基于ANSYS的孟家閘閘室穩(wěn)定有限元分析

馬 飛 馬兆會(huì) 李永春

（德州市水利勘察設(shè)計(jì)研究院 山東德州 253014)

1 工程概況

孟家攔河閘位于德州樂(lè)陵市孔鎮(zhèn)孟家村東馬頰河干流234+032里程處。該閘為鋼筋混凝土開敞式，共7孔，閘室總長(zhǎng)77.8m，基礎(chǔ)為小底板。直升式平板鋼閘門，閘門尺寸為10 m×6m，工程等別為Ⅲ等，建筑物級(jí)別為3級(jí)。設(shè)計(jì)防洪流量856m3/s，相應(yīng)閘上、下游水位分別為12.03、11.86m（黃海，下同)，排澇流量556m3/s，相應(yīng)閘上、下游水位分別為 10.37、10.26m，設(shè)計(jì)蓄水量655萬(wàn)m3，最大蓄水量930萬(wàn) m3，相應(yīng)閘上、游水位分別為 9.56、10.26m，年調(diào)節(jié)水量2800萬(wàn)m3。孟家閘自建成后已運(yùn)行40余年，擔(dān)負(fù)著防洪排澇以及沿河農(nóng)田灌溉的任務(wù)，為周邊地區(qū)人們的生、生活提供了安全保障，同時(shí)也緩解了水資源緊缺的矛盾，為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展提供了保證。根據(jù)SL214—98《水閘安全鑒定規(guī)定》及相關(guān)規(guī)范要求，2000年 8月山東省水利工程質(zhì)量檢測(cè)中心站對(duì)該閘進(jìn)行安全鑒定，評(píng)定該閘為三類病險(xiǎn)水閘。其中閘室存在的主要問(wèn)題包括：（1)混凝土碳化嚴(yán)重；（2)機(jī)架橋主梁豎向裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)安全極為不利；（3)水閘右岸滲流測(cè)試自電曲線相對(duì)異常值達(dá) 81mv，系嚴(yán)重滲流的反映，已產(chǎn)生滲透變形，對(duì)閘室及邊坡穩(wěn)定已構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2 計(jì)算工況、荷載及其組合

孟家閘順?biāo)鞣较蛟O(shè)置2cm厚的永久縫，計(jì)算單元為寬5.3m，長(zhǎng)14m的長(zhǎng)方形底板。本次分析只考慮非常運(yùn)用期，即上游最高擋水位10.26m，下游無(wú)水的最不利工況。

荷載計(jì)算包括完建期的底板自重、閘墩、閘門、交通橋、排架、機(jī)架橋、啟閉機(jī)，還包括最高擋水位時(shí)的水平水壓力、上游水重、揚(yáng)壓力、浪壓力、風(fēng)荷載。

3 閘室穩(wěn)定三維有限元分析

3.1 有限元模型的建立

ANSYS有限元分析軟件有著分析功能強(qiáng)大、操作方式簡(jiǎn)單、計(jì)算結(jié)果精確的特點(diǎn)。它可以模擬當(dāng)前工程中涉及的很多內(nèi)容。同時(shí)，可以從多角度體現(xiàn)模型狀態(tài)的三維可視建模方式能更加直觀的顯示工程情況。本文就是利用ANSYS軟件為計(jì)算分析平臺(tái)，將這種方法用于對(duì)病險(xiǎn)水閘閘室穩(wěn)定性進(jìn)行分析及應(yīng)用。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)閘室來(lái)說(shuō)，本文采用自底向上的方法創(chuàng)建幾何模型。

通過(guò)ANSYS有限元軟件中的“靜力分析”模塊，分析閘室在非常運(yùn)用期工況下的穩(wěn)定性。將材料按彈性介質(zhì)進(jìn)行處理，采用八結(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體solid45、solid65 單元模擬閘室結(jié)構(gòu)。

