“井”字形梁格式底板水閘三維有限元分析

魏　娟，唐新軍，俞　偉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

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“井”字形梁格式底板水閘三維有限元分析

魏娟，唐新軍，俞偉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

結(jié)合建設(shè)在粉砂地基上的“井”字形梁格式底板水閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用ABAQUS有限元法對(duì)其閘室的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及其分布規(guī)律進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：完建、擋水和過水三種計(jì)算工況下，“井”字梁格式底板在橫梁與縱梁Ⅱ交叉部位的彎矩值和剪力值最大；橋柱3(4)底部?jī)?nèi)表面所受的拉應(yīng)力最大；在不同彈性模量粉砂地基上“井”字形梁格式底板水閘的適應(yīng)性較好。

水閘；“井”字形梁格式底板；有限元法；內(nèi)力；地基彈性模量

建在新疆南疆地區(qū)粉砂地基上的寶浪蘇木分水閘是一種特殊結(jié)構(gòu)水閘[1]，該閘的外形見圖1、圖2，其每個(gè)閘室單元的結(jié)構(gòu)情況見圖3、圖4。它的閘墩布置在閘室上游兩側(cè)，與閘底板之間設(shè)縫，使閘墩與閘室底板分離，閘墩的上部設(shè)置閘門槽、油壓?jiǎn)㈤]機(jī)。在垂直水流方向上設(shè)置了3道底縱梁，順?biāo)鞣较蛟O(shè)置了2道底橫梁，縱、橫底梁等用于啟閉閘門，下部設(shè)置灌注樁插入粉砂地基[2]，上部荷載通過閘墩分離板傳遞給底部的灌注樁，閘墩不僅起到了承受上部荷載的作用，而且也起到了分隔閘孔的作用；它的閘室底板采用“井”字形梁格式結(jié)構(gòu)，每個(gè)閘室單元的底板成了一個(gè)“井”字形梁格框架結(jié)構(gòu)。

圖1　寶浪蘇木分水樞紐右岸下游側(cè)示意圖

圖2　寶浪蘇木分水樞紐左岸上游側(cè)示意圖

圖3　“井”字形梁格式底板水閘結(jié)構(gòu)示意圖

圖4“井”字形梁格式底板三維圖

閘門承受的上游水平水壓力通過閘門下游設(shè)置的滾輪傳遞給上游魚嘴形2根橋柱上(橋柱1、橋柱2)，橋柱承受交通橋結(jié)構(gòu)的重力、閘門擋水時(shí)的水平推力及外部活荷載直接通過四根橋柱傳遞到底板的梁格交點(diǎn)處，最后通過底部“井”字形梁格框架體系將荷載傳遞給地基。

這種特殊結(jié)構(gòu)水閘設(shè)計(jì)巧妙，造型美觀，啟閉形式靈巧[1]，相對(duì)傳統(tǒng)的平板式底板水閘節(jié)省了閘室鋼筋混凝土的用量，但由于這種“井”字形梁格式底板水閘的閘室結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，目前尚未形成一整套完整的內(nèi)力計(jì)算方法，在一定程度上影響了這種特殊結(jié)構(gòu)形式水閘在新疆粉砂類地基上的應(yīng)用與推廣。本文結(jié)合這種水閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用有限元法[3-5]對(duì)其閘室的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及其分布規(guī)律進(jìn)行分析，以期為此類特殊結(jié)構(gòu)水閘的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

1　“井”字形梁格式底板水閘三維模型的建立

“井”字形梁格式底板水閘閘室單元的的底梁、底板、閘墩、橋柱均為C25混凝土。為了提高粉細(xì)砂地基的承載力，對(duì)閘墩分離板下位置處的粉砂地基采用C20混凝土灌注樁進(jìn)行了處理，閘室與粉砂地基之間采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.6，灌注樁與粉砂地基之間設(shè)置了薄層單元接觸[6-8]?！熬弊中瘟焊袷降装逅l閘室單元的三維模型各部分的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1　“井”字形梁格式底板水閘閘室單元三維模型計(jì)算參數(shù)

取一個(gè)閘室單元作為分析計(jì)算對(duì)象，“井”字形梁格式底板水閘閘室單元的地基寬度(垂直水流方向)取閘室寬度的2倍，地基深度(垂直向)取閘閘室高度的3倍，地基長(zhǎng)度(順?biāo)鞣较?向上、下游方向各延伸閘室高度的3倍[9]。邊界條件采用位移約束，坐標(biāo)系選取順河向?yàn)閤方向，垂直水流向?yàn)閥方向，豎向?yàn)閦方向[10]。閘室結(jié)構(gòu)和粉砂地基的網(wǎng)格劃分主要采用六面體單元[11-12]，局部采用四面體和楔形體單元[13-14]，整個(gè)模型的總節(jié)點(diǎn)數(shù)為90 407個(gè)，單元數(shù)為83 380個(gè)，該水閘閘室單元的三維計(jì)算模型見圖5。

