水工结构模型试验作业参考.doc

某预应力闸墩结构模型试验设计（模型比尺1：5）华北水利水电学院工程概况某抽水蓄能电站，位于辽宁省宽甸满族自治县境内，距丹东市约60km,该电站是我国东北拟建中的第一座大型抽水蓄能电站，总装机容量为1200MW，单机容量为300MW，共4台机组。本工程为等工程，工程规模为大型。枢纽中主要建筑物的级别均为级。电站建成后将在东北电网中担任调峰、填谷、调频和事故备用。原型基本资料下水库大坝为混凝土重力坝，挡水坝段分普通坝段、门库坝段、导流底孔坝段。坝轴线方位为NE39.07196,坝顶高程为70.1m，坝顶全长为336m（包括泄洪排沙闸和单孔溢流坝），最大坝高34.1m.普通坝段顶宽9.5m,门库坝段坝顶宽度16.5m。挡水坝的下游坝坡为10.75。泄洪排沙闸布置在主河床，中心线方位SE129.07196,全长130m,坝顶宽度16.5m。共设7孔，每孔净宽14m，闸墩厚4m，溢流前缘净宽为98m。采用开敞式泄洪方式，堰面采用WES曲线，堰顶高程48m，堰上布置弧形工作闸门挡水，弧门前设一道检修平板门。泄洪排沙闸下游为底流消力池消能，消力池全长65.34m,宽122m，底板高程38m，底板厚2m。消力池尾坎顶高程43.8m。消力池两侧设边墙，边墙顶高程59m，顶宽2m。闸墩设计中采用的混凝土标号为C30，预应力锚块、颈部的混凝土标号为C40，初拟锚块尺寸为：锚块高5m，外伸长度1.8m，厚5.5m，即7.65.55 (长宽高)。 原型预应力闸墩的立面图见图1。预应力锚束的布置见图1至图4。某电站下库泄洪排沙闸平面布置图见图5。图1 原型预应力中墩立面图 （单位:cm）图2 原型预应力中墩剖面图A-A （单位:cm）图3 原型锚块剖面图B-B （单位:cm）图4 原型锚块剖面图C-C （单位:cm）图5 某电站下库泄洪排沙闸平面布置图根据上述原型资料设计1：5试验模型。主要内容：1.确定模型的相似常数；2.绘制模型结构图；3.计算模型预应力钢筋的张拉力和数量；4.计算作用于锚块上的弧门推力（只计算在双侧弧门关闭情况）5.计算附加自重。以下为1：10计算成果，仅供参考表1 模型的相似常数序号物 理 量量纲相似常数1模型比尺LCL102砼的应力CFL-2C13砼的应变C-C14砼的变形模量ECFL-2CE15砼的泊松比C-C16砼的密度FL-3C0.17钢筋的应力gFL-2C18钢筋的应变g-C19钢筋的弹性模量EgFL-2CE110钢筋面积AL2CA10011集中荷载QFCQ10012水压力强度pFL-2CP1模型结构详图模型结构图中包括：模型结构的立面图A-A(图2.1), 模型结构的前视图B-B(图2.2), 模型结构的后视图C-C(图2.3), 模型结构的俯视图D-D(图2.4), 模型锚块的平面图E-E(图2.5), 模型模块的立面图F-F(图2.6)，模型模块的立面图G-G(图2.7)。图1 模型结构的立面图A-A （单位：cm）图2 模型结构的前视图B-B（单位：cm）图3 模型结构的后视图C-C （单位：cm）图4 模型结构的俯视图D-D （单位：cm）图5 模型锚块的平面图E-E（单位：cm）图6 模型模块的立面图F-F（单位：cm）图7 模型模块的立面图G-G（单位：cm）模型预应力钢筋的选择及布置(1)主锚束预应力钢筋根据设计原型结构的每束预应力钢筋由19根17s15.2的钢绞线组成，其断面为2610mm2，原型每边布置8束，两边共计16束，总断面面积41760mm2。按照相似条件，模型预应力筋的总断面积应为417 mm2，选用5的高强钢丝(1860MPa)作为模型预应力筋，每边布置4束(其中每束3根)，共计24根，每根张拉力为2.34t，每束张拉吨位为7吨(见表2)。