邊荷載對(duì)護(hù)坦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響研究

張麗萍，董 雷，代 晴

(徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221000)

水閘、溢流堰等建筑物是水利工程中不可缺少的[1- 3]，作為上下游連接段的翼墻是上述建筑物的重要組成部分。在墻后會(huì)形成一定區(qū)域的填土，墻后的填土對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載稱為邊荷載[4]。

護(hù)坦位于泄水建筑物下游，用以保護(hù)河床免受水流沖刷或其他侵蝕破壞的剛性結(jié)構(gòu)設(shè)施。當(dāng)下泄水流采用底流消能時(shí)，護(hù)坦(或其一部分)常做成消力池型式，促使高速水流在消力池范圍內(nèi)產(chǎn)生水躍。由于護(hù)坦受力情況較復(fù)雜，又緊靠閘室或壩體，一旦破壞，直接影響閘壩安全[5- 7]。而邊荷載對(duì)底板結(jié)構(gòu)的影響較大[8]，因此有必要進(jìn)行邊荷載對(duì)護(hù)坦底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響的研究。

有限元法具有極大的通用性和靈活性，可以用來(lái)求解彈性力學(xué)中的各種復(fù)雜邊界條件。本文采用有限元法進(jìn)行模擬分析計(jì)算，能夠簡(jiǎn)化繁瑣的計(jì)算過程，很簡(jiǎn)便得到計(jì)算結(jié)果[9]。

采用有限元法進(jìn)行彈性力學(xué)分析時(shí)，首先需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，將計(jì)算區(qū)域劃分為有限個(gè)計(jì)算單元，單元之間只在結(jié)點(diǎn)上互相聯(lián)系，然后對(duì)計(jì)算單元進(jìn)行分析，根據(jù)基本方程和變分原理建立單元結(jié)點(diǎn)力和結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，最后整體計(jì)算分析，根據(jù)結(jié)點(diǎn)力平衡方程建立有限元方程，引進(jìn)邊界約束條件，解總體剛度方程求結(jié)點(diǎn)位移分量[10]。

1 模型構(gòu)建

1.1 模型構(gòu)建

本文研究邊荷載對(duì)護(hù)坦的影響，因此將護(hù)坦兩側(cè)的構(gòu)筑物簡(jiǎn)化為邊荷載，地基土按照彈性地基考慮，為滿足計(jì)算精度，地基土深度取10m深。

因各工程地質(zhì)條件不同，邊荷載作用大小不同，本文僅定性研究邊荷載對(duì)護(hù)坦結(jié)構(gòu)的影響，相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置如下：地基土彈性模量為1×105kPa、泊松比為0.3，護(hù)坦彈性模量為2.8×107kPa、泊松比為0.167，邊荷載為100kPa。

1.2 單元?jiǎng)澐?/h3>

將地基劃分為有限個(gè)三角形單元，三角形單元形狀應(yīng)盡量規(guī)則，內(nèi)角相差不應(yīng)太多。網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算結(jié)果精度越高，但是到一定程度后對(duì)結(jié)果精度的影響不太明顯。綜合考慮精度和計(jì)算能力，靠近底板的計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格宜密，遠(yuǎn)離底板的計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格宜疏，并使相鄰分區(qū)單元的邊界節(jié)點(diǎn)重合。

1.3 邊界條件

地基計(jì)算區(qū)域兩側(cè)取X方向約束，地基計(jì)算區(qū)域底部取X、Y方向約束。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 分縫數(shù)量對(duì)護(hù)坦結(jié)構(gòu)的影響

采用護(hù)坦寬10m、荷載作用范圍10m作為基本模型，計(jì)算分縫數(shù)量對(duì)護(hù)坦結(jié)構(gòu)的影響。主要分為以下4種計(jì)算工況：護(hù)坦不分縫(工況1)；護(hù)坦之間分一道縫(工況2)；護(hù)坦之間分兩道縫(工況3)；護(hù)坦之間分三道縫(工況4)。分縫寬度為2cm。

