高邊墩預應力鋼筋混凝土塢式閘室三維數(shù)值仿真分析

羅梅青

（安徽省交通勘察設計院，合肥 230011）

高邊墩預應力鋼筋混凝土塢式閘室三維數(shù)值仿真分析

羅梅青

（安徽省交通勘察設計院，合肥 230011）

為分析研究高邊墩預應力鋼筋混凝土塢式閘室結(jié)構(gòu)的受力性能和計算方法，以安徽省潁上船閘工程為例，采用三維空間有限元模型，模擬墻后回填施工過程，計算作用于閘墻后的土壓力荷載。由此進一步分析結(jié)構(gòu)的變形和應力分布。對比分析有限元計算結(jié)果與實測值可以得出，計算值與實測值接近且趨勢吻合。研究表明，當合理考慮土體和閘室的相互作用，并精確模擬回填施工過程，通過三維空間有限元可有效分析預應力閘室結(jié)構(gòu)的受力性能。

預應力混凝土高邊墩塢式閘室；三維數(shù)值仿真分析；對比分析;潁上船閘

Biography：LUO Mei-qing（1964-），female，senior engineer.

潁上船閘位于安徽省潁上縣城城東沙潁河上，上距阜陽節(jié)制閘80 km，下距沫河口（入淮口）45 km。

潁上船閘閘室尺度為180 m×12 m×3 m，分為11段，每段長16.2 m，閘室采用預應力鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)，凈寬12 m，邊墻頂標高29.5 m，底板頂高程14.0 m，底板厚度2.2 m，總高度16.7 m，建筑物等級為III級。閘室及預應力鋼束布置斷面見圖1。

預應力混凝土塢式閘室結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了船閘工程采用預應力結(jié)構(gòu)的突破，閘室結(jié)構(gòu)采用預應力混凝土結(jié)構(gòu)，預應力鋼筋在塢式閘室結(jié)構(gòu)中呈“U”型布置，充分發(fā)揮混凝土抗壓強度高和鋼筋抗拉強度大的優(yōu)點，減少閘室結(jié)構(gòu)的拉應力，有效地控制閘室結(jié)構(gòu)的開裂，增強了船閘工程的耐久性。與普通鋼筋混凝土塢式閘室結(jié)構(gòu)相比，預應力塢式閘室結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)受力性能、結(jié)構(gòu)耐久性及工程造價方面都有顯著的優(yōu)越性。預應力鋼筋混凝土塢式閘室結(jié)構(gòu)是一種新型的閘室結(jié)構(gòu)，尚缺乏理論和施工技術(shù)方面的研究，還需進一步深入研究。

2007年底，潁上船閘完成施工圖設計，同年正式開工建設，2009年5月，船閘工程竣工通航，至今運行良好。

圖1 閘室及預應力鋼束構(gòu)造斷面圖Fig.1 Cross section of chamber and prestressed tendon

1 三維仿真模型

1.1 墻背土壓力荷載計算

閘室墻體是一種擋土結(jié)構(gòu)，一般都按照規(guī)范中所定的土壓力荷載計算方法進行計算。

如主動土壓力的計算，對無粘性多層土，第n層土的土壓力合力可按式（1）計算

式中：En為第n層土的土壓力合力；e′n，e″n分別為第n層土上、下端處單位面積土壓力強度；Hn為第n層土的厚度；α為折線墻背與垂線的夾角，仰角為正值，俯角為負值。

對于靜止土壓力，一般按靜止土壓力系數(shù)為主動土壓力系數(shù)的1.25～1.5倍采用。

而通過多年的工程實踐中對土壓力的實測數(shù)據(jù)與規(guī)范計算數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)規(guī)范計算的土壓力數(shù)據(jù)與實際工程擋土墻墻背土壓力的實測數(shù)據(jù)仍存在較大的差異，由此，學者們不斷地進行研究以改進土壓力的計算模型，以使土壓力的計算值趨向于實際值。近年來，許多學者經(jīng)過研究提出位移土壓力計算模型，如梅國雄［1］、盧國勝［2］等。