取閘底板頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，豎直向上為Y軸的正向，順?biāo)鞣较驗(yàn)閆軸的正向，垂直水流流向并指向左岸為X的正向。計(jì)算時(shí)取單孔一聯(lián)閘室結(jié)構(gòu), 按閘底板分縫建立單孔一聯(lián)有限元模型,即將閘底板、閘墩、交通橋、機(jī)架橋、啟閉機(jī)房以及地基建成整體三維模型。邊界條件為位移約束條件，約束全部加在土體上。下部邊界固定Y方向位移，順?biāo)飨騼蓚?cè)邊界固定X方向位移，垂直河流向兩側(cè)邊界固定Z方向位移。

為正確反映出閘室各構(gòu)件的實(shí)際工作狀態(tài)?？紤]各部件的受力特點(diǎn)，將閘門面板選為實(shí)體單元solid45，閘墩和閘底板選為實(shí)體單元solid65。分析閘室受力后的應(yīng)力、應(yīng)變情況，建模時(shí)略去次要結(jié)構(gòu)部分，只考慮了閘底板、閘墩、閘門等主要構(gòu)件。

垂直荷載加載在8個(gè)閘墩上，閘門主要受力為迎水面的靜水壓力和閘門自重。水壓力沿水深方向成三角形分布。閘門密度ρ=7850kg/m3，彈性模量取Es=2.06×1011N/m2，泊松比μ=0.3。閘墩、閘底板密度ρ=2400kg/m3，彈性模量取Es= 2.85×1 09N/m2，泊松比μ=0.3，采用混凝土本構(gòu)模型。劃分網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)為1，自由劃分。求解時(shí)采用靜力求解，大位移開啟，求解步控制最大為 100、最小為 1。建立有限元模型如圖1所示。

圖1 三維有限元模型圖

3.2 閘室穩(wěn)定靜力分析結(jié)果

（1)整個(gè)閘室結(jié)構(gòu)的最大位移為0.856mm，X方向最大位移為 0.04mm，分布在閘門與閘墩的上部交接處；Y方向最大位移為0.00125mm，分布在整個(gè)閘底板上；Z方向最大位移為0.00182mm，分布在閘底板及閘底板與閘墩、閘門三者的交界處。

（2)X方向最大拉應(yīng)力為 110.6kPa，位于閘門與閘墩的上部交接處，最大壓應(yīng)力為98.3kPa，位于閘門的中上部；Y方向最大拉應(yīng)力為 60.4kPa，位于閘墩上部，最大壓應(yīng)力為194.2kPa，位于閘門及閘墩的下部；Z方向最大拉應(yīng)力為 69.8kPa，位于閘門中部，最大壓應(yīng)力為56.2kPa，位于閘墩的底部。

4 結(jié)論

通過(guò)本文有限元模擬的結(jié)果可以得出：有限元分析能夠較好地模擬閘室穩(wěn)定性，較可靠地反映實(shí)際工程情況，同時(shí)也驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性，可用來(lái)作更深一步的分析。通過(guò)以上研究，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1)基底壓力的最大值與最小值之比不大于規(guī)定的容許值。該閘為3級(jí)建筑物，沿閘室底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值特殊組合時(shí)為1.10，模擬結(jié)果為2.37，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)定的容許值。閘室底板、閘墩等部位結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

（2)從計(jì)算結(jié)果可以看出，ANSYS有限元分析比傳統(tǒng)的計(jì)算方法更加直觀、簡(jiǎn)潔地反應(yīng)工程實(shí)際情況。同時(shí)，靜力分析能夠較好地反映水閘在最高擋水位工況下的受力、彈性變形等情況。

（3)通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明本文采用的簡(jiǎn)化模型及邊界條件合理可行，對(duì)今后實(shí)際工程的進(jìn)一步優(yōu)化、分析提供了一定的思路和方向。

1 滿廣生.水閘設(shè)計(jì)及閘室結(jié)構(gòu)的有限元分析[D].合肥∶合肥工業(yè)大學(xué)出版社, 2003.

2 劉斌.水閘閘室穩(wěn)定計(jì)算分析[J].中國(guó)水運(yùn),2010,10（8)：179-180.

3 任江龍.泄洪閘抗滑穩(wěn)定三維有限元分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(32)：113-114.