新型預應力閘墩結構受力性能試驗研究
 

摘要：由于閘墩結構設計往往受到頸部應力狀態制約，預應力技術成為改善大型弧門閘墩結構受力性能的重要措施。錨塊結構特征及其對頸部受力的影響是大型弧門閘墩工程設計時需要考慮的主要問題。本文利用結構仿真模型試驗，以蒲石河電站排沙閘預應力閘墩為例研究了錨塊內設置空腔引起的頸部抗裂性能、錨塊內應力分布的變化，討論了空腔錨塊對預應力閘墩結構受力性能的影響。試驗結果表明，新型空腔式錨塊設計方案能夠有效地提高閘墩頸部的預壓效果，提高閘墩頸部抗裂性能。
 

關鍵詞：預應力閘墩；模型試驗；空腔式錨塊；受力性能；預應力錨束
 

中圖分類號：TV32+1                        文獻標識碼：A   

1 研究背景
 

      近年來，水利樞紐泄洪流量不斷增大，工作水頭不斷提高，弧門推力也越來越大，對閘墩受力性能的影響也愈來愈復雜。大噸位弧門推力對閘墩受力性能的影響，已經在許多大型弧門閘墩結構設計分析中得到充分重視^[1]。弧形閘門的巨大推力通過支承結構傳遞到閘墩，由于閘墩支承結構多采用錨塊型式，錨塊下游沒有大體積混凝土結構來分擔推力，因而造成錨塊和閘墩的連接部位(閘墩頸部)有明顯的應力集中，在該處形成高拉應力區可能導致混凝土開裂^[2]。此類大型弧形閘門的支承結構，只有采用預應力錨固技術才能滿足閘墩結構正常運行期間的抗裂或限裂要求^[3]。
 

      過去國內許多學者開展了預應力閘墩結構形式與受力機理研究。李傳才、賀采旭等對預應力閘墩的結構形式和設計方法進行了探討，提出了預應力閘墩的開縫錨塊結構形式，認為這種錨塊形式改變了預加力的傳力路徑，增加了頸部的預壓應力，提高了預應力效果^[4-5]。朱暾等在用有限元法分析大推力預應力閘墩頸部應力分布的基礎上，建議采用頸部開槽的結構形式^[6]。
 

      為了優化錨塊內及閘墩頸部的應力分布，可在閘墩錨塊內設置空腔來提高預應力效果。錨塊內空腔大小、位置的選取，以及對閘墩頸部及錨塊體內應力的影響一直是理論界及工程界關心的重點問題。本文結合蒲石河抽水蓄能電站排沙閘預應力閘墩工程，對空腔式錨塊閘墩結構進行仿真模型試驗研究，分析了3種設計工況作用下新型閘墩的受力性能。
 

2 研究工程概況
 

      蒲石河抽水蓄能電站排沙閘采用大型弧形工作門擋水，孔口尺寸為14m×20m，弧門推力達到34000kN，閘墩厚4m，具有推力大、力臂長的特點，必須采用預應力錨束來提高閘墩關鍵部位抗裂能力。預應力錨束由主錨束和次錨束共同組成，主錨束通常為沿弧形閘門推力方向布置。同時在錨塊內設置一定數量的與主錨束相互垂直的水平次錨束，減小由弧形閘門推力的彎曲作用在錨塊內產生的拉應力，改善錨塊內的應力狀態。為了提高主錨束的預壓效果，設計中采用空腔式錨塊的技術方案，其結構布置如圖1所示。
 

     該結構型式是通過在錨塊內設置空腔，將主錨束的預壓力轉移到弧門推力的作用線附近，在閘墩頸部斷面外表面產生壓應力集中，改善簡單錨塊式預應力閘墩頸部斷面在運行中出現的外表面壓應力不足，中部壓應力富余的問題，可大大節省錨束用量。空腔的長度可根據弧門推力大小、預應力錨束的噸位、數量以及施工工藝等來調整。錨束張拉結束后，將空腔回填，既不影響錨塊的整體性，又可保證回填混凝土不承受主錨束在張拉過程中產生的次生拉應力，只承受弧門推力作用下產生的壓應力。