土壓力與位移之間的關(guān)系決定了作用在墻后的土壓力是主、被動土壓力，還是靜止土壓力。實際作用在結(jié)構(gòu)上的土壓力可能是主動土壓力與靜止土壓力之間的任一數(shù)值，或靜止土壓力與被動土壓力之間的任一數(shù)值，且這一數(shù)值與結(jié)構(gòu)的位移量有關(guān)。盧國勝提出考慮位移的土壓力計算模型［2］

式中：Pa、Pp分別為準主動土壓力，準被動土壓力；Po為靜止土壓力；Ko為靜止土壓力系數(shù)；Ka、Kp分別為朗肯主動土壓力系數(shù)，朗肯被動土壓力系數(shù)；Sa、Sp分別為主動土壓力位移量，被動土壓力位移量；S′a，S′p分別為準主動土壓力位移量，準被動土壓力位移量；C、Y、Z分別為填土粘聚力，填土重度，土壓力計算點的深度。

因為在工程實際中，閘墻墻背填土是在施工過程中逐級回填壓實的一種加荷過程，填土逐級加高的計算位移，與填土體完全形成荷載突然施加所產(chǎn)生的位移是不同的，這就給土壓力荷載的計算增大了難度，也提高了計算的復雜性，往往一種單純的計算模型很難得到比較精確的結(jié)果。

1.2 三維仿真模型

采用ANSYS有限元程序［3-4］建立三維空間模型，建立計算模型時考慮墻背回填土直接參與計算，采用計算網(wǎng)格的增減模擬填土逐級加高的過程，并充分考慮已填筑的土體應力和新回填土體的初始應力，來計算土體對結(jié)構(gòu)體的土壓力荷載，在此基礎(chǔ)上得到較精確的結(jié)構(gòu)變形和應力分布情況。土體采用Drucker-Prager理想彈塑性模型，土體參數(shù)根據(jù)工程現(xiàn)場土體試驗獲取，根據(jù)施工過程中閘室側(cè)墻及回填土的施工進度建立施工過程分析模型。土體與閘室結(jié)構(gòu)間根據(jù)2種不同材料的參數(shù)建立接觸單元，模擬土體與結(jié)構(gòu)間的相互作用，根據(jù)計算結(jié)果提取土體對閘室側(cè)墻的土壓力數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場埋設土壓力計實測數(shù)據(jù)進行比較。計算模型如圖2所示。

圖2 閘墻三維計算模型Fig.2 3-D calculation model chamber wall

2 高邊墩預應力塢式閘室數(shù)值分析

2.1 單元類型選取

采用三維8節(jié)點單元SOLID65［5］來模擬混凝土單元，ANSYS里面專門建立了面向混凝土的單元SOLID65單元，SOLID65單元可用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實體模型。該單元具有8個節(jié)點，每個節(jié)點有3個自由度，即x，y，z 3個方向的線位移，單元的集合形狀節(jié)點位置和坐標系如圖3。土體采用三維8節(jié)點單元SOLID45，土體采用Drucker-Prager理想彈塑性模型，土體與閘室結(jié)構(gòu)間根據(jù)兩種不同材料的參數(shù)建立接觸單元，模擬土體與結(jié)構(gòu)間的相互作用。

采用三維桿單元LINK8［6］模擬預應力鋼筋，LINK8單元有著廣泛的工程應用，如桁架、纜索、連桿、彈簧等。這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓單元，每個節(jié)點有3個自由度：沿節(jié)點坐標系x、y、z方向的平動。就像在鉸接結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)一樣，本單元不承受彎矩。本單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形、大應變等功能。LINK8單元的幾何形狀、節(jié)點位置和坐標系如圖4所示。

混凝土采用C30混凝土，容重r=25 kN/m3，混凝土彈性模量E=28 000 MPa，泊松比μ=0.167；墻后回填土摩擦角 φ=30°（水上），φ=25°（水下），凝聚力C=0，容重r=19 kN/m3（水上），r=10 kN/m3（水下），地基變形模量 5 717.0 MPa，泊松比 μ=0.3，基礎(chǔ)與地基摩擦系數(shù)為0.3。

