基于有限元船閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究

陳 敏,曹邱林

(揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225009)

基于有限元船閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究

陳 敏,曹邱林

(揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225009)

針對(duì)沭新河北船閘的工程實(shí)例,借助三維有限元分析軟件MSC.MARC對(duì)船閘上下閘首及閘室建立有限元模型,考慮船閘在運(yùn)行期中的各種工況,對(duì)船閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析,得出船閘上、下閘首及閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況,并對(duì)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力分析,從而對(duì)船閘的工作性態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)例分析表明,運(yùn)用三維有限元分析能適應(yīng)該船閘的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn),相對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算而言提高對(duì)該工程的計(jì)算效率和計(jì)算精度,且分析結(jié)果能較直觀、精確反映該建筑物整體強(qiáng)度狀況。

有限元;船閘;應(yīng)力分析;計(jì)算模型

1 問(wèn)題的提出

近年來(lái)船閘作為航運(yùn)開(kāi)發(fā)中十分重要的水工建筑物之一,進(jìn)入快速發(fā)展階段。船閘工程在施工及運(yùn)行期間由于地基、結(jié)構(gòu)、地下水位、閘室水位、墻后填土等各種因素的共同作用下,產(chǎn)生各個(gè)方向的拉、壓應(yīng)力。若拉、壓應(yīng)力超過(guò)構(gòu)件的允許值,船閘結(jié)構(gòu)就會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度不足而產(chǎn)生各種拉、壓破壞,直接影響工程的安全運(yùn)行。因此有必要對(duì)船閘結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況進(jìn)行分析研究。

由于常規(guī)計(jì)算方法無(wú)法全面的考慮到各種荷載的共同作用,因而有必要采用三維有限元軟件對(duì)其整體強(qiáng)度進(jìn)行研究分析。

2 計(jì)算原理和方法

為對(duì)船閘上、下閘首、閘室整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行全面的分析,采用三維有限元軟件對(duì)其整體強(qiáng)度進(jìn)行研究分析,并對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。有限元計(jì)算法是目前解決復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題最有效的數(shù)值方法之一。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的子域組成,對(duì)每一個(gè)單元假定一個(gè)合適的近似解,然后推導(dǎo)求解這個(gè)域的總的滿足條件。為了方便有限元分析,采用六面體單元模型。各種結(jié)構(gòu)離散成八節(jié)點(diǎn)六面體等參單元,單元之間通過(guò)有限個(gè)點(diǎn)連接起來(lái)。

八節(jié)點(diǎn)六面體單元為空間索氏族單元,是由標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)系中的立方體單元通過(guò)等參變換得到的。八節(jié)點(diǎn)立方體單元的自由度為24,位移插值模式為:

式中:-1≤ξ≤1,-1≤η≤1,-1≤ζ≤1;u,v,w為單元節(jié)點(diǎn)上定義有三個(gè)位移分量;ξi,ηi,ζi為單元節(jié)點(diǎn)在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

有限元的計(jì)算能適應(yīng)各種復(fù)雜變形和受力特點(diǎn),采用不同類型的單元進(jìn)行離散,以提高對(duì)工程問(wèn)題的計(jì)算效率和計(jì)算精度,因而成為行之有效的工程分析手段。

