预应力闸墩设计

1FJD31120FJD水利水电工程技术设计阶段预应力闸墩设计大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1997年11月2水电站技术设计阶段预应力闸墩设计大纲主编单位主编单位总工程师参编单位主要编写人员软件开发单位软件编写人员勘测设计研究院年月3目次1引言42设计依据文件和规范43基本资料44闸墩布置75荷载及组合76闸墩结构设计97单束张拉吨位及锚具选定148模型试验及构造要求159观测设计1610应提供的设计成果1741引言工程位于省河上，距市县KM。初步设计报告于年审查通过。选定坝型为坝，最大坝高M，总库容M3，水电站装机容量MW。布置溢流表中孔共孔，由MM的弧型闸门控制。初设阶段确定弧门支承为牛腿式锚块结构，并采用预应力钢筋混凝土。2设计依据文件和规范21本工程初设阶段的有关文件1工程初步设计报告；2工程初步设计报告审批文件；3工程技术设计任务书。22主要设计规范1SDJ2078水工钢筋混凝土结构设计规范试行；2SDJ1078水工建筑物抗震设计规范试行；3SDJ2178混凝土重力坝设计规范及补充规定试行。23主要参考资料1有关预应力设计规范JGJ1992冷拔低碳钢丝预应力混凝土中小构件设计与施工规程；JGJ/T9293无粘结预应力混凝土中小构件设计与施工规程。2水工设计手册第3卷，华东水利学院、电力部水利水电规划设计院主编，水利电力出版社1984年版。3基本资料31建筑物级别建筑物级别为级。32地震烈度1坝址区基本地震烈度为度；2闸墩设计地震烈度为度。33洪水标准1设计洪水重现期TA52校核洪水重现期TA；3水位和流量表1水位流量表项目校核洪水设计洪水正常蓄水位入库流量，M3/S下泄流量，M3/S库水位，M34气象341气温1多年平均气温；2多年月平均气温，见表2；表2多年月平均气温表单位月份123456789101112温度3最高月平均气温；4最低月平均气温；5绝对最高气温；6绝对最低气温。342风速和吹程1多年平均最大风速M/S；2多年实测最大风速M/S；3设计采用风速M/S；4吹程KM。35材料特性及安全系数351混凝土1混凝土容重KN/M3钢筋混凝土容重KN/M32混凝土的设计强度及弹性模量，见表3；表3混凝土设计强度及弹性模量单位MPA设计强度混凝土标号轴心抗压弯曲抗压抗拉抗裂弹性模量3混凝土泊桑比。352预应力钢材及普通钢筋61预应力钢材型号；公称直径MM；公称面积MM2标准强度MPA；弹性模量MPA；2普通钢筋设计强度及弹性模量，见表4。表4钢筋设计强度及弹性模量单位MPA钢筋种类符号受拉设计强度受压设计强度弹性模量I级II级III级353安全系数1混凝土结构构件的强度安全系数，见表5；表5混凝土结构构件的强度安全系数建筑物级别荷载组合基本荷载组合特殊荷载组合偏心受压构件、局部承压受力特征受弯、偏心受拉构件2钢筋混凝土结构构件的强度安全系数，见表6；表6钢筋混凝土结构构件的强度安全系数建筑物级别荷载组合基本荷载组合特殊荷载组合轴心受压、偏心受压、局部承压、斜截面受剪、受扭受力特征轴心受拉、受弯、偏心受拉3钢筋混凝土结构构件的抗裂安全系数，见表7；表7钢筋混凝土结构构件的抗裂安全系数建筑物级别荷载组合基本荷载组合特殊荷载组合轴心受拉、小偏心受拉构件受力特征偏心受压、受弯、大偏心受拉构件4最大裂缝宽度允许值MM。