三峡永久船闸衬砌墙结构及结构锚杆受力仿真分析.pdf

收稿日期:1999 03 11第一作者简介:苏超,男,博士研究生,副教授,水工结构工程专业,主要从事复杂结构的仿真计算方法及其应用研究.三峡永久船闸衬砌墙结构及结构锚杆受力仿真分析苏 超 姜弘道 钱向东(河海大学土木工程学院 南京 210098)钮新强戴会超(长江水利委员会设计院 武汉 430010) (中国长江三峡工程开发总公司 宜昌 443002)摘 要 考虑三维接触非线性的结构采用温度徐变仿真计算方法,针对三峡永久船闸闸室墙(全衬 式和混合式)的整体和分水平缝两种结构形式,就设计人员关心的温度、 外水压力产生的锚杆应力, 结构是否分缝,钢筋是否过缝,缝面不同接触条件,锚杆优化等实际问题进行分析比较.结果表明分 水平缝可以降低混凝土内应力水平,但部分锚杆应力出现集中现象,钢筋过缝对锚杆应力略有改 善,可以在原设计基础上进一步减少锚杆布置.关键词 三峡船闸;接触非线性;温度;徐变;锚杆 中图号 TV66三峡永久船闸为5级双线船闸,总水头差为113m,平均每级船闸水头差23m,船闸系由左岸山体开挖而 成,闸室墙分为全衬砌式和混合式结构,全衬砌式闸室墙每浇筑段设计尺寸为12m×(40～60)m(宽 × 高) ,墙 厚115～214m;混合式结构的衬砌墙尺寸为12m×(10～50)m(宽 × 高) ,墙厚115～118m,墙与岩体间的联系 主要依靠锚杆作用,它关系到衬砌墙的稳定,设计采用直径32mm的 Ⅴ 级钢锚杆,排距113～210m,锚杆伸出 岩面1145～210m.前期的分析研究发现,在温度、 渗压、 自重等荷载中,温度对结构和结构锚杆的影响较大, 为降低结构内混凝土应力,设计部门提出了增设水平缝方案.增设水平缝是否可以改善结构锚杆的受力条 件,从而进行锚杆优化设计,减少工程投资等需要进一步的分析论证.对此我们考虑衬砌墙结构锚杆和岩体 联合受力,综合考虑各种荷载因素影响,利用现代仿真计算技术,精细地模拟衬砌墙的混凝土施工浇筑过程,模拟混凝土水平缝和混凝土与岩石之间的接触非线性机理,模拟结构锚杆和过缝钢筋的工作状态,以确定衬 砌结构和锚杆的内力分布,在此基础上提出合理的优化布置方案,为设计部门提供充分的设计数据.1 分析计算理论方法和计算模型简介计算涉及到瞬变温度场理论、 混凝土温度徐变理论和三维接触非线性理论.将闸室墙和周围岩体离散成三维有限单元,锚杆和钢筋采用有自由段的梁单元[1～2],假设锚杆与混凝土和岩石理想连接,网格剖分时考 虑了锚杆和钢筋的位置及混凝土浇筑过程.另外,在计算时域内把时间离散成n个时段.根据热传导理论和 能量守衡定律,通过差分算法,计算由于混凝土水化热和环境温度变化产生的节点温度.采用增量初应变方 法计算结构由于变温、 外荷载引起的混凝土徐变应力和结构锚杆应力.混凝土水平缝和混凝土与岩石之间的 接触缝的模拟是根据接触条件通过有效的迭代来实现.选取第二闸室一个标准结构块(全衬砌式闸墙,图1) ,闸室底板从112175～118125m高程,墙顶高程为16010m,分缝方案是在127175m和142175m高程分两条水平缝,结构锚杆共布置168根. 选取第五闸室一个典型结构块(混合式闸墙,图2) ,闸室底板从5017～5610m高程,墙顶高程为8010m, 墙上有一高18175m的重力墩,在8010m高程墙与重力墩之间有一水平结构缝,分缝方案是在6510m高程分 一条水平缝,结构锚杆布置132根.第27卷第6期 1999年11月河海大学学报 JOURNALOFHOHAIUNIVERSITYVol127No.6 Nov.1999转载图1 全衬式衬砌墙结构形式和锚杆布置图Fig.1 Structuretypeofwholelinedwallandarrangingmapofanchoredbars图2 混合式衬砌墙结构形式和锚杆布置图Fig.2 Structuretypeofmixedlinedwallandarrangingmapofanchoredbars2 主要计算边界条件和计算参数a.