“井”字形梁格式底板水閘的閘底板高程為1 058.20 m，設(shè)計(jì)水位1 061.00 m，閘前水深為2.8 m；校核洪水位1 061.30 m，閘前水深為3.1 m。在完建工況(無水情況)下只考慮閘室結(jié)構(gòu)的自重荷載，未考慮交通橋上活荷載；擋水工況(設(shè)計(jì)水位)下閘門擋水，不僅考慮上部閘室的自重荷載，還要考慮上游水壓力形成的水平荷載；過水工況(校核水位)下考慮了閘室自重荷載和底板上水重。

圖5“井”字形梁格式底板水閘閘室單元的三維計(jì)算模型

2　“井”字形梁格式底板水閘的有限元分析

采用有限元法計(jì)算“井”字形梁格式底板水閘在完建工況、擋水工況、過水工況下閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、“井”字形梁格系統(tǒng)中各梁的內(nèi)力、橋柱的內(nèi)力以及分析地基彈性模量對(duì)井”字形梁格式底板應(yīng)力的影響。

2.1“井”字形梁格式底板及橋柱的應(yīng)力分析

“井”字形梁格式底板在擋水工況下的大主應(yīng)力和小主應(yīng)力分布分別見圖6和圖7。由圖6、圖7可以看出，橫梁底部和縱梁Ⅱ底部相交的邊角部位的拉應(yīng)力最大為1.47 MPa，橫梁底部和縱梁Ⅲ底部相交的邊角部位最大拉應(yīng)力為1.26 MPa；縱梁Ⅲ頂部表面(橋柱3、橋柱4底部的位置)的壓應(yīng)力最大為-1.92 MPa。

圖6“井”字形梁格式底板大主應(yīng)力等值線云圖(單位：MPa)

橋柱在擋水工況下的大主應(yīng)力和小主應(yīng)力分布分別見圖8和圖9。由圖8、圖9可以看出，橋柱3(4)底部?jī)?nèi)表面的拉應(yīng)力最大為1.38 MPa；橋柱3(4)頂部?jī)?nèi)表面的壓應(yīng)力最大為-3.28 MPa；橋柱1(2)底部?jī)?nèi)表面和頂部外表面的最大拉應(yīng)力為0.5 MPa。

圖7　“井”字形梁格式底板小主應(yīng)力等值線云圖(單位：MPa)

圖8　橋柱大主應(yīng)力等值線云圖(單位：MPa)

圖9橋柱小主應(yīng)力等值線云圖(單位：MPa)

將“井”字形梁格式底板和橋柱在其它工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果列于表2中。由表2可知，“井”字形梁格式底板的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均在過水工況下最大，這是由于過水工況下，“井”字形梁格式底板受到豎向的水荷載壓力最大；橋柱的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均在擋水工況下最大，這是由于擋水時(shí)橋柱受到向下游的水平推力作用?？傮w來看，“井”字形梁格式底板和橋柱的拉應(yīng)力不大，能夠滿足混凝土的允許應(yīng)力[15]要求。

表2　各工況下“井”字形梁格式底板水閘

2.2“井”字形梁格式底板的內(nèi)力分析

對(duì)“井”字形梁格式底板各梁的彎矩值和剪力值進(jìn)行計(jì)算[16]，“井”字形梁水平放置于地基上，在三種工況下，橫梁、縱梁Ⅰ、縱梁Ⅱ和縱梁Ⅲ在垂直于水平方向的彎矩M和剪力Q的分布情況見圖10、圖11(注：“井”字形梁的各截面彎矩值底部受拉為正，頂部受拉為負(fù)；截面剪力值順時(shí)針為正,逆時(shí)針為負(fù))。由圖10、圖11可以看出，在三種計(jì)算工況下，橫梁和縱梁Ⅱ、縱梁Ⅲ的彎矩值和剪力值均在梁的交叉部位最大；縱梁Ⅰ在梁的跨中截面彎矩值最大，在與橫梁交叉處的剪力值最大。三種工況相比較，過水工況各梁所受的內(nèi)力值最大，縱梁Ⅲ的最大彎矩值為322.3 kN·m，最大剪力值為206.4 kN，縱梁Ⅱ的最大彎矩值為256.4 kN·m，縱梁Ⅰ的最大彎矩值為145.8 kN·m，橫梁的最大彎矩值為163.1 kN·m，在對(duì)“井”字形梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)橫梁和縱梁的交叉部位加強(qiáng)配筋。

2.3橋柱的內(nèi)力分析

“井”字形梁格式底板水閘的橋柱在三種工況下的彎矩M計(jì)算結(jié)果見圖12、剪力Q計(jì)算結(jié)果見圖13。在三種計(jì)算工況下，橋柱1(2)在R下截面外表面和H上、G下截面內(nèi)表面受拉，橋柱3(4)在D上截面內(nèi)表面和T下截面外表面受拉，交通橋橫梁在R右、T左截面上表面和O截面下表面受拉，彎矩?cái)?shù)值較為相近。橋柱1(2)底部的A上截面在完建工況和過水工況下內(nèi)表面受拉，在擋水工況下A上截面的外表面受拉，剪力值在橋柱H截面處變化也較大。擋水工況下橋柱3(4)底部D上截面最大彎矩值為173 kN·m，在交通橋橫梁的R右、T左截面和橋柱的A上、D上、H下、R下、T下截面上最大剪力值為102 kN。在對(duì)橋柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)交通橋橫梁的T左截面、橋柱3(4)頂部的T下截面外表面及橋柱3(4)底部的D上截面內(nèi)表面等加強(qiáng)配筋。