354初设阶段闸墩结构布置图1枢纽平面布置图；72闸墩结构布置图。4闸墩布置提示预应力闸墩布置基本和常规闸墩相同。当弧门推力大于25000KN时才采用预应力闸墩。41闸墩形式提示根据溢流前缘长度，坝基岩石情况和坝体分缝分块情况，最终确定采用缝墩或整墩。重要工程的闸墩型式或新型闸墩如折流墩、宽尾墩等应经水工模型试验确定。弧门支承结构采用预应力锚块。如果根据计算只在有拉应力范围加预应力而采用短锚索，闸墩中部需预留张拉施工竖井或槽，井或槽均在张拉后回填，并尽可能保证闸墩的整体性。42闸墩厚度提示决定闸墩厚度的因素有二1布置要求一般弧形工作门上游布置检修门、检修门槽及附近体型受水力学问题制约；坝顶门机梁支座及交通桥梁支座布置；启闭机的形式；中孔闸墩检修门槽上、下游将布置前、后胸墙，胸墙与闸墩的联接形式应予以确定。2稳定和应力要求闸墩是固结于坝顶的悬臂梁，可用材料力学法估算其稳定和应力情况。43闸墩高度和长度提示泄洪时坝顶桥梁、开启后的弧门、弧门支铰均要高出水面线，并保证一定净空。堰顶水面线通过模型试验确定；关门时，闸墩应高出设计校核洪水位风浪高安全超高。闸墩长度决定于水力条件、上部结构布置等。5荷载及组合51荷载511自重A1，取容重KN/M3512上部结构荷载A21坝顶工程桥、交通桥荷载自重KN门机重KN吊重KN8车辆荷载。提示车辆荷载参照公路桥涵设计通用规范的规定。2闸墩上部其它设备荷载。513静水压力A3提示1闸门所受静水压力不计在此；2净水压力包括闸墩头部静水压力；一侧开门一侧关门时，关门侧门前侧向静水压力；边墩或缝墩外侧横缝止水前侧向静水压力。514浪压力A4提示参照SDJ2178附录二。515动水压力A5提示一侧开启时的侧向动水压力。516闸门推力A6提示闸门推力即闸门所受的水压力及浪压力传至弧门支铰。由金属结构专业提供。分别考虑正常挡水和开启瞬时的闸门推力。517渗透压力A7提示1闸门全关时，门前渗透压力为全水头，闸门后在两倍墩厚处渗压为零，中间直线分布。2一侧开一侧关时，关门侧仍按1计算。518地震荷载A8提示1地震惯性力及地震动水压力参照SDJ1078计算。2对于高地震烈度的重要闸墩，应做震动试验，以确定闸墩的地震反应。519预应力荷载A9提示预应力荷载可用平面有限元计算确定。最终数值以三维有限元计算分析确定。A9为永存吨位。5110温度作用A109提示在荷载组合中可不计入温度应力。但在出施工详图阶段必须考虑1张拉施工时间的选定。以免锚索随温度变化而不满足有效吨位的要求；2如使用短锚索，闸墩中部予留槽或井的封填时间选定需要考虑温度影响。52荷载组合521正常组合1双侧关站对称荷载A1A2A3A4A6A7A9A10提示双侧关门时的上游水位一般指设计洪水位，门推力指正常蓄水位时的数值。2一侧开门一侧关门非对称荷载A1A2A3A4A5A7A9A1062提示此工况时，闸墩顶部荷载A2应取可能最大不对称荷载。522特殊组合1正常挡水遇地震A1A2A3A4A6A7A8A92施工期荷载组合A1A9提示1正常挡水指双侧关门挡正常蓄水位；2施工期荷载A1指施加预应力时闸墩部位的自重；3A9指张拉锁定吨位。