用 预 应 力 技 术 设 计 方 案 。 通 过 结 构 内 力 计 算 和 三 维 有 限 元 分 析 ，选 定 中 墩 锚 块 尺 寸 为 5 ． 5 mx 5 mx 7 ． 6 In．在 墩 身 及 锚 块 部 位 布 置 预应 力 锚 束 。通 过 主锚 束 施 加 预压 应 力 后 ， 能 有 效 抵 消 弧 门 水 推 力 在 闸 墩 与 锚 块 连 接 的 颈 部 及 其 附 近 区 域 引 起 的 拉 应 力 。 中墩 布 置 2排 8层 共 1 6 束 主锚 束 。锚 块 内布 置 3排 5层 共 1 5束 水 平 次 锚 束 ，次锚 束 施加 预 应力 能 减小 主 锚束 张 拉时 在锚 块 内 产 生 的 次 生 拉 应 力 。 预 应 力 闸 墩 结 构 仿 真 模 型 试 验 是 在 理 论 计 算 分 析基 础上进 行 的 ，模型 试验 的任务 是『 l I ① 确定 模 型 混凝 土 配合 比设 计 ，使模 型 混凝 土 能准 确地 反 映原 型混 凝 土 的物理 力 学性 能 ；② 通 过 预应 力锚 束 的张 收 稿 日期 2 0 0 9 一 l 】 一 l 0 基金项 目国家 自然科 学基金项 目 5 0 7 7 9 0 1 8 ； 河南省科技 创 新杰 H { 人才计 划 0 9 4 2 0 0 5 1 0 0 1 1 ； 河南 省创新 型科技团队支持计划 作者简 介 李树 山 1 9 7 7 一 ，男 ，辽 宁绥 中人 ，讲师 ，博士 研究生 ，主要从事水工结构 试验研 究． 子 删 L U ， 守 ／＼ 圭 兰 】 ／J， 比 脯蛙上I 甲J J 戥 细1 偎 拦 ‘ 丑 -3 1 l 丌 7 拉 调 整 ．分 析 施 工 阶段 闸墩 结构 颈 部 部 位 的 实 际预 压效 果 ，确 定 出最 佳 的预 应 力 张拉 施 工 工 序 ；③ 在 预 定 工 况 下 ．检 验 闸 墩 关 键 部 位 的 实 际 受 力 情 况 与 三维 有 限元 计 算 成果 的相 符 性 ；④ 检 验 预 应 力 闸墩 的 结 构 超 载 能 力 。 2 闸墩结构模型试验设计 2 ． 1 模 型相 似 常数 与模 型材料 选 择 根 据 闸 墩 原 型 的 断 面 尺 寸 ，考 虑 模 型 成 型 的 可 行 性 、测 试 结 果 的 精 确 性 并 兼 顾 试 验 设 备 能 力 等 各 方 面 因 素 ．确 定 模 型 结 构 与 原 型 结 构 的 相 似 常 数 为 1 1 0[ 2 - 4 1 。根 据 模 型试 验 相 似 理 论 ，能 够 反 映原 型 受 力 全 过 程 的 模 型 材 料 与 原 型 材 料 的 应 力 应 变 关 系 应 具 有 全 过 程 相 似 性 。模 型 混 凝 土 选 用 连 续 级 配 5 ～ 2 0 mm 人 工 碎 石 配 置 ，现 浇 成 型 ，浇 筑 顺 序 与 施 工 方 案 相 同 l 5 l 。 模 型 构 造 钢 筋 选 用 西6 ． 5 mm I级 Q 2 3 5光 圆 钢 筋 ，强 度 设 计 值 f r 2 1 0 MP a ，弹 性 模 量 E 2 ． 1 1 0 N ／ mmz 模 型 预应 力 筋 选 用 5 mm 的高 强 低 松 驰 钢 丝 强 度 标 准 值 ． 1 8 6 0 MP a ，弹 性 模 量 E 1 ． 91 1 0 N／ mm2 ， b 1 7 3 3 MPa， sI0 ． 0 4 7 5。 2 _ 2测试 系统 在 模 型 闸 墩 关 键 部 位 外 表 面 贴 应 变 花 ， 为 纸 基 的 5 0 mm 5 mm 丝 式 应 变 片 闸 墩 内 部 设 置 混 凝 土 计 锚 块 周 围 钢 筋 和 预 应 力 钢 筋 均 贴 单 片 的 胶 基 2 ram 1 mm 箔 式 应 变 片 。 闸 墩 应 力 测 试 点 布 置 见 图 1 所 示 图 1 闸 墩 右侧 电 阻应 变 片分 布 2 ． 3加 载 系统 模 型 预 应 力 采 用 油 泵 、 YDC 2 3 0千 斤 顶 依 照 预 定 顺 序施 加 ．张拉 荷 载 由传 感 器 通 过 YJ 一 2 5静 态 应 变仪 读数 精 确 控 制 。 由于 模 型 主锚 束 和 次锚 束 都 为 对称 结构 。因此 对称 施 加 预 应力 ，模 型 主锚 束 的整 体张 拉 分 为 5级 施加 。