2.2 計算工況及建立模型

根據(jù)閘室的施工不同階段以及閘室投入運營期后不同的使用環(huán)境將其分為以下幾種設計計算工況。

根據(jù)閘室結(jié)構(gòu)的最不利受力工況和施工過程，本項目計算對施工階段中側(cè)墻澆筑至26 m、高水位使用期和檢修期預應力閘室結(jié)構(gòu)進行三維有限元模擬分析。根據(jù)以上不同計算工況的荷載模式，建立不同工況的三維有限元計算模型，模型中預應力采用“分割法”進行處理，在實際預應力鋼筋設計位置建立LINK8單元模擬預應力鋼筋。

2.3 計算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

本節(jié)段閘室的側(cè)墻澆筑至26 m高程位置，墻后填土回填至25 m高程，張拉部分預應力鋼筋。

結(jié)構(gòu)在此階段關(guān)鍵性斷面受力情況見表2。表2中數(shù)據(jù)正值代表拉應力，負值代表壓應力。閘室底板和側(cè)墻的斷面位置見圖5。表2中數(shù)據(jù)表明，閘室底板的頂面在圖5中14.5 m斷面處出現(xiàn)拉應力，但拉應力較小僅為0.11 MPa；閘室側(cè)墻內(nèi)側(cè)基本處于受拉狀態(tài)，最大拉應力位于高程14 m處，為0.58 MPa，而閘室側(cè)墻外側(cè)處于受壓狀態(tài)。

工況二：運營高水位期。本節(jié)段閘室已完工投入使用，閘室內(nèi)部高水位狀態(tài)，墻后填土回填早已完成并且墻后填土中有一定的水位。結(jié)構(gòu)在此階段關(guān)鍵性斷面受力情況見表3。

圖3 SOLID65單元示意圖Fig.3 Sketch of SOLID65 unit

圖4 LINK8單元示意圖Fig.4 Sketch of LINK8 unit

表1 閘室計算工況表Tab.1 Calculated work condition of chamber m

表2 工況一閘室結(jié)構(gòu)受力Tab.2 Chamber force under working wondition 1

表3中數(shù)據(jù)表明，閘室底板的頂面在14.5斷面處出現(xiàn)較小的拉應力，為0.27 MPa，而底板的底面基本處于受壓狀態(tài)。閘室側(cè)墻的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)一定的拉應力，最大拉應力為高程19 m斷面，拉應力為0.84 MPa，閘室側(cè)墻的外側(cè)基本處于受壓狀態(tài)。

工況三：檢修期。本節(jié)段閘室在投入使用的過程中，定期給閘室結(jié)構(gòu)進行檢修，以維護結(jié)構(gòu)的正常安全運行。此階段由于檢修，閘室內(nèi)部不蓄水，只有墻后填土的土壓力作用與閘室側(cè)墻的外側(cè)。結(jié)構(gòu)在此階段關(guān)鍵性斷面受力情況見表4。

表4中數(shù)據(jù)表明，在檢修期閘室底板的頂面基本處于受壓狀態(tài)，而閘室底板的底面出現(xiàn)局部拉應力狀態(tài)，最大拉應力位于圖6中13.5斷面處的底面，拉應力為0.65 MPa；閘室側(cè)墻在檢修期側(cè)墻的內(nèi)側(cè)基本處于受壓狀態(tài)，而側(cè)墻外側(cè)局部區(qū)域出現(xiàn)拉應力，最大拉應力位于圖6中14 m高程處斷面外側(cè)，其拉應力值為0.63 MPa。

表3 工況二閘室結(jié)構(gòu)受力Tab.3 Chamber force under working condition 2

2.4 計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比分析

將三維模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)構(gòu)應力數(shù)據(jù)進行比較分析，驗證仿真計算是否滿足要求，能否反映結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)。潁上船閘應力監(jiān)測點每個斷面布置了從1到14和從1′到14′共26個應變計，3個斷面共布置了78個應變計。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，應力監(jiān)測點布置見圖6所示。圖7所示為閘室側(cè)墻澆筑至26 m高程時數(shù)值仿真閘室結(jié)構(gòu)應力計算值與現(xiàn)場應力實測值的比較，從對比曲線上看，首先三維仿真計算結(jié)果與實測值變化趨勢吻合，即反映了閘室的總體應力分布情況；其次仿真計算結(jié)果與實測值在數(shù)據(jù)上存在小的差異，并都在結(jié)構(gòu)設計計算和測試誤差可接受的范圍內(nèi)，表明了仿真計算的準確性和可靠性。