6闸墩结构设计提示采用弧门挡水的预应力闸墩结构，适用于工程规模较大、弧门推力较大的工程。闸墩上游布置有检修门槽、工作桥、交通桥，如是中孔，还有前、后胸墙等。所以一般预应力闸墩较长、较厚，闸墩整体稳定分析一般可不进行。闸墩的结构设计主要是弧门支承结构锚块的设计和闸墩强度核算。61弧门支座支承结构型式选择与锚索布置10提示弧门支座支承结构预应力钢筋混凝土锚块有两种结构型式1简单锚块与锚块连接的颈部闸墩厚度不变。这种锚块尺寸大，需要的预应力钢材多。预应力主锚索布置成直线或直线加斜线，以有效抵消弧门推力。施工比较简单。2复杂锚块闸墩与锚块连接的颈部向内扣槽，缩窄颈部宽度。预应力锚索穿过缩窄的颈部，可以增加预应力效果。颈缩后，弧门支座向闸墩中心靠近，缩短了弧门推力作用点与闸墩中心的距离，减少了弧门推力的弯矩值。预应力锚索则需弯曲布置。锚块尺寸小，预应力钢材用量少，比较经济。复杂锚块的颈部缩窄后，颈部的抗弯刚度减小，为了增加颈部的刚度，在颈缩的底部两侧加设小牛腿，使锚块颈部呈倒“T”型断面。施工较简单锚块复杂。3锚索的长度及布置由于弧门推力在锚块颈部产生的拉应力向上游迅速衰减，所以可以采用短锚索，在闸墩中部预留施工竖井或槽，作为为锚索上游张拉端或锚固端，张拉毕回填。主锚索布置应尽量使预应力合力与弧门推力平行，使其最有效的抵消弧门推力。1弧门支座支承结构型式采用预应力钢筋混凝土锚块。2锚索布置提示1锚索布置与锚块形式有关。如果是简单锚块，锚索布置成平行的或平行索加斜锚索。平行索上游锚固在闸墩头部，斜锚索为短锚索，上游端锚固在闸墩侧面预留洞内。如是复杂锚块，锚索必须弯曲布置。上游端可锚固在闸墩头部，也可锚固在闸墩中部的预留施工竖井或槽内。为了使弯曲锚索的下游端与锚块下游面垂直，锚块下游面设计成折线面。2每个闸墩的预应力即为设计永存吨位A9。综合考虑锚索孔道布置、施工要求、施工水平、局部承压和避免局部次生拉应力过大等，每束永存吨位可设计为2000KN3000KN。3以复杂锚块的锚索布置为例锚索平面布置主要受锚固区局部承压所要求的锚索最小间距、颈部宽度的控制。同时锚索弯曲半径R越大，预应力荷载的有效分力越大，弯曲段在锚块内部的径向分力越小，弯曲段的预应力摩阻损失越小，结构受力更加合理。一般R可取8M15M。每墩束，每束KN；采用长或短锚索，上、下游桩号分别为0M，和0M；锚索分层、排布置。向上游水平面扩散角度，垂直面扩散角度；弯曲锚索的弯曲半径M，中心角度。62闸墩和锚块结构计算11621锚块尺寸见图1提示锚块尺寸拟定原则1满足布置和施工要求。锚块的宽度和厚度需要满足弧门支座的埋置要求。复杂锚块的颈缩后断面需要满足锚索预埋管和混凝土浇捣要求。2满足强度要求保证运行安全和经济合理。复杂锚块缩窄的颈部不允许出现拉应力。简单锚块的颈部、锚块、复杂锚块的小牛腿和闸墩其它部位可以出现小于混凝土允许设计强度的拉应力。预应力荷载作用面要满足局部承压要求。1锚块宽度LM。提示L为沿坝轴线方向尺寸。由金属结构专业提供支座布置并拟定L值。支座中心距锚块侧边M。支座中心距颈部外侧边M。2锚块厚度HM。提示锚块厚度可暂按弧门支座高度加一定富裕度并满足锚索布置要求确定。3锚块有效高度AM提示A是上、下游方向尺寸，即沿门推力方向尺寸。暂按预应力作用时的平面抗剪计算确定。