由于閘墩、底板、閘室墻、閘室墻底板結(jié)構(gòu)所用材料的剛度比地基土體剛度大,通常對(duì)鋼筋混凝土、漿砌石結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型,即廣義虎克定律。土的本構(gòu)模型采用Marc提供的彈塑性模型,把總的變形分成彈性變形和塑性變形兩部分,前者用虎克定律計(jì)算,后者用塑性理論求解。硬化規(guī)律采用各向同性的假定,流動(dòng)法則采用相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則,屈服準(zhǔn)則采用線性摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。根據(jù)船閘上下閘首的受力特點(diǎn),對(duì)于上閘首結(jié)構(gòu),將地基、底板、閘墩和上部混凝土結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體;對(duì)于閘室結(jié)構(gòu),將地基、底板、閘室墻作為一個(gè)整體;對(duì)于下閘首,將地基、底板、閘墩作為一個(gè)整體;考慮它們之間的相互作用,上下閘首底板和閘墩的材料不同;閘室墻底板和閘室墻的材料不同。對(duì)于不同材料間接觸考慮,利用Marc有限元程序里粘合模型定義體系的接觸表面,通過(guò)無(wú)相對(duì)滑動(dòng)的Glue功能和施加很大的分?jǐn)R力把地基、底板及閘墩結(jié)構(gòu)粘連起來(lái)如一個(gè)整體,物體之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)速度,接觸表面變形滿足連續(xù)條件[2]。各種結(jié)構(gòu)離散成八節(jié)點(diǎn)六面體單元等參單元,單元間通過(guò)有限個(gè)點(diǎn)連接起來(lái)[3]。所考慮的荷載按有關(guān)規(guī)范[4]進(jìn)行處理。

3 實(shí)例分析

本文結(jié)合江蘇省沭新河北船閘實(shí)例進(jìn)行有限元計(jì)算分析研究。

3.1 概況

沭新河北船閘位于沭陽(yáng)縣桑墟鎮(zhèn)友誼閘東側(cè),閘首凈寬10 m,最低通航水深2.5 m,閘室凈寬12 m,長(zhǎng)135 m。上閘首頂高程8.5m,閘底高程3.0 m。下閘首頂高程8.5 m,閘底高程-0.5 m。閘室墻頂高程8.5 m。閘室底高-0.5 m。上、下閘首采用混凝土與砌石混合結(jié)構(gòu),部分使用鋼筋混凝土,反拱底板分段澆注,以后封縫連成整體。墻身采用混凝土底板,衡重式漿砌塊石結(jié)構(gòu)。船閘輸水利用上、下閘首兩側(cè)閘墻寬度,布置輸水廊道,對(duì)沖消能。

3.2 計(jì)算模型及設(shè)計(jì)工況

(1)上閘首結(jié)構(gòu)計(jì)算模型:上閘首底板為混凝土反拱底板,閘首墩墻除采用漿砌塊石圬工結(jié)構(gòu),沿上、下游方向13 m。取上閘首整個(gè)底板、閘門檻、閘墩和一定范圍內(nèi)的地基(沿水平方向距底板兩端取24 m,沿深度方向取至10 m)作為計(jì)算結(jié)構(gòu)模型,剖分網(wǎng)格[5]。閘頂以上房屋、啟閉機(jī)等設(shè)備作為荷載作用在閘墩頂上,墻后填土作為土壓力作用在墻背和底板上,周邊填土作為邊荷載作用在地基上。由于考慮到了地基模型的尺寸范圍的選擇,故采用全約束[6]。坐標(biāo)系取為:零點(diǎn)設(shè)置在底板面和閘墩的接觸處,x軸垂直于水流方向指向右邊,z軸順?biāo)鞣较蛑赶蛳掠?y軸垂直指向上方。圖1為上閘首結(jié)構(gòu)空間有限元網(wǎng)格圖。其中單元總數(shù)為55 748個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)為64 296個(gè)。

圖1 上閘首有限元計(jì)算模型圖

對(duì)于上閘首計(jì)算模型取4種工況進(jìn)行分析計(jì)算。分別為上游水位7.5m,閘室內(nèi)水位2.0m的通航水位工況;上游水位6.0 m,閘室內(nèi)水位-0.5 m的檢修工況;通航水位下的地震順?biāo)鞣较蚬r和地震垂直水流工況。

