marc軟件在溢洪道預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用

MARC軟件在溢洪道預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)分析中的運(yùn)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(shè)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)?；￠T最大推力達(dá)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(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。本文中僅介紹中墩的預(yù)應(yīng)力錨索布置及有限元分析情況。預(yù)應(yīng)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(yīng)力為7.20×107N，總的永存預(yù)應(yīng)力為6×107N，弧門的有效預(yù)推比為1.56，在國內(nèi)外的工程實(shí)踐中屬于領(lǐng)先水平。為使預(yù)應(yīng)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?yàn)榇怪敝麇^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(yù)應(yīng)力施工期、中墩雙側(cè)過流時(shí)、閘墩單側(cè)擋水時(shí)、閘墩雙側(cè)擋水時(shí)）下的受力情況，由此要用三維有限元對閘墩進(jìn)行分析。2.結(jié)構(gòu)分析2.1計(jì)算模型本次計(jì)算采用MSC公司的MARC軟件對閘墩進(jìn)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(chǔ)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(jì)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(diǎn)六面體單元15253個(gè)，節(jié)點(diǎn)6534個(gè)。模型的約束條件為：在所取模型巖體下表面各個(gè)節(jié)點(diǎn)施加約束。由于閘墩上部設(shè)有交通橋、檢修門槽和操作室等，為方便計(jì)算和網(wǎng)格劃分并借鑒已有工程計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，頂部結(jié)構(gòu)參與結(jié)構(gòu)計(jì)算，檢修門槽基本在張拉端外，計(jì)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(jìn)行。根據(jù)設(shè)計(jì)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(xì)的表示，只需將Autocad文件作一些簡單的處理即可在MARC中運(yùn)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(jìn)行對Autocad文件的處理時(shí)，就根據(jù)對一些線條進(jìn)行了打斷（BREAK）操作，使部分線段或點(diǎn)成為獨(dú)立的線或點(diǎn)。處理后的Autocad文件可存盤成為DXF格式的文件，即可在MARC中進(jìn)行文件傳遞。在MARC中建立分析模型時(shí)，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(shè)種子點(diǎn)（SEED），然后利用ADVANCINGFRONT生成四邊形網(wǎng)格。要注意到一點(diǎn)，本次計(jì)算需要的是八節(jié)點(diǎn)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(shí)區(qū)域邊界的種子點(diǎn)數(shù)應(yīng)為偶數(shù)，否則，有可能出現(xiàn)三角形單元。在進(jìn)行該步驟時(shí)，網(wǎng)格的疏密應(yīng)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(yù)應(yīng)力錨索的布置、預(yù)應(yīng)力的加載形式進(jìn)行相應(yīng)操作。在該步驟中有一點(diǎn)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(jìn)行分組，每組命名一個(gè)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(shí)，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(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維分析時(shí)，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(jì)算材料參數(shù)計(jì)算模型中設(shè)計(jì)了四種材料，分別與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的材料分區(qū)相對應(yīng)。如下表：預(yù)應(yīng)力閘墩計(jì)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(jì)算工況計(jì)算中考慮的荷載：=1\*GB3錯(cuò)誤！未找到引用源?；炷磷灾兀?2\*GB3錯(cuò)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(cuò)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(shí)單鉸推力(永存噸位)；=4\*GB3錯(cuò)誤！未找到引用源。主次錨索控制張拉預(yù)應(yīng)力荷載；=5\*GB3錯(cuò)誤！未找到引用源。主次錨索永存噸位。