表2 模型主锚束预应力钢筋与原型预应力钢筋的几项指标对比类别直径mm钢筋强度Mpa每束预应力钢筋束数总断面面积mm2总张拉力t根数断面积mm2总拉断力t张拉力t原型15.2186019261051735016417605600模型51860358.810.47847056(2)次锚束预应力钢筋根据设计原型结构的每束预应力钢筋由12根17s15.2的钢绞线组成，其断面为1648.5mm2，原型布置3排，每排5束，共计15束，总断面面积24727.5mm2。按照相似条件，模型预应力筋的总断面积应为247 mm2，选用5的高强钢丝(1860MPa)作为模型次锚束预应力筋，布置3排。每排3束，每束2根，共计18根，每束张拉力为3.83t，每根的张拉力为1.915t，以上次锚束每排的张拉力和原型严格相似。原型模型预应力钢筋的对照见下表3。表3模型次锚束预应力钢筋与原型预应力钢筋的几项指标对比类别直径mm钢筋强度Mpa每束预应力钢筋束数总断面面积mm2总张拉力t根数断面积mm2总拉断力t张拉力t原型15.21860121648.5306.62301524727.53450模型51860239.257.33.839353.2534.5图8 模型预应力主锚束立面图（单位:cm）图9 模型预应力主锚束剖面图A-A（单位:cm）图10 模型主、次锚束立面布置图（单位:cm）图11 模型主次锚束后视图（单位:cm） 荷载计算及加载系统某预应力闸墩所承受的荷载主要有预应力荷载、水压荷载和自重荷载，预应力荷载属于集中荷载，水压荷载为均布荷载，自重荷载为体积力。荷载计算模型自重及模型附加自重计算根据模型的相似常数C0.1，即m=10p。实际上，要获得完全相似模型是非常困难的，问题在于：模型材料的选择的困难，设模型比尺为CL，原型材料的密度为p，模型材料的密度为m，则mCLp，在实际工作中混凝土的密度约为25KN/m3，本课题CL10，模型混凝土的密度为m250KN/m3，显然，这样的材料在自然界是不存在的，唯一的方法就是通过附加自重的办法来解决。即：通过公式：附加自重荷载模型自重原型自重/100 得出附加自重荷载。原型结构的混凝土方量为5689.75m3（不包括堰体，只包括从高程34m到70.1m的中墩部分），按容重为25KN/m3计算，原型的自重为142200KN，模型混凝土方量为5.576m3，模型结构自重141.85KN（不包括堰体），应施加附加自重荷载为1280.15 KN。模型预应力荷载计算原型主锚束每束张拉力为350t，共16束，总张拉力为Qp350185600t。根据相似条件，模型预应力荷载Qp=CQQm，CQ100，则QmQp/100=56t。模型预应力筋布置时，主锚束由8束（三根5的1860高强钢丝组成），两边为对称布置，共计24根5的高强钢丝组成，模型每束张拉力为7t，每根张拉力为2.33t。原型次锚束每束张拉力为230t，共15束，总张拉力为Qp230153450t。根据相似条件，模型预应力荷载Qp=CQQm，CQ100，则QmQp/100=34.5t。模型次锚束预应力筋由三排共9束（两根5的1860高强钢丝组成），共计18根5的高强钢丝组成，模型次锚束每束张拉力为3.83t，每根张拉力为1.915t。水压荷载计算 对于闸墩而言，两侧闸门关闭的情况下，对弧形闸门产生的水压力。 (2)闸墩弧门水推力计算 因某抽水蓄能电站下水库泄洪排沙闸采用的是弧形闸门，所以在计算时分别计算出水平分力Px和竖直分力Pz。取正常蓄水位66m，弧门底端高程47.412m，则计算水深H=6647.41218.588m。图12 原型弧门水压力计算图求水平分力PxPx 式中：水的重度，9.8KN/m3； H弧门底端处的水深，m；b 弧门宽度，m。原型的水平分力：Px23702