年气温变化曲线Tc=17.3+15.3 sin(2πτ-108.75 365) (℃)式中:τ— — — 时间,d.b.混凝土绝热温升Q( t) =29.466t/ (1.129+ t)(℃) 式中:t— — — 混凝土龄期,d.c.混凝土徐变度C( t ,τ) = (11+280 τ)(1-e-0.25( t-τ)) + (8+28 τ)(1-e-0.008( t-τ))(10-6/MPa)d.混凝土弹模公式E( t) =32.0(1.0-e-0.1t)(GPa)表1 混凝土、 岩基的热学和力学参数Table1 Thermal钢筋过 缝条件:不过缝,双面钢筋半过缝,背水面钢筋 全过缝.j.衬砌墙与岩体接触条件. 墙与岩体水平接触面:传压、 传剪、 不传拉,f=110, C=112MPa; 墙与岩体竖向接触面,接触面具有013MPa的法向抗拉强度,当法向应力 ≤013MPa时,竖向接触面闭 合,传压、 传剪、 传拉, f=017, C=0;当法向应力>013MPa时,竖向接触面张开,不传压、 不传剪、 不传拉.k.外水压力.外水压力直接作用在墙与岩石的接触面上,按自然地下水位,水重度取0125.3 主要计算成果Ξ表3列出了12种工况的锚杆拉应力计算结果,表4列出了前4种工况结构混凝土铅直向应力最大值计 算结果.表3 各计算工况锚杆拉应力值分布情况Table3 Tensionstressvaluedistributionofanchoragebarsunderalltypesofcomputingconditions计算工况、 锚杆直径及锚杆应力分布应力范围/MPa小于100100～200200～300300～400400～500大于500平均锚杆应力/MPa最大锚杆应力/MPa工况132mm 工况232mm 工况332mm 工况432mm 工况540mm 工况640mm 工况740mm 工况840mm 工况940mm 工况1032mm 工况1132mm 工况1232mm锚杆根数24864612 所占比例/%141351122714711 锚杆根数48644610 所占比例/%281638102714610 锚杆根数26624022 所占比例/%191747103013115115 锚杆根数426624 所占比例/%311850101812 锚杆根数28953510所占比例/%161756152018610 锚杆根数42101214 所占比例/%251060111215214 锚杆根数32953362 所占比例/%191156151916316112 锚杆根数16105452 所占比例/%91562152618112 锚杆根数3985322 所占比例/%241753182013112 锚杆根数202447734 所占比例/%1119141228104315214 锚杆根数44430846 所占比例/%311331322176113418 锚杆根数102445734 所占比例/%61014132618431521418119385181641638614178134131814510277171641337018146133331915615408151661932211142173011235715504112891046318345185051772Ξ 文中的锚杆应力值这里是指在计算的5年时间里每根锚杆曾出现的最大值.最大锚杆拉应力值是指每个工况锚杆应力值中最大的一个.平均锚杆应力值是指所有锚杆应力值的平均值.