根 据 两 种 预应 力 张 拉 次 序有 限 元 分 析 。最 后 优 选 出 最 佳 的 预 应 力 施 加 顺 序 为 J 1 J 2 J 3 Z 1} Z2} Z3} Z 4 J 4 J 5} J 6} J 7} J 8 J 9 z 5 z 6 z 7 z 8 。 张 拉 端 锚 具 的 布 置 和 张 拉 编 号 如 图 2所 示 。 Z3 Z4 ● ● Zl Z 2 ● ● z7 z8 ● ● a主 锚 束 b 次 锚 柬 图 2模 型 张 拉 锚 具 的 布 置 及 张 拉 编 号 闸墩 承 受 的 荷 载 主要 有 弧 门推 力 、结 构 自重 和 侧 向 水 压 力 。 根 据 模 型 设 计 相 似 原 理 ，模 型 承 受 的 水 压 力 与 原 型 相 同 ， 弧 门 推 力 为 原 型 闸 墩 的 1 ／ 1 0 0， 采 用 2个 1 0 0 0 k N 的 千 斤 顶 模 拟 施 加 弧 门 推 力 。 结 构 自重 对 结 构 初 始 受 力 状 态 的 影 响 利 用 施 加 的 顶 部 荷 载 加 以 调 整 。 单 侧 弧 门 开 启 时 ，侧 向 水 压 力 为 作 用 于 闸 墩 外 表 面 的 三 角 形 分 布 荷 载 ，采 用 分 区 域 集 中 荷 载 等 效 代 替 。 模 型 加 载 系 统 见 图 3。 j 剪 力 墙 丝枉 1 o o o k N 丁斤顶 丝杠钢梁 1 0 0 0 k N 千斤顶 r 丝 T斤 ．2 软垫层 道槽 图 3模型闸墩加载 系统示意 高程单位 m 2 。 4试 验程序 模 型试 验流 程为 ①模 拟 预应 力 闸墩 结构 自重 ； ② 按 照 优选 顺 序 张 拉模 型预 应 力筋 ，模 拟施 工 期 工 况 ；③ 进 行 双侧 弧 门关 闭荷 载 作 用 下 工 况 1 的 试 验 ，加荷 至 1 1 3设 计 水 深 ；④ 加 荷 至 2 1 3设 计 水 深 ；⑤ 加 荷 至 设 计 水 深 ；⑥ 加 荷 至 设 计 荷 载 1 7 0 k N；⑦ 进行 一侧 开 门一 侧 关 门荷 载作 用下 工 况 2 的试 验 ，加荷 至 设 计 荷载 ；⑧ 分 级加 载 直 至模 型 达 到极 限状 态 ．每 级荷 载 增 加 1 m 水深 ，进 行 闸墩 结 构 超 载 测 试 。 3 试验结果分析 3 ． 1 预 应 力 闸墩 施 工期 结构 受 力特征 分析 整 个 闸 墩 在 预 应 力 作 用 下 基 本 处 于 受 压 状 态 ， W a t e r P o w e r l ／ o 1 ． 3 6 ． N o ．5圃 一 水 一 ] 一 常 一楔形块 一 混土 颈 部 与 上 游 锚 固 端 压 力 较 大 ， 闸墩 中 部 预 压 力 较 小 。 闸 墩 颈 部 应 力 分 布 如 图 4所 示 。 闸 墩 颈 部 区 域 压 应 力 呈扇 形分 布 ．靠近 支 铰轴 线 部位 的压应 力 大 ，远 离 支铰 轴线 部 位 的压 应 力 小 ；但 随着 与锚 块距 离 的 不 同 ，最 大 压 应 力 的 位 置 也 在 变 化 ，在 闸 墩 颈 部 与 锚块 结 合 部 附 近 0 ，最 大 压 应 力 发 生 在 支 铰 下 部 附 近 ， 随 着 与 锚 块 距 离 的 增 加 ，最 大 拉 应 力 的 位 置 逐 渐 上 移 ， 当 L 2 0 0 IT I 1 T I 模 型 结 构 时 ， 最 大压 应力 发生 在 中 间锚束 附 近 。 由于锚 束 对称 布 置 。使 闸 墩 两 侧 产 生 的 压 应 力 分 布 基 本 相 同 ，呈 对 称 分 布 ，沿 预 应 力 筋 方 向 的压 应 力 最 大值 为一 2 ． 5 8 MP a ， 位 于 距 离 模 型 闸 墩 颈 部 5 0 mm 处 ， 相 对 于 原 型 而 言 应 是 距 离 原 型 闸 墩 颈 部 5 0 0 mm 的 区 域 。 根 据 有 限 元 分 析 ．模 型 闸 墩 结 构 颈 部 的 预 压 应 力 能 够 达 到 3 MP a以上 。 图 4 施工期预应力在闸墩两侧表面引起的 x方 向的 正应力分布 单位 MP a 3_ 2预应 力 闸墩 使用 期结构 受力特 征分 析 在 双 侧 弧 门 关 闭 作 用 下 工 况 1 ， 闸 墩 及 锚 块 两 侧 应 力 对 称 分 布 见 图 5 。 