利用ansys進(jìn)行水閘閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

劉成 曾鋼鋒 朱婷

【摘要】利用ansys有限元分析軟件對山頭涇新閘進(jìn)行三維有限元模型建立，可整體分析受力較為復(fù)雜的閘墩和底板的應(yīng)力大小及分布情況。該方法不僅為配筋計算提供了可靠的依據(jù)，同時可優(yōu)化結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計，節(jié)省大量結(jié)構(gòu)計算時間和精力投入，對于發(fā)展生產(chǎn)力、提高生產(chǎn)效率具有積極的作用。

【關(guān)鍵詞】水閘；ansys；應(yīng)力分析；配筋

在進(jìn)行水閘結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算時，通用的方法是將閘墩和底板分成兩個單獨(dú)部分分別計算，這種方法雖然簡單，但是很難全面反映水閘整體內(nèi)力效應(yīng)。根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001），第7.5.1條規(guī)定：水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析應(yīng)根據(jù)各分部結(jié)構(gòu)布置型式、尺寸及受力條件等進(jìn)行；第7.5.8條規(guī)定：受力條件復(fù)雜的大型水閘閘室結(jié)構(gòu)宜視為整體結(jié)構(gòu)采用空間有限單元法進(jìn)行應(yīng)力分析，必要時應(yīng)經(jīng)結(jié)構(gòu)試驗驗證。山頭涇新閘工程等別為Ⅲ等，主要建筑為3級，水閘孔徑1孔×20m，且水閘上部設(shè)有人行廊橋（拱橋），外部荷載情況較為復(fù)雜。因此有必要采用ansys有限元分析軟件建立此水閘三維有限元計算模型，以便整體分析閘墩和底板受力情況，為水閘結(jié)構(gòu)配筋提供準(zhǔn)確的內(nèi)力計算值。

1、 工程概況

山頭涇新閘工程位于黃巖區(qū)江口街道山頭金村南側(cè)安然山山腳處，是西江水系與金清水系的分界閘，東官河拓寬后，于原閘址南側(cè)28m山嘴處新建山頭涇新閘。工程由水閘主體部分及上下游引河兩部分組成，其中水閘主要建筑物包括：上游連接段、閘室段及下游連接段，總長58m；上下游引河為矩形斷面型式，總長221m。工程任務(wù)以防洪排澇、水環(huán)境改善為主，兼顧灌溉等綜合利用。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）、《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）等規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，確定本工程等別為Ⅲ等，主要建筑為3級。

山頭涇新閘采用平底板開敞式整體結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蛉L18.0m，凈寬20.0m（1孔×20m），底板頂高程-2.15m；閘底板采用C30鋼筋砼厚1.5m，邊墩厚1.5m。閘室設(shè)可傾倒鋼閘門一道，采用QHQ-2×500KN卷揚(yáng)式啟閉機(jī)啟閉。為連接兩岸交通，閘上設(shè)人行廊橋，橋面寬5.5m，橋長25m，橋梁為單跨C40鋼筋砼拱橋結(jié)構(gòu)。山頭涇新閘上游立視圖如圖1所示。

2、 基本設(shè)計參數(shù)

2.1 設(shè)計水位

金清水系正常水位1.60～1.80m（水閘下游側(cè)），西江水系正常水位2.40～2.60m（水閘上游側(cè)），20年一遇設(shè)計洪水位3.34m，50年一遇設(shè)計洪水位3.56m。

2.2 工程地質(zhì)參數(shù)

工程區(qū)地層以第四系沖海積沉積、坡殘積和沖洪積堆積物為主，地震基本烈度小于Ⅵ度。根據(jù)地質(zhì)探勘揭露，水閘閘室段基礎(chǔ)全部坐落于基巖上。各地層分布及參數(shù)詳見表1。

2.3 外部荷載

人群荷載：4.2kN/m2；

廊結(jié)構(gòu)荷載：每根立柱30kN。

3、 三維有限元結(jié)構(gòu)計算

3.1 模型的建立

利用ansys有限元分析軟件對山頭涇新閘閘室段進(jìn)行三維有限元模型建立。模型坐標(biāo)原點(diǎn)取水閘左側(cè)底板下游末端外側(cè)與基巖相交處，將沿水閘縱向軸線指向上游方向定為Y 軸，沿水閘橫向軸線指向右岸方向定為X 軸，垂直水閘底板向下定為Z 軸。具體模型見圖2。

3.2 計算結(jié)果

選取水閘最不利工況進(jìn)行有限元分析計算，將閘室所受外部荷載通過ansys有限元分析軟件加載至結(jié)構(gòu)對應(yīng)的部位上，分析得出水閘閘墩和底板的應(yīng)力大小及分布情況。水閘具體應(yīng)力分布見圖3～圖5。

從以上應(yīng)力分布圖可以看出，水閘閘墩最大拉應(yīng)力為0.31MPa，最大壓應(yīng)力為0.44MPa；水閘底板最大拉應(yīng)力為0.20MPa，最大壓應(yīng)力為0.23MPa；人行廊橋（拱橋）最大拉應(yīng)力為0.22MPa，最大壓應(yīng)力為0.89MPa。由三維有限元模型計算所得內(nèi)力值結(jié)果，按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL191-2008）中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋計算原則，即可進(jìn)行水閘閘室結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計。

4、結(jié)論

為全面、真實的反映水閘受力情況，本文一改以往采用的通用計算方法，而是將水閘閘室的閘墩、底板和地基作為整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，并采用ansys軟件建立閘室段整體三維有限元模型，選取水閘最不利工況，分析計算出閘室各結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)力大小及分布情況，進(jìn)而選取出最大應(yīng)力值進(jìn)行配筋計算。該方法不僅為水閘閘室結(jié)構(gòu)提供了可靠的配筋依據(jù)，亦能讓設(shè)計人員針對不同結(jié)構(gòu)部位的受力情況進(jìn)行水閘配筋優(yōu)化設(shè)計，同時與通用計算方法相比節(jié)省了大量的計算時間和精力投入，對于發(fā)展生產(chǎn)力、提高生產(chǎn)效率具有積極的作用。

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