圖10　各工況下“井”字梁截面豎向彎矩圖(M/(kN·m))

圖11各工況下“井”字梁截面豎向剪力圖(Q/kN)

2.4地基彈性模量對(duì)“井”字形梁格式底板應(yīng)力的影響

實(shí)際工程中，粉砂地基不同的彈性模量對(duì)“井”字形梁格式底板及橋柱應(yīng)力分布會(huì)有一定的影響，以完建工況下的“井”字形梁格式底板水閘為分析對(duì)象，當(dāng)?shù)鼗鶑椥阅Ａ糠謩e取10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa時(shí)，橫梁與縱梁Ⅱ交叉點(diǎn)倒角(A點(diǎn))的拉應(yīng)力，縱梁Ⅲ上表面(橋柱3底部)一點(diǎn)(B點(diǎn))的壓應(yīng)力的關(guān)系曲線見圖14。

圖13　各工況下橋柱的剪力圖(Q/kN)

圖14地基彈模與“井”字形梁格式底板應(yīng)力關(guān)系曲線

由圖14可以看出，隨著粉砂地基彈性模量取值的增加，“井”字形梁格式底板的橫梁與縱梁交叉點(diǎn)邊角(A點(diǎn))的拉應(yīng)力逐漸減小，但是變化梯度較小，B點(diǎn)的壓應(yīng)力隨彈性模量的增大而增大，但變化幅度較小，可說明在不同彈性模量粉砂地基上“井”字形梁格式底板水閘結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性較好。

3　結(jié)　論

(1) 水閘底板采用“井”字形梁格式底板，閘墩與底板間分縫，底板不承受閘墩的重力荷載。閘門啟閉方式采用油壓?jiǎn)㈤]機(jī)。交通橋橋柱設(shè)置在縱、橫梁的交點(diǎn)處，底板通過“井”字梁系把上部荷載更均勻地傳遞給地基，這種特殊的水閘具有設(shè)計(jì)巧妙、造型美觀，鋼筋混凝土用量少等優(yōu)點(diǎn)。

(2) 在三種計(jì)算工況下，井”字形梁的橫梁和縱梁Ⅱ、縱梁Ⅲ截面豎向的彎矩值和剪力值均在梁的交叉部位最大；縱梁Ⅰ在梁的跨中截面豎向的彎矩值最大，在與橫梁交叉處豎向的剪力值最大。三種工況相比較，過水工況各梁所受的內(nèi)力值最大，在對(duì)“井”字形梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)橫梁和縱梁的交叉部位加強(qiáng)配筋。

(3) 在三種計(jì)算工況下，橋柱1(2)在R下截面外表面和H上、G下截面內(nèi)表面受拉，橋柱3(4)在D上截面內(nèi)表面和T下截面外表面受拉，交通橋橫梁在R右、T左截面上表面和O截面下表面受拉，彎矩?cái)?shù)值較為相近。橋柱1(2)底部的A上截面在完建工況和過水工況下內(nèi)表面受拉，在擋水工況下A上截面的外表面受拉，在對(duì)橋柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)交通橋橫梁的T左截面、橋柱3(4)頂部的T下截面及橋柱3(4)底部的D上截面等加強(qiáng)配筋。

(4) 通過有限元法對(duì)該閘室下不同地基彈性模量的模擬計(jì)算，結(jié)果表明，當(dāng)?shù)鼗鶑椥阅Ａ吭谝欢ǚ秶鷥?nèi)變化時(shí)，該閘室結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化并不明顯。說明在不同彈性模量的粉砂地基上“井”字形梁格式底板水閘結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性較好。

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Three Dimensional Finite Element Analysis of the Jing Form Bottom Board Sluice

WEI Juan, TANG Xinjun, YU Wei

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

Combined with the structure design features constructed on jing shaped beam grid bottom board sluice of silty sand foundation, we use the finite element method to analyze the chamber’s structure internal force and its distribution rules. Analysis results showed that under three kinds of calculation conditions, the bending moment value and shear value of jing shaped sluice gate in the cross site of cross beam and the longitudinal beam II, and the bottom surface of the bridge column 3 (4) bears the maximum tensile stress. The jing shaped sluice bottom board on silty sand foundations with different elastic modulus of the foundation has good adaptability.

water gate; jing shaped beam grid bottom board sluice; finite element method; internal force; elastic modulus of the foundation.

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.029

2016-05-01

2016-06-05

魏娟(1988—)，女，江蘇邳州人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論。 E-mail: 1637383495@qq.com

唐新軍(1959—)，男，陜西蒲城人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程理論教學(xué)與科研工作。 E-mail: tangxj59@163.com

TV662

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1672—1144(2016)04—0147—05