在 闸 墩 颈 部 出 现 小 范 围 的拉 应 力 区 ．其 余仍 为 压应 力 区 。 闸墩颈 部 拉应 力 呈 扇 形 分 布 ．最 大 应 力 发 生 在 锚 块 与 闸 墩 颈 部 结 合 部 的 中间位 置 ，沿 主锚 束 方 向最大 正 应力 为 0 ． 3 2 MP a 。 沿 垂 直 于 中 间 锚 束 方 向 向 两 边 扩 展 ，拉 应 力 逐 渐 减 小 随 着 与 锚 块 距 离 的 增 大 ，拉 应 力 也 逐 渐 减 小 图 5工 况 1下 闸墩 两侧 表 面 引起 的 X方 向 的 正应力分布 单位MP a 3 ． 3预应 力闸墩 结构 极 限承载 力分析 在 控 制 性 工 况 单 侧 关 门 工 况 下 ， 进 行 结 构 破 坏 试 验 以 确 定 结 构 的超 载 能 力 和 结 构 的破 坏 部 位 、 破 坏 形 式 和 破 坏 的 发 展 过 程 。 试 验 的 加 载 程 序 为 困W a t e r l o w e r 1／ o 1 ． 3 6 ．5 在 单侧 关 门工 况设 计 弧 门推 力 下 ．同步增 加单 侧 弧 门推 力与侧 向水 推力值 ，每级 按水 位升高 1 m加载 ， 测定 每次 增 荷后 应 变 片应 变值 的变化 情 况 ，并人 工 仔 细 观 察 裂 缝 。 当 原 型 荷 载 从 2 0 m 水 深 加 至 2 5 m 水 深 时 ， 闸 墩 颈 部 几 乎 所 有 应 变 片 的 应 变 值 都 有 大 幅度 增 长 。当原 型荷 载加 至 2 6 m水 深 ，即模型单 侧 弧 门水 推 力 为 2 3 4 k N 时 ， 闸 墩 颈 部 开 始 出 现 裂 缝 ， 但 闸墩 仍 可以加 载 。当原型荷 载加 至 2 7 m水 深 ，即 模 型 单 侧 弧 门 水 推 力 为 2 5 2 k N 时 ，闸 墩 颈 部 裂 缝 迅 速 发 展 ，锚 块 侧 向 变 形 加 大 ，无 法 继 续 加 载 ， 闸 墩 破 坏 。 对 于 按 抗 裂 设 计 的 预 应 力 钢 筋 混 凝 土 结 构 ， 按 照 结 构 所 能 承 受 荷 载 的最 大 值 与 设 计 荷 载 比值 作 为 超 载 系 数 ，该 闸墩 模 型 的 超 载 系 数 为 1 ． 5，满 足 结 构 承 载 力 设 计 要 求 。 4 结语 开 展 仿 真 模 型 试 验 研 究 ． 对 于 确 定 大 型 预 应 力 混 凝 土 闸 墩 结 构 的 破 坏 方 式 、破 坏 位 置 、破 坏 特 点 及 破 坏 过 程 等 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。 试 验 结 果 分 析 表 明 ，在 设计 工 况下 ，预应 力 闸墩 虽 存在 局部 拉 应 力 区 ，但 范 围 很 小 ，不 影 响 整 体 结 构 的 安 全 运 行 和 正 常使 用 ，说 明 预应 力 主次 锚束 布 置 与张 拉设 计 合 理 、可 行 。 采 用 预 应 力 技 术 达 到 了 良好 的 效 果 ，大 大 改 善 了 大 型 闸 墩 结 构 强 拉 应 力 区 的 应 力 状 态 。 致 谢 华 北 水 利 水 电 学 院 胡 志 远 、 盖 占 方 、 李 晓克等 同志参加 了试 验研 究工作 ，一 并致谢 。 参考文献 [ 1 ] 解伟主编． 蒲石河抽 水蓄能 电站排 沙闸预应力 闸墩结 构模 型试 验研究[ R] ． 郑州华北水利水电学院 ，2 0 0 8 ． [ 2 ] 刘 致彬 ，孙金 刚． 弧 形门预应力 混凝 土 闸墩 的试验 和设 计 [ J ] ． 水利学报．1 9 9 4 9 8 8 9 3 ． [ 3 ] 亢景富，胡 玉明 ，冯乃谦． 小浪底排沙洞 出I2 1 闸室仿真模 型试验 研究 [ J ] ． 水利学报，1 9 9 8 2 5 7 6 1 ． [ 4 ] 赵顺 波，靳 彩，赵瑜 ，等．丁程结构试验 [ M] ． 郑州 黄河水利 出版 社 ．2 0 0 1 ． [ 5 ] 赵顺波 ，李 晓克 。胡志远 ，等． 大型倒虹吸预应力混凝土结构模 型试验研究 [ J ] ． 水力发电学报，2 0 0 6 1 4 0 L - 4 4 ． 责任编辑常 青