按牛腿结构抗剪经验公式计算A值KQ10751RHCF式中Q锚块一侧施加的预应力；RF锚块混凝土抗裂强度；A锚块有效高度；H锚块厚度；C1预应力合力距闸墩边的距离；K安全系数。622闸墩和锚块结构计算及应力分析提示锚块为空间受力结构，宜采用三维有限元计算。对于简单锚块可先用平面有限元进行计算。对于复杂锚块，可先用材料力学法对颈部的倒“T”型断面进行计算。以基本拟定锚块尺寸和预应力吨位。121闸墩墩身强度核算提示闸墩的厚度和长度，要充分考虑工作门槽、检修门槽、公路桥和工作桥、胸墙等布置要求。墩身强度的控制工况，一般为一侧泄洪、一侧挡水，按固结于堰顶的悬臂梁进行计算。计算原则及假定沿闸墩垂直方向切取受侧向力较大的单宽条带进行计算。计算出所取条带上的内力，按偏心受压构件计算应力。2简单锚块计算平面有限元计算提示计算目的为最终确定预应力吨位及预应力施加范围，即主锚索长度。采用平面有限元程序对闸墩进行计算。边界条件提示边界条件指计算模型的边界条件假定。模型的选取原则垂直水流方向，选取一个整坝段；平行水流方向，取整个闸墩；垂向，坝体做为闸墩的基础，可选取一倍的闸墩高度。计算成果提示计算成果主要指应力分布情况。经过分析比较可确定合理的预应力荷载和需要加预应力的范围。即采用的预应力荷载在控制工况时，闸墩的各主要受力部位颈部、锚块等，其强度满足设计要求。三维有限元计算提示内容参见复杂锚块的三维有限元计算。3复杂锚块计算计算简图见图1材料力学法计算颈部断面提示复杂锚块颈部断面优化设计时，用材料力学法进行计算。材料力学法计算假定锚块为刚体，受力后不发生变形；不计自重；颈部为偏心受拉构件；不计弧门侧推力对闸墩的剪切作用；不扣除预埋管孔面积。为方便快捷用自编程序，计算出颈部倒“T”型断面的8个角点应力。通过不同的预应力吨位及不同的颈缩断面尺寸，用基本荷载一侧挡水、一侧开门工况进行计算。将计算成果列于表中，分析比较选出合理的预应力吨位和颈缩断面尺寸。13计算公式2NABMBH2式中倒“T”形断面各角点应力；N弧门推力和预应力在闸墩轴线方向投影的合力；A倒“T”形断面面积；B闸墩厚度；M弧门推力和预应力对闸墩中心线的弯矩的和；B闸墩颈缩后的厚度；H颈缩部分度度。经计算分析比较选定锚块颈缩比为；提示颈缩比是复杂锚块颈缩后的颈部厚度与闸墩厚度的比，一般取0204之间。颈缩部分尺寸厚度BM；高度HM；小牛腿高HM；单墩预应力荷载KN；预应力与弧门推力的比值。三维有限元计算提示三维有限元计算是对整个闸墩的分析计算。计算重点是锚块颈部、锚块及上游预留施工竖井或预留槽的底部。这些部位应如实模拟，加密网格。通过三维有限元计算确定以下几个问题合理的锚块颈部断面尺寸；论证预应力荷载及锚索布置的合理性；提供各个部位配筋计算的依据。采用三维有限元程序对闸墩进行计算。边界条件提示可参考简单锚块平面有限元的边界条件。共有节点，单元。计算工况正常组合见52112计算成果14提示有后处理程序时，切取主要断面，画出各工况的应力分布图。没有后处理程序时，可摘取结构重要部位的应力值，如锚块颈部小牛腿的三个面，缩窄的颈部、锚块内部、局部承压区、上游预留竖井或槽的底部等，列表分析并论证所选预应力荷载、锚索布置及断面尺寸的合理性。63配筋计算631墩身配筋提示墩身配筋类同于普通混凝土闸墩。