有限元法在混合式閘室墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用

張京娥

摘要：在高水頭船閘中，運(yùn)用襯砌式混合結(jié)構(gòu)閘室墻結(jié)構(gòu)作為船閘閘室墻的比較少，對于這種結(jié)構(gòu)閘室墻在高水頭情況下運(yùn)用的有限元法進(jìn)行設(shè)計(jì)還沒有形成完整的理論，本文通過對這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，闡述了有限元法在混合式閘室墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：船閘、混合結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

船閘是用水力直接提升船舶過壩以克服航道上集中水位差而設(shè)置的一種通航建筑物，根據(jù)船閘所處的地質(zhì)條件，選擇不同的閘室墻結(jié)構(gòu)，而混合式閘室墻一般用于開挖巖石山體中，當(dāng)巖面處于墻高的中部時(shí)，就可采用混合式閘室墻結(jié)構(gòu)，混合式閘室墻上部為重力式結(jié)構(gòu)，下部采用襯砌式結(jié)構(gòu)。目前在工程設(shè)計(jì)中，一般假設(shè)上部重力墻和下部襯砌墻為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行穩(wěn)定性、強(qiáng)度和地基承載力驗(yàn)算，但是對于不同地質(zhì)條件下上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間的作用力、地基和周圍巖體與墻體結(jié)構(gòu)之間的作用力尚不完全明確，因此基于有限元軟件針對不同“接觸”非線性問題，有許多功能強(qiáng)大、靈活多變的接觸面模擬功能，相較于傳統(tǒng)的分析方法在解決復(fù)雜接觸問題時(shí)具有更多的優(yōu)勢。

1 船閘閘室結(jié)構(gòu)有限元模型

船閘結(jié)構(gòu)全部或者部分埋置在土中，受到很大的水壓力作用，周圍巖土體對船閘結(jié)構(gòu)具有約束作用。在兩者相互作用下，其結(jié)構(gòu)的響應(yīng)不同于地面上的自由結(jié)構(gòu)。而混合式閘室墻一般采用整體式結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)方法計(jì)算中是將空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題，按固定于底板上的的懸臂梁進(jìn)行計(jì)算并且計(jì)算高度不大于25m，一般按材料力學(xué)偏心受壓公式計(jì)算內(nèi)力；運(yùn)用有限元法進(jìn)行混合式船閘閘室墻結(jié)構(gòu)計(jì)算，可將采用非線性有限元方法，借助大型有限元軟件建立回填土-船閘閘墻結(jié)構(gòu)-巖基整體有限元模型，分析不同工況下混合式船閘閘墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特征，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得出相應(yīng)結(jié)論，為高邊坡混合式船閘閘墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。

2 船閘結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響因子

通過有限元法建立船閘閘室的計(jì)算模型，首先考慮不同工況下作用于閘室墻結(jié)構(gòu)上的荷載作用，同時(shí)要分析閘室墻與巖基之間的接觸應(yīng)力，選擇必要和合理的有限元計(jì)算范圍，對于巖基與閘室之間的作用區(qū)域如何將其荷載準(zhǔn)確地?cái)M合在有限元模型上對于計(jì)算結(jié)果是非常重要的。同時(shí)在混合式閘室墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可能會運(yùn)用廣義Hooke定律；土體材料本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulormb模型等，因此在因地制宜地采取不同的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，對于不同的結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化對有限元模型計(jì)算結(jié)果的影響。例如：閘墻背與垂直線的夾角α；填土的內(nèi)摩擦角φ，閘墻背與土的摩擦角δ，填土表面與水平面所成夾角等。可以從上述的參數(shù)考慮不同的參數(shù)對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及地基的承載力的影響。

3 有限元法計(jì)算的荷載及邊界

混合式船閘在計(jì)算時(shí)主要計(jì)算正常運(yùn)行工況、完建工況，檢修工況、設(shè)計(jì)洪水工況、校核洪水工況的荷載組合，各個(gè)工況下施加于于有限元模型的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、土體自重、土體土壓力，上部荷載的土壓力，閘室內(nèi)的靜水壓力，閘室底板上的浮托力以及通過船閘船舶的系纜力，在有限元法計(jì)算時(shí)根據(jù)不同的工況將相應(yīng)的荷載模擬在有限元模型上，并根據(jù)應(yīng)力及應(yīng)變云圖得出不同工況下閘室墻結(jié)構(gòu)斷面各個(gè)部位的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，通過對各個(gè)工況下計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，可得出應(yīng)力應(yīng)變的最大及最小值點(diǎn)，根據(jù)以往工程實(shí)踐以及有限元方法建立模型的計(jì)算可知正常運(yùn)行及完建工況比較有代表性。正常工況下墻后回填料易發(fā)生不均勻沉降，因此在設(shè)計(jì)和施工過程中要注意對回填料的壓實(shí)強(qiáng)夯，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在擋墻前趾及底板上且應(yīng)力值偏大，考慮配筋或加大截面尺寸解決解決。完建工況與正常工況相似。

混合式結(jié)構(gòu)閘室墻下部為襯砌式結(jié)構(gòu)，由于錨桿的作用，需要研究其和巖石相互作用以及不同錨固長度、自由長度、錨筋數(shù)量、錨筋排列方式、錨桿和巖體及混凝土的作用力等對閘室墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，在用有限元法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可將錨桿作為桿件單元，同時(shí)要準(zhǔn)確地定義彈性模量E，泊松比ν等材料參數(shù)，同時(shí)也應(yīng)根據(jù)所建有限元模型建立適合于本模型的材料庫。

結(jié)語

通過以上論述可知對于高邊坡的混合式船閘，運(yùn)用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算具有以下優(yōu)點(diǎn)：

對于混合式閘室墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)和地質(zhì)情況比較復(fù)雜，有限元方法能很好地反映閘室墻結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的受力特征，根據(jù)有限元法計(jì)算的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果有助于結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化，為工程帶來更大地經(jīng)濟(jì)效益。與傳統(tǒng)的解析法相比，有限元法能更好地反應(yīng)出局部應(yīng)力應(yīng)變分布情況，為結(jié)構(gòu)局部配筋提供依據(jù)。

一般結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，應(yīng)力分布會比之前更加均勻。而且結(jié)構(gòu)尺寸會比之前更小，不僅節(jié)省材料，提高經(jīng)濟(jì)效益，而且加快了施工進(jìn)度。

由于閘室墻所處的環(huán)境，周圍巖體的滲流對閘室墻的作用在所難免，嚴(yán)重影響著構(gòu)筑物的安全與造價(jià)，傳統(tǒng)的有限元法較難確定浸潤面的位置，例如運(yùn)用ABAQUS/Standard非飽和土力學(xué)理論，將整個(gè)區(qū)域用固定網(wǎng)格求解，具有很大的簡便性及精度。

另外通過大量的有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算表明，與其它結(jié)構(gòu)形式相比，襯砌式結(jié)構(gòu)可以節(jié)省大量建設(shè)費(fèi)用，施工也相對簡單，在工程地質(zhì)條件適宜的地區(qū)宜優(yōu)先考慮！

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