(2)閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算模型:閘室墻為衡重式擋土墻,其中閘室墻底板為140#混凝土結(jié)構(gòu),蓋頂為100#混凝土結(jié)構(gòu),墻身為100#漿砌塊石圬工結(jié)構(gòu),閘室墻底板分塊長(zhǎng)度為22.98 m,每個(gè)分快中間設(shè)2 mm沉降縫。建模時(shí)沿上、下游方向取23 m,取閘室土基、兩邊閘室墻、和一定范圍內(nèi)的地基(沿水平方向距閘室墻底板兩端取16.4 m,沿深度方向取至-13.5 m)作為計(jì)算結(jié)構(gòu)模型,剖分網(wǎng)格。閘室墻自重作為荷載作用底板頂面上,墻前墻后水位作為水壓力荷載作用在閘室墻面,墻后填土作為土壓力作用在墻背和底板上,考慮地下水的作用,分為地下水位以上填土和地下水位以下填土兩部分,其中地下水位以上采用回填土的自然容重,地下水位以下采用回填土的飽和容重進(jìn)行計(jì)算并施加荷載,墻前后由水位差產(chǎn)生的浮托力作為荷載作用在閘室墻底板上,周邊填土作為邊荷載作用在地基上。由于考慮到了地基模型的尺寸范圍的選擇,故采用全約束。坐標(biāo)系取為:零點(diǎn)設(shè)置在閘室底面和閘室墻的接觸處,x軸垂直于水流方向指向右邊,z軸順?biāo)鞣较蛑赶蛳掠?y軸垂直指向上方。圖2為閘室結(jié)構(gòu)空間有限元網(wǎng)格圖。其中單元總數(shù)為,16 680個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)為20 848個(gè)。

圖2 閘室有限元計(jì)算模型圖

對(duì)于閘室計(jì)算模型取4種工況進(jìn)行分析計(jì)算。分別為墻前水位3.0 m,墻后水位5.0m的設(shè)計(jì)工況(上游高水位,下游排水管出口淹沒(méi)時(shí)地下水位);墻前水位0.0 m,墻后水位3.0 m(與墻后排水管同高地下水位)的校核工況;設(shè)計(jì)水位下的地震順?biāo)鞣较蚬r和地震垂直水流工況。

(3)下閘首結(jié)構(gòu)計(jì)算模型:下閘首底板為反拱底板,閘首墩墻除閘門門槽部位采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外,其它部位均采用漿砌塊石圬工結(jié)構(gòu)。沿上、下游方向10 m。取上閘首整個(gè)底板、閘門、閘墩和一定范圍內(nèi)的地基(沿水平方向距底板兩端取8 m,沿深度方向取至-10.0 m)作為計(jì)算結(jié)構(gòu)模型,剖分網(wǎng)格。閘頂以上排架、啟閉機(jī)等設(shè)備作為荷載作用在閘墩頂上,拱內(nèi)混凝土填料作為荷載作用在底板頂面上,墻后填土作為土壓力作用在墻背和底板上,周邊填土作為邊荷載作用在地基上。由于考慮到了地基模型的尺寸范圍的選擇,故采用全約束。坐標(biāo)系取為:零點(diǎn)設(shè)置在底板面和閘墩的接觸處,x軸垂直于水流方向指向右邊,y軸垂直指向上方,z軸順?biāo)鞣较蛑赶蛳掠巍D3為下閘首結(jié)構(gòu)空間有限元網(wǎng)格圖。其中單元總數(shù)為23 125個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)為26 814個(gè)。

圖3 下閘首有限元計(jì)算模型圖

對(duì)于下閘首計(jì)算模型取4種工況進(jìn)行分析計(jì)算。分別為閘室水位7.5m,下游水位2.0 m的通航水位工況;閘室內(nèi)水位-0.5 m,下游水位2.5 m的檢修工況;通航水位下的地震順?biāo)鞣较蚬r和地震垂直水流工況。

沭新河北船閘工程所處場(chǎng)地的地震動(dòng)峰值加速度為0.1g,相當(dāng)于地震基本烈度7度。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》SL203-97,地震烈度為7度時(shí),可用擬靜力法進(jìn)行抗震計(jì)算。地震荷載主要考慮地震慣性力、地震動(dòng)水壓力,采用擬靜力法計(jì)算出順河流方向與垂直水流方向的地震慣性力及地震動(dòng)水壓力。