各工況中結(jié)合工程實(shí)際考慮了翼墻與護(hù)坦之間是否留2cm沉降縫，分為兩個(gè)子模型。計(jì)算結(jié)果如圖1—2所示。

圖2 分縫數(shù)量對(duì)護(hù)坦彎矩值影響分布圖

圖1 護(hù)坦最大彎矩值與分縫數(shù)量關(guān)系圖

通過圖1兩條趨勢(shì)線對(duì)比可知，護(hù)坦和翼墻之間留2cm縫可有效降低邊荷載對(duì)護(hù)坦的影響，可以看出降低幅度約為50%；通過對(duì)兩根趨勢(shì)線中不分縫的最大彎矩值與其他工況最大彎矩值對(duì)比可知，邊荷載對(duì)分縫護(hù)坦的影響程度明顯低于對(duì)不分縫護(hù)坦的影響。

對(duì)圖2中四個(gè)工況圖形對(duì)比可知，邊荷載對(duì)離荷載最近的一塊護(hù)坦彎矩影響最大，對(duì)于分縫護(hù)坦，最大彎矩值變化不大，且最大彎矩均出現(xiàn)在距邊荷載最近的一塊護(hù)坦上，對(duì)于分兩道以上縫的護(hù)坦，處于中間部位的護(hù)坦，其彎矩值與鄰近邊荷載護(hù)坦上的彎矩值相比可忽略不計(jì)。因此以下針對(duì)邊荷載對(duì)不分縫和分一道縫護(hù)坦的影響作進(jìn)一步研究。

2.2 邊荷載對(duì)不分縫護(hù)坦的影響

根據(jù)工程一般需要，將護(hù)坦寬度分為8、10、12、14、16m五組，根據(jù)邊荷載的作用范圍對(duì)護(hù)坦應(yīng)力影響不同，結(jié)合已有研究[11]，將邊荷載作用范圍分為5、10、15、20m四個(gè)系列。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不分縫護(hù)坦最大彎矩值趨勢(shì)圖

經(jīng)上述計(jì)算分析，邊荷載對(duì)不分縫護(hù)坦最大彎矩值的影響隨著護(hù)坦寬度的增加，先增大再減小，在護(hù)坦寬度10～12m時(shí)達(dá)到最大值。同時(shí)從計(jì)算結(jié)果可看出，邊荷載作用范圍超過10m后，作用范圍對(duì)護(hù)坦的彎矩影響幾乎沒有差別。

2.3 邊荷載對(duì)分一道縫護(hù)坦的影響

可將邊荷載對(duì)中間分一道縫的護(hù)坦的影響視作單邊荷載對(duì)臨近護(hù)坦的影響。將護(hù)坦寬度從12～32m，每間隔2m為一組，共11組，根據(jù)邊荷載的作用范圍對(duì)護(hù)坦應(yīng)力影響不同，將邊荷載作用范圍分為5、10、15、20m四個(gè)系列。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 分一道縫護(hù)坦最大彎矩趨勢(shì)圖

計(jì)算結(jié)果表明：護(hù)坦分一道縫的工況下，隨著護(hù)坦寬度的增加，最大彎矩值先變大，在護(hù)坦總寬度大于22m后逐漸趨于平緩。從計(jì)算結(jié)果可看出，在本模型條件下分縫后的護(hù)坦的彎矩值均未超過50kN·m；邊荷載作用范圍超過10m后，作用范圍對(duì)護(hù)坦的彎矩影響幾乎沒有差別。

3 結(jié)論

(1)翼墻與護(hù)坦之間留2cm的沉降縫，不僅能減少不均勻沉降帶來(lái)的危害，同時(shí)也能有效地減少邊荷載對(duì)護(hù)坦結(jié)構(gòu)的影響程度。

(2)邊荷載僅對(duì)鄰近邊荷載的護(hù)坦有顯著影響，對(duì)中間護(hù)坦幾乎無(wú)影響。

(3)護(hù)坦不分縫時(shí)，邊荷載對(duì)護(hù)坦最大彎矩值的影響隨著護(hù)坦寬度增加先增加再減小，在護(hù)坦寬度10～12m時(shí)達(dá)到最大值。

(4)單邊荷載對(duì)護(hù)坦最大彎矩值的影響規(guī)律是隨著護(hù)坦寬度的增加先增加后區(qū)域平緩。

(5)邊荷載作用范圍超過10m后，作用范圍的大小對(duì)護(hù)坦影響的差異很小。