表4 工況三閘室結(jié)構(gòu)受力Tab.4 Chamber force under working condition 3

圖5 閘室底板和側(cè)墻關(guān)鍵性斷面位置示意圖Fig.5 Sketch of key cross-sectional position in chamber floor and flank

圖6 關(guān)鍵性斷面及應力監(jiān)測點布置圖Fig.6 Arrangement of key cross-sectional stress measure points

圖7 側(cè)墻26 m高程時計算值與實測值比較Fig.7 Comparison of calculated and measured values in flank at height of 26 m

3 結(jié)語

建立考慮土體及施工過程的三維空間模型進行仿真分析，獲取土體對結(jié)構(gòu)的土壓力以及閘室結(jié)構(gòu)的應力分布情況，并與工程現(xiàn)場實測土壓力值以及閘室結(jié)構(gòu)應力進行對比分析，計算值與實測值接近，趨勢吻合，提高了閘室結(jié)構(gòu)計算的精確性和可靠性。同時也表明了預應力塢式閘室結(jié)構(gòu)在不同工況下受力狀態(tài)良好，能夠滿足船閘設計及船閘結(jié)構(gòu)運營要求。預應力塢式閘室結(jié)構(gòu)相比普通鋼筋混凝土塢式閘室結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)受力性能、結(jié)構(gòu)耐久性及工程造價方面都有顯著的優(yōu)越性。預應力塢式閘室結(jié)構(gòu)是船閘工程領(lǐng)域的一項創(chuàng)新性應用，將推動船閘工程乃至水工建筑領(lǐng)域邁向新的發(fā)展時期。

［1］梅國雄，宰金珉.考慮變形的朗肯土壓力模型［J］.巖石力學與工程學報，2001，20（6）：851－853.

MEI G X，ZAI J M.Rankine soil pressure model considering deformation［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（6）：851-853.

［2］盧國勝.考慮位移的土壓力計算方法［J］.巖土力學，2004，25（4）：586－589.

LU G S.Soil pressure calculation method considering deformation［J］.Journal of Geotechnical Engineering，2004，25（4）：586-589.

［3］屈鈞利，韓江水.工程結(jié)構(gòu)的有限元法［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，2004.

［4］江克斌，屠義強，邵飛.結(jié)構(gòu)分析有限元原理及ANSYS實現(xiàn)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［5］Saeed Moaveni.有限元分析——ANSYS理論與應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［6］祝效華，余志祥.ANSYS高級工程有限元分析范例精選［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

Three-dimensional numerical simulation analysis of high-side pier prestressed concrete dock-type chamber

LUO Mei-qing
（AnhuiΡrovincial Communications Survey and Design Institute，Hefei230011，China）

In order to analyze the force performance and calculation method of the high-side pier prestressed concrete dock-type chamber，the Yingshang lock project was taking as an example in this paper.Based on the three-dimensional finite element model,the wall backfill construction process was simulated accurately，and the soil pressure load acting on the lock wall was calculated.Then the structure deformation and stress distribution were further analyzed.A comparative analysis of finite element results and measured values shows that the two values are close and have the same trend.The results also show that the force performance of the prestressed concrete chamber structure can be effectively analyzed through three-dimensional finite element model while considering the interaction of soil and the chamber and simulating the wall backfill construction process.

high-side pier prestressed concrete dock-type chamber；three-dimensional numerical simulation analysis；comparative analysis；Yingshang lock project

U 641.3；O 242.1

A

1005-8443（2012）03-0236-05

2011-11-21；

2012-01-10

羅梅青（1964-），女，安徽省太湖人，高級工程師，主要從事水運工程設計研究工作。