對(duì)于上下閘首及閘室計(jì)算模型取以下4種荷載組合的工況進(jìn)行計(jì)算:①固定荷載+回填土荷載+通航水位(上、下閘首)/設(shè)計(jì)水位(閘室)+浪壓力(上、下閘首);②固定荷載+回填土荷載+檢修水位/校核水位;③固定荷載+回填土荷載+通航水位/設(shè)計(jì)水位+地震荷載(順?biāo)飨蛩降卣?;④固定荷載+回填土荷載+通航水位/設(shè)計(jì)水位+地震荷載(垂直水流向水平地震)。分別對(duì)上、下閘首、閘室結(jié)構(gòu)的四種工況進(jìn)行了空間有限元計(jì)算,求出了各種工況下結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的各點(diǎn)應(yīng)力情況,并對(duì)配筋結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行復(fù)核,不同荷載組合下的荷載分項(xiàng)系數(shù)以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力安全系數(shù)按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL191-2008取用。3.3 計(jì)算結(jié)果

上閘首在四種工況下的最大主應(yīng)力示意如圖4～圖7。

圖4 上閘首工況1最大主應(yīng)力分布圖

圖5 上閘首工況2最大主應(yīng)力分布圖

圖6 上閘首工況3最大主應(yīng)力分布圖

圖7 上閘首工況4最大主應(yīng)力分布圖

由此可以看出:上閘首在4種工況作用下,最大拉應(yīng)力σmax=1.168MPa,發(fā)生在閘底板和反拱底板交界處,最大壓應(yīng)力 σmax=0.635 MPa,發(fā)生在閘門門檻與閘墩接觸處。

上閘首各個(gè)工況下各構(gòu)件應(yīng)力見(jiàn)表1、各構(gòu)件配筋后承載力見(jiàn)表2。

表1 上閘首有限元應(yīng)力計(jì)算成果表

表2 上閘首結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算成果表

綜上所述:上閘首在四種工況的荷載作用下上閘首反拱底板、閘墩最大的拉、壓應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)相應(yīng)的材料的允許抗拉、壓應(yīng)力[7];上閘首閘底板、門檻、撐梁的最大拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉允許值,各構(gòu)件經(jīng)過(guò)配筋后承載能力基本滿足工程設(shè)計(jì)規(guī)范的要求[8],所以在這四種工況下,結(jié)構(gòu)都不會(huì)由于整體強(qiáng)度的不足而失去承載能力。

閘室在四種工況下的最大主應(yīng)力如圖8～圖11。

圖8 閘室工況1最大主應(yīng)力分布圖

圖9 閘室工況2最大主應(yīng)力分布圖

圖10 閘室工況3最大主應(yīng)力分布圖

圖11 閘室工況4最大主應(yīng)力分布圖

由上圖可以知,閘室在四種工況作用下,沿垂直水流方向,整個(gè)閘室墻基本受拉,其中在混凝土底板齒墻處拉應(yīng)力最大,最大拉應(yīng)力σx=0.56MPa,最大壓應(yīng)力σx=0.63 MPa發(fā)生在墻前混凝土底板和漿砌塊石閘室墻的交接處。沿豎直方向,整個(gè)閘室墻基本受壓,豎直方向最大拉應(yīng)力σy=0.37 MPa發(fā)生在墻后混凝土底板和漿砌塊石閘室墻的交接處,最大壓應(yīng)力σy=0.78 MPa發(fā)生在墻前混凝土底板和漿砌塊石閘室墻的交接接處。

綜上所述,閘室在四種工況的荷載作用下最大的拉、壓應(yīng)在力沒(méi)有超過(guò)相應(yīng)的材料的允許抗拉、壓應(yīng)力。在這四種工況下,結(jié)構(gòu)都不會(huì)由于整體強(qiáng)度的不足而失去承載能力。

