预应力混凝土面板堆石坝技术及有限元分析

2016-03-12  by:CAE仿真在线  来源:《混凝土》杂志2015年第11期

摘要:面板作为大坝的防渗体,它的整体性和耐久性关系到大坝的稳定安全。因此,面板混凝土的防裂、限裂就成为大坝设计的关键。防止裂缝的发生,应从提高混凝土自身抗裂能力及减小导致裂缝的破坏力入手。将缓粘结预应力筋铺设在混凝土面板堆石坝中可以提高结构的刚度,有效的抑制裂缝的开展。通过对某地区一水电站大坝的受力性能进行ANSYS有限元分析,对比施加预应力前后的大坝应力及变形特点,探究预应力技术在混凝土面板坝中运用的合理性。分析结果表明:缓粘结预应力筋能够减缓面板的开裂破坏程度,显著地改善混凝土面板堆石坝的工作性能,值得在今后的工程中推广。

引言

2012年8月,新疆斯木塔斯水电站正式下闸蓄水。这是世界首次将预应力技术应用于混凝土面板堆石坝中,标志着中国水利建设进入了一个新阶段。

时至今日,预应力技术在建筑、桥梁工程等方面发展已非常成熟。建筑楼板、桥梁梁体中的预应力钢筋能够有效的抑制钢筋混凝土结构表面的裂缝,同时大大地节省钢材用量,减小结构自重并增加梁体长度。然而,在斯木塔斯水电站建成之前,世界范围内没有任何一例采用预应力技术修建混凝土面板堆石坝的先例。究其原因,不外乎以下几点:相对于建筑、公路、桥梁工程等,水利工程建设难度更大,要求的技术水平更高;预应力施工需要专业性人员,施工时间长,耗费资金大;2000年以前,我国100米以上的超高大坝数量较少,普通钢筋混凝土面板堆石坝完全可以满足使用要求。

近年来,随着国家经济建设的快速发展,许多地区的电力供应越来越无法满足人民群众生产生活的需求。普通钢筋混凝土面板堆石坝厚度小,暴露面积大,受温度、湿度影响大。特别是气温骤变和混凝土干缩引起拉应力超过混凝土自身的抗拉强度或极限拉应变而使面板产生裂缝,对长面板则更为不利。[1-4]因此其发展受到了诸多的限制。为了缓解用电压力,我国的水电站大坝坝体已经向着更高更大的方向发展。新疆斯木塔斯水电站的建成为我们开辟了一个全新的思路:预应力技术将是今后水利大坝建设的新趋势。

1 预应力技术在混凝土面板堆石坝中的应用

适用于水工建筑物的预应力钢筋为高强度低松弛预应力钢筋。这种钢筋经钢经绞线绞捻而成,且要在350~400℃的高温环境下热处理。经过热处理后的钢绞线强度大大提高,结构伸直性良好且更加紧密,即使被切断后仍能保持不松散。另外,这种钢绞线能够有效地降低预应力损失。目前市面上常见的预应力钢筋有3种:有粘结预应力筋、无粘结预应力筋、缓粘结预应力筋。

有粘结预应力筋即光面钢绞线,它是由7根1860MPa的钢绞线绞捻而成。若将此种有粘结预应力筋应用于混凝土面板堆石坝中,需要采取“先穿法”(先将钢绞线穿入管道中,再将管道铺设到已架好的钢筋网中)或“后穿法”(先将管道铺设在已有钢筋网上,再穿入钢绞线)埋设管道,然后浇筑混凝土。待混凝土达到规定强度后方可进行预应力张拉。“埋管成孔”的施工工艺繁琐复杂,一定程度上破坏了结构的整体性。施工方法耗费了大量的时间,对于限制工期的工程不适用。

无粘结预应力筋的制作方法是将光面高强度低松弛钢绞线挤压后在其表面涂上工业油脂并外裹PE护套。与有粘结预应力筋相比,无粘结预应力筋不需要预留孔道、孔道灌浆等工序,施工方便,加快了施工进度。目前,无粘结预应力筋已在大型薄壁三向混凝土箱梁、渡槽施工,水工隧道预应力混凝土衬砌等方面得到了成功应用。但是由于无粘结预应力筋采用“后张法”施工,钢筋和混凝土可产生纵向滑移,故其两端锚固钢筋的锚具必须具有良好的锚固性。水工建筑物多处于环境恶劣的条件之下,一旦预应力筋发生腐蚀、断裂,都将会影响结构的受力性能,对于混凝土面板堆石坝不适用。

3 结论

1.ANSYS有限元分析和工程实例(新疆斯木塔斯水电站大坝)分别从理论和实际出发,共同验证了加入预应力筋能够优化混凝土面板堆石坝的工作性能。

2.预应力面板堆石坝技术是将高强度低松弛的缓粘结筋布设在混凝土面板堆石坝中,事先人为地在钢筋混凝土中引入内部应力,有利于减轻结构自重,抑制裂缝发展。特别适用于水工大坝这类对裂缝有较高要求的结构。预应力技术使结构受力更加均匀。

3.缓粘结筋的核心是缓粘结剂,目前我国缓粘结剂的固化期可分为30天、60天、90天三种。具体施工过程要根据具体情况取用。

4根据等强度换算原则,预应力钢筋的需用量大约为整个大坝面板配筋的20%。

相关标签搜索：预应力混凝土面板堆石坝技术及有限元分析  预应力 混凝土面板有限元分析 Ansys有限元培训 Ansys workbench培训 ansys视频教程 ansys workbench教程 ansys APDL经典教程 ansys资料下载 ansys技术咨询 ansys基础知识 ansys代做 Fluent、CFX流体分析