（1）施工期預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉完畢，弧門擋水前，閘墩在張拉預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)自重作用等下，此時(shí)預(yù)應(yīng)力荷載按控制張拉力考慮。施工期荷載組合：=1\*GB3錯(cuò)誤！未找到引用源。＋=4\*GB3錯(cuò)誤！未找到引用源。（2）運(yùn)行期正常蓄水位下，弧門擋水，閘墩在弧門推力、張拉預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)自重等作用下，此時(shí)預(yù)應(yīng)力荷載按永存預(yù)應(yīng)力考慮。對中墩的分析分為單側(cè)、雙側(cè)擋水兩種情況。運(yùn)行期荷載組合：(A)=1\*GB3錯(cuò)誤！未找到引用源。＋=2\*GB3錯(cuò)誤！未找到引用源。＋=5\*GB3錯(cuò)誤！未找到引用源。(B)=1\*GB3錯(cuò)誤！未找到引用源。＋=3\*GB3錯(cuò)誤！未找到引用源。＋=5\*GB3錯(cuò)誤！未找到引用源。2.5計(jì)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(yīng)力，張拉端表面也產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力；在錨塊孔腔內(nèi)因傳力梁的作用在錨索張拉時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力。應(yīng)力統(tǒng)計(jì)情況見表1。表1單元節(jié)點(diǎn)最大主應(yīng)力計(jì)算工況序號單元節(jié)點(diǎn)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(jì)算位移、應(yīng)力圖形如下：施工期閘墩位移圖施工期預(yù)應(yīng)力錨塊主應(yīng)力圖(2)運(yùn)行期（雙側(cè)推力）運(yùn)行期，在錨塊和中墩連接的頸部，即弧門推力作用點(diǎn)附近，產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最高水平約為1.5Mpa；在弧門推力作用點(diǎn)附近的錨塊局部點(diǎn)產(chǎn)生約5.5Mpa左右的局部拉應(yīng)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(yīng)力。運(yùn)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(yīng)力統(tǒng)計(jì)情況見表2。表2單元節(jié)點(diǎn)最大主應(yīng)力計(jì)算工況序號單元節(jié)點(diǎn)號量值（MPa）部位運(yùn)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(diǎn)點(diǎn)計(jì)算位移、應(yīng)力圖形如下：閘墩承受雙側(cè)推力時(shí)位移圖閘墩承受雙側(cè)推力時(shí)錨塊主應(yīng)力圖(3)運(yùn)行期（單側(cè)推力）當(dāng)閘墩承受單側(cè)推力時(shí)，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(yīng)力和壓應(yīng)力。在推力側(cè)，頸部出現(xiàn)約2.9Mpa左右的拉應(yīng)力，在過水側(cè)連接頸部出現(xiàn)約1.5Mpa左右的壓應(yīng)力。推力側(cè)的推力作用點(diǎn)附近錨塊上產(chǎn)生的局部拉應(yīng)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(yīng)力。承受單側(cè)推力作用時(shí)，牛腿的變位兩側(cè)不對稱。閘墩順?biāo)飨虻恼w變位約1.7mm；橫向變位不對稱，但均小于4mm。應(yīng)力統(tǒng)計(jì)情況見表3。表3單元節(jié)點(diǎn)最大主應(yīng)力計(jì)算工況序號單元節(jié)點(diǎn)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(jì)算位移、應(yīng)力圖形如下：閘墩承受單側(cè)推力時(shí)位移圖閘墩承受單側(cè)推力時(shí)錨塊過流側(cè)主應(yīng)力圖閘墩承受單側(cè)推力時(shí)錨塊推力側(cè)主應(yīng)力圖3預(yù)應(yīng)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(yīng)力，計(jì)算結(jié)果中主壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)力水平會降低；(2)當(dāng)閘門承受雙側(cè)推力時(shí)，閘墩與錨塊連接頸部出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力水平不高，在牛腿局部產(chǎn)生約5Mpa的局部拉應(yīng)力，在弧門推力作用點(diǎn)附近。當(dāng)閘門承受雙側(cè)推力時(shí)，閘墩的變位水平不高，小于2mm；(3)當(dāng)閘門承受單側(cè)推力時(shí)，閘墩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，順?biāo)飨虻淖兾贿_(dá)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(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)置形式參照了南盤江天生橋一級水電站的成功經(jīng)驗(yàn)，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(yù)應(yīng)力閘墩錨索的設(shè)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(qiáng)度設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)，且已有成功的工程經(jīng)驗(yàn)。糯扎渡水電站溢洪道預(yù)應(yīng)力閘墩的設(shè)計(jì)