下閘首在四種工況下的空間位移示意如圖12～圖15。

圖12 下閘首工況1最大主應(yīng)力分布圖

圖13 下閘首工況2最大主應(yīng)力分布圖

圖14 下閘首工況3最大主應(yīng)力分布圖

圖15 下閘首工況4最大主應(yīng)力分布圖

下閘首結(jié)構(gòu)在四種工況作用下應(yīng)力情況見(jiàn)表3,各構(gòu)件配筋后承載力見(jiàn)表4。

表3 下閘首有限元應(yīng)力計(jì)算成果表

表4 下閘首結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算成果表

綜上所述,下閘首在4種工況的荷載作用下,下閘首反拱底板、閘墩的最大拉、壓應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)相應(yīng)的材料的允許抗拉、壓應(yīng)力。下閘首閘底板、門檻的最大拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉允許值,各構(gòu)件經(jīng)過(guò)配筋后承載能力基本滿足設(shè)計(jì)要求,所以在這4種工況下,結(jié)構(gòu)都不會(huì)由于整體強(qiáng)度的不足而失去承載能力。

4 結(jié) 論

有限元計(jì)算法是目前解決復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題最有效的數(shù)值方法之一,它可以方便地處理各種復(fù)雜的幾何條件、物理?xiàng)l件和荷載條件。對(duì)于實(shí)際工程問(wèn)題,可以根據(jù)變形和受力特點(diǎn)的不同,采用不同類型的單元進(jìn)行離散,以提高對(duì)工程問(wèn)題的計(jì)算效率和計(jì)算精度[9]。

沭新河北船閘上下閘首、閘室在各種工況下未配筋構(gòu)件的最大拉壓應(yīng)力基本未超過(guò)其構(gòu)件材料的抗拉、壓應(yīng)力允許值,配筋構(gòu)件經(jīng)過(guò)配筋后結(jié)構(gòu)的承載能力滿足設(shè)計(jì)要求,結(jié)構(gòu)不會(huì)由于整體強(qiáng)度的不足而失去承載能力。

[1]馬永法,陳平龍,曹邱林.樁基礎(chǔ)水閘閘室結(jié)構(gòu)分析研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2011,9(4):42-45.

[2]張寶生.高度非線性有限元分析軟件Marc及在接觸分析中的應(yīng)用[J].應(yīng)用科技,2001,28(12):36-39.

[3]傅永華.有限元分析基礎(chǔ)[M].武昌:武漢大學(xué)出版社,2003:4-6.

[4]中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部.DL5077-1997.水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,1997:1-36.

[5]Gajanan M Sabnis.Structural modeling and experimental Techniques[M].Prentice-Hall,2003:11-12.

[6]李 君,鄭 彬,婁一青.基于MARC的水槽地基有限元靜動(dòng)力分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2008,6(2):100-102.

[7]中華人民共和國(guó)水利部.SL25-2006.砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006.

[8]中華人民共和國(guó)水利部.SL191-2008.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2009:11-13,36-37.

[9]孔慶陽(yáng),曹邱林.基于有限元的反拱底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2011,9(4):46-49.

Study and Analysis on Stress of Ship lock Structure Based on Finite Element

CHEN Min,CAO Qiu-lin
(College of Hydraulic Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou,Jiangsu225009,China)

Aimed at the engineering example of Shuxinhe's north ship lock and with the help of 3D finite element analysis softwareMSC.MARC,the models are set up to analyze the stress status of different ship lock structures under different operating conditions and obtain the stress distribution of the different ship lock structures.Then,the analysis on carrying capacity is made for part of the structure and the workability state of the ship lock is evaluated.The example analysis shows that 3D finite element analysis could adapt to the complex structures and stressing characteristics of the ship lock,and could improve the computational efficiency and accuracy of the project compared with the traditional calculation,at the same time,the analysis result could reflect the overall strength of the building more intuitively and precisely.

finite element;ship lock;stress analysis;calculation mode

TV691

A

1672—1144(2012)01—0114—06

2011-09-14

2011-10-20

江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(10KJD57001)

陳 敏(1990—),女(漢族),江蘇灌云人,碩士研究生,主要從事水工結(jié)構(gòu)工程研究。

曹邱林(1965—),男(漢族),江蘇南通人,副教授,主要從事水工結(jié)構(gòu)工程教學(xué)與研究。