浯溪口水利樞紐廠房段安裝間側(cè)閘墩有限元分析

劉 振,翟澤冰

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工結(jié)構(gòu)工程技術(shù)中心，江西 南昌 330029)

1 工程概況

浯溪口水利樞紐工程位于江西省蛟潭鎮(zhèn)境內(nèi)，距景德鎮(zhèn)40km，是潘陽湖水系昌江干流中游一座防洪為主，兼顧城市供水、引水發(fā)電和生態(tài)旅游等功能為一體的大(2)型水利工程[1]。水庫正常蓄水位56m，死水位45m，防洪限制水位50m，防洪高水位62.30m，總庫容4.747×108m3，電站裝機(jī)容量為32MW[2]。廠房段安裝間側(cè)閘墩結(jié)構(gòu)體型為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，為全面了解閘墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和變形性態(tài)，準(zhǔn)確掌握方案設(shè)計(jì)中應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，確保整個(gè)閘墩結(jié)構(gòu)在施工和運(yùn)行中具有較高安全可靠性[3]。文章運(yùn)用ANSYS有限元分析法，對(duì)安裝間側(cè)閘墩進(jìn)行全面的應(yīng)力和變形分析，掌握結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形分布規(guī)律，驗(yàn)證閘墩結(jié)構(gòu)型式的合理性，為結(jié)構(gòu)配筋提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)，確保設(shè)計(jì)方案與工程實(shí)際具備良好匹配性。

2 有限元數(shù)值分析方法

有限單元法是一種近似的數(shù)值分析方法，通過結(jié)構(gòu)體型的連續(xù)化離散化處理后，用結(jié)構(gòu)(彈性)力學(xué)對(duì)各單元進(jìn)行求解并耦合最終形成應(yīng)力和位移分布規(guī)律網(wǎng)絡(luò)圖[3]。根據(jù)結(jié)構(gòu)體型網(wǎng)絡(luò)劃分，將離散單元上的已知體力和面力經(jīng)靜力等效轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)上，形成網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)點(diǎn)的荷載。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的應(yīng)變矩陣[B]，利用彈性力學(xué)方程即可求得連續(xù)體結(jié)構(gòu)的位移變化{δ}e，具體函數(shù)表達(dá)為[4]：

{ε}e=[B]{δ}e

(1)

式中，{δ}e—網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的未知位移分量。

通過式(1)求得網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的位移變化值后，結(jié)合連續(xù)體結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣[S]和網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)單元彈性矩陣[D]，即可推求用網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)位移表達(dá)連續(xù)體的單元應(yīng)力，即：

{σ}e=[D]{ε}e=[D][B]{δ}e=[S]{δ}e

(2)

結(jié)合單元?jiǎng)偠染仃嘯k]e，根據(jù)最小勢能原理即可用結(jié)點(diǎn)位移推求結(jié)點(diǎn)應(yīng)力[5]，即：

{F}e=?[B]T[D][B]dxdydz{δ}e=[k]e{δ}e

(3)

經(jīng)逐個(gè)單元耦合疊即可獲得結(jié)構(gòu)剛度矩陣[K]、荷載列陣{F}和結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)位移列陣{δ}，即所謂結(jié)構(gòu)剛度方程[6]：

[K]{δ}={F}

(4)

3 有限元分析模型建立

3.1 物理力學(xué)參數(shù)

閘墩混凝土強(qiáng)度依據(jù)SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，閘墩采用C25，變形模量值Ec=2.8e4MPa，泊松比μc=0.167，密度采用2500kg/m3。閘墩機(jī)組側(cè)擴(kuò)展5m，模型總結(jié)點(diǎn)數(shù)為3832個(gè)，單元總數(shù)為16469個(gè)。閘墩底部采用全約束，安裝間側(cè)自由，機(jī)組側(cè)約束水平向位移。閘墩止水前水位為校核洪水位64.30m，止水后外側(cè)水位為22.60m。

3.2 有限元計(jì)算網(wǎng)格設(shè)置

根據(jù)浯溪口水利樞紐工程實(shí)際地質(zhì)條件，有限元計(jì)算模型為廠房段安裝間側(cè)閘墩[8]。有限元計(jì)算坐標(biāo)系定義：X軸：順河向，由上游水平指向下游，0點(diǎn)為壩軸線；Y軸：橫河向，沿壩軸線由左岸水平指向右岸，0點(diǎn)為閘墩外側(cè)；Z軸：鉛直向上，底板頂部高程22.605。按1∶1比尺，建立在自重及水力作用下的應(yīng)力場及變形性態(tài)分析的有限元分析模型和約束布置網(wǎng)格圖，如圖1—2所示。

圖1 閘墩有限元計(jì)算網(wǎng)格

圖2 約束布置圖

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 閘墩應(yīng)力變形仿真成果

在自重及水力作用下，計(jì)算了閘墩每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力和位移值[9]。經(jīng)ANSYS分析計(jì)算獲得閘墩水壓力、Z方向應(yīng)力、第一主應(yīng)力和位移變形，分別如圖3—6所示。

圖3 水壓力圖

圖4 Z方向應(yīng)力圖

圖5 第一主應(yīng)力圖

圖6 總位移圖

4.2 計(jì)算結(jié)果分析結(jié)論

閘墩頂部橫向變形最大絕對(duì)值為4.38mm，基本不會(huì)影響弧形閘門的正常啟/閉運(yùn)行[10]。在閘墩底部很小區(qū)域內(nèi)有2.13MPa劇烈變化的拉應(yīng)力，屬于局部應(yīng)力，不會(huì)對(duì)閘墩結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性帶來較大影響，結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定性較高。閘墩特征點(diǎn)應(yīng)力參數(shù)，見表1。

表1 閘墩特征點(diǎn)應(yīng)力表

由表1可知，高程22.605m平面最大第一主應(yīng)力為2.13MPa，Z向應(yīng)力為1.66MPa，均出現(xiàn)在閘墩上部頂側(cè)，但均未超過C25混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，閘墩整體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

5 結(jié)論

廠房段安裝間側(cè)閘墩結(jié)構(gòu)體型有限元分析，不僅可以全面掌握閘墩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形位移數(shù)值，同時(shí)通過詳實(shí)應(yīng)力和位移圖形分析，使設(shè)計(jì)人員能直觀地認(rèn)識(shí)閘墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移變化規(guī)律，準(zhǔn)確掌握設(shè)計(jì)控制的關(guān)鍵點(diǎn)。從ANSYS有限元分析結(jié)果得出如下結(jié)論：

(1)浯溪口水利樞紐工程廠房段安裝間側(cè)閘墩結(jié)構(gòu)體型和尺寸參數(shù)的擬定是合理的，能夠確保結(jié)構(gòu)施工和運(yùn)行期具備較高安全穩(wěn)定性。

(2)閘墩第一主應(yīng)力、Z向應(yīng)力均出現(xiàn)在上部頂側(cè)，在體型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)配筋時(shí)，應(yīng)將自重條件下頂側(cè)結(jié)構(gòu)作為控制對(duì)象。

應(yīng)力和變形分析是閘墩結(jié)構(gòu)配筋研究的關(guān)鍵內(nèi)容，也是工程施工期和運(yùn)行期能否杜絕或減少結(jié)構(gòu)裂縫的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。除此之外，在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中還需考慮運(yùn)行期等特殊工況的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形分析，確保閘墩結(jié)構(gòu)體型具備良好安全穩(wěn)定性。