第27卷第6期苏 超等 三峡永久船闸衬砌墙结构及结构锚杆受力仿真分析中国科技论文表4 分缝和整体方案结构混凝土铅直向应力最大值(锚杆直径32mm)Table4 Maximumverticalstressvalueofconcreteofjointedandwholestructures(anchoragebardiameter32mm)最大应力和发生高程全衬式结构分缝方案 (工况1)全衬式结构整体方案 (工况2)混合式结构分缝方案 (工况3)混合式结构整体方案 (工况4)最大铅直向拉应力/MPa0159017901490189 发生高程/m15510011917557.0058.15 最大铅直向压应力/MPa-1184-1125-1180-1131 发生高程/m1191751191755811558115工况1和工况2分别给出了在温度和自重荷载作用下,全衬式结构分缝和整体方案锚杆拉应力值分布情况,工况3和工况4分别给出了在温度和自重荷载作用下,混合式结构分缝和整体方案锚杆拉应力值分布情况,可见分缝可以有效地降低混凝土内部由温度引起的铅直向拉应力,平均锚杆拉应力值同时有较大幅度的增加,两种结构分缝均破坏了锚杆最大拉应力分布的均匀性,在缝边附近锚杆出现应力集中现象.工况5、 工况6和工况7分别给出了全衬式结构,锚杆直径为40mm时,钢筋不过缝、 钢筋双面半过缝、 背水面钢筋过缝三种情况,在温度和自重荷载作用下锚杆拉应力值分布,钢筋双面半过缝和背水面钢筋全部过缝对锚杆拉应力分布有一定的影响,钢筋全部半过缝方案优于背水面钢筋全部过缝方案.为模拟岩石开挖面的凸凹不平,假设在岩石与混凝土接触竖直缝之间存在015MPa的切向凝聚力.工况8给出了全衬式结构,锚杆直径为40mm时,结构在温度和自重荷载作用下锚杆拉应力值分布.与工况5相比,锚杆应力值变化不大,但混凝土内的拉应力有较大幅度的增加,其铅直向拉应力最大值从0159MPa增至1143MPa.无论是全衬式还是混合式结构,从锚杆拉应力分布规律看,较高水平应力锚杆的根数相对较少,假设这些锚杆被拉断后不再起作用,此时结构中其它锚杆的受力情况有何变化?将工况5中锚杆拉应力值超过300MPa的5根锚杆去掉重新计算,得到工况9的锚杆拉应力值分布,只有1根拉应力值为301115MPa,其余锚杆应力均小于300MPa.可见去掉少数高应力锚杆,并没有产生周围相邻锚杆的进一步应力集中现象.工况10和工况11是在工况1和工况3基础上增加外水压力以后的计算结果,可见平均锚杆拉应力值和锚杆最大拉应力值同时有较大幅度的增加,外水压力的作用与温度和自重荷载作用的量级差不多.4 锚杆优化方案的初步探讨对全衬式结构从工况10的计算结果来看,在下块的72根锚杆中,53根超过400MPa,19根低于并接近400MPa.因此,下块的锚杆布置是合理的,没有必要进行调整.中块的48根锚杆中26根应力超过400MPa,14根在300～400MPa之间,10根在200～300MPa之间,10根相对低应力锚杆分布在两水平缝(127125m高程和142175m高程)边缘.从结构上看不适合减少锚杆,调整可能会使中间锚杆应力进一步加大,因此中块的调整余地不大.上块的48根锚杆中14根应力在300～400MPa之间,14根在200～300MPa之间,20根在100～200MPa之间,可见上块可以进行减锚.对全衬式结构我们分别进行了多种减锚方案计算、 比较,工况12给出了推荐的上块减锚2排(12根)方案的计算结果,进一步的计算表明上块还可进一步减锚4排(24根) .对混合式结构从工况11的计算结果来看,锚杆应力的富裕度较大.但由于混合式结构情况复杂,实际岩石物理力学特性是否理想,有无裂隙等天然缺陷,上部又有近20 m的重力墩,加上回填土的压力,锚杆的存在有助于提高岩石边坡的整体性,对稳定有利,建议可以从稳定的角度进一步论证,以便降低上部锚杆钢材的级别.5 结 论假设锚杆和混凝土理想连接,通过多种工况的计算,提出以下结论:闸室墙分水平缝可以有效地降低全衬式和混合式结构混凝土铅直向拉应力,但对结构锚杆应力分布有一定影响,它使最大锚杆拉应力值和平。