1依据闸墩墩身悬臂梁计算的内力成果，按单一安全系数极限状态计算配筋，一般只要按构造配筋；2锚块上游有预留施工竖井或槽周边的配筋，按三维有限无算出的应力配筋。632锚块结构配筋计算提示锚块结构按三维有限元计算成果配筋。由于施加给混凝土的预压应力部分或全部抵消了结构主要部位的拉应力。复杂锚块的颈部出现全压应力状态；简单锚块的颈部、锚块内部、局部承压区和复杂锚块的小牛腿以及采用短锚索时预留施工竖井槽的底部，仍存在有拉应力。除局部承压区和预留竖井槽外，其它部位的拉应力，应限制在小于或等于混凝土允许设计抗拉强度，并配置受力钢筋承担全部拉应力。上游预留竖井或槽底部的拉应力一般偏大，需要时按限裂配筋。1简单锚块颈部、锚块两侧面、复杂锚块的两个侧面和小牛腿的三个面，按三维有限元应力成果配筋。拉应力全部由钢筋承担。2锚块上、下游局部承压区的配筋计算按SDJ2078进行。7单束张拉吨位及锚具选定71预应力损失计算提示以后装后张法施工为例。前述的预应力荷载，除施工期指锁定吨位外，其余工况均指永存吨位。张拉时由于锚具摩阻、钢铰线回缩产生预应力损失。其损失值与工艺水平、锚具型式及锚具质量有关；由于孔道不光滑或不顺直，产生孔道摩阻，致使预应力产生摩阻损失；运行期由于混凝土徐变和预应力筋松驰，产生预应力损失。在计算预应力损失之前，首先确定控制张拉应力K，一般K06065，YBR为预应力钢材的标准强度。K是张拉到锁定吨位时钢材的应力。一般情况，YBR预应力损失按水工设计手册进行计算；重要的工程，在施工前应做现场试验，以确定施工期损失值。预应力损失分项计算结果如下以XM锚为例锚口摩阻损失；15锚固损失；锚索松驰损失；孔道摩阻损失；混凝土徐变损失；总预应力损失。72单束张拉吨位提示根据算出的单墩预应力吨位、锚索布置及施工水平，选取适当的单束张拉锁定吨位即控制张拉吨位。控制张拉吨位永存吨位预应力损失吨位。1单束控制张拉吨位KN；2单束永存吨位KN；3单束超张拉吨位KN；提示有的锚具可进行超张拉，即张拉到锁定吨位的105110，然后再卸荷到锁定吨位锁定，以减少钢材的松驰损失。锁定吨位不变。73预应力粘结方式选定提示一般采用有粘结预应力锚索，一次施工完成本文主要指有粘结锚索型式的预应力闸墩的设计。也可采用无粘结预应力锚索，采用无粘结预应力锚索的前提是要保证锚具和锚索不锈蚀。74锚具选定提示选用便于施工、锚固损失少、张拉施工安全、锚具质量好且价格合适的。锚具选型可根据张拉吨位选取定型产品。预应力高强钢材应在张拉吨位决定之前选定，以计算预应力损失。8模型试验及构造要求81模型试验提示重要的预应力闸墩需要做结构模型试验。做模型试验的目的1研究闸墩结构在弧门推力及预应力等主要荷载工况时的应力分布规律，以校验电算成果；2了解闸墩的破坏机理及安全度。拟采用模型试验。82构造要求1闸墩混凝土标号为号，抗冻标号为号；预应力锚块、颈部及复杂锚块的小牛16腿混凝土标号为号。提示水泥应采用高标号、低热、对高强钢材无腐蚀的优质水泥。预应力混凝土应采用高标号混凝土，如400等。2预应力张拉端及固定端当固定端不在井或槽内，而在闸墩头部时，锚具外浇筑CM厚的二期混凝土。二期混凝土内加设防裂温度筋，间距ACM。3闸墩的各个部位均需配置适当的温度筋，以避免或限制温度裂缝的出现与开展。采用，A。4采用短锚束时，闸墩中部的施工预留槽或井与二期回填混凝土的结合