基于ABAQUS的水閘閘首段卸荷式擋土結(jié)構(gòu)模型分析

李忠彥

(桓仁滿族自治縣水務(wù)局，遼寧 桓仁 117200)

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來越多的大型建筑物得以建造。在大型建筑物(如碼頭、港口建筑物、高層建筑等)的施工過程中，地下連續(xù)墻[1-3]作為一種可靠的地基處理技術(shù)被越來越多的運(yùn)用。ABAQUS作為一種具有極其強(qiáng)大功能的通用大型商業(yè)有限元分析軟件，在分析解決靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、線性、非線性等問題，具有耗時(shí)少、效率高的特點(diǎn)。本文基于ABAQUS軟件，通過對某閘首段卸荷式擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、數(shù)值計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力和變形[4-6]進(jìn)行了相關(guān)分析，得出結(jié)構(gòu)上的最大拉應(yīng)力與沉降量均增加，最大水平位移相對減少以及“L”形地連墻兩墻接觸部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)論，與實(shí)際真實(shí)情況比較接近，可用于指導(dǎo)實(shí)際施工。

1 工程概況

該閘為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共9孔，單孔凈寬4.0 m，閘身總寬44.0 m，閘長126.5 m，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為排澇20 a一遇，設(shè)計(jì)流量為352 m3/s。采用鋼質(zhì)平面直升門，裝配10 t螺桿式啟閉機(jī)9臺。期間對該閘進(jìn)行了加固，主要內(nèi)容有：岸翼墻滲水處理，閘身穩(wěn)定加固，翼墻穩(wěn)定加固，混凝土碳化處理，閘門止水全部更換，9臺啟閉機(jī)及其電機(jī)全部更換，更換閘上9臺開關(guān)柜與1臺GGD控制柜、動(dòng)力線路，啟閉機(jī)房修繕等。

該閘主要作用是排泄，還可以輸送部分航運(yùn)水，以利水路運(yùn)輸。該閘自運(yùn)行以來，較好地發(fā)揮了防洪、灌溉、排澇等設(shè)計(jì)效益。

2 計(jì)算模型

按照設(shè)計(jì)資料建立該水閘閘首段段整體卸荷式地連墻有限元模型。模擬尺寸取值為：垂直水流方向側(cè)長42.5 m，順?biāo)鞣较蜷l首長24.5 m，總高12.0 m。劃分網(wǎng)格時(shí)，均采用六面體單元，共形成節(jié)點(diǎn)38 400個(gè)，單元26 400個(gè)，坐標(biāo)系X軸為垂直水流方向(指向右岸為正方向)，Y軸為豎直方向(向上為正方向)，Z軸為水流方向(順?biāo)鞣较驗(yàn)檎?，網(wǎng)格示意情況如圖1所示。

圖1 閘首段整體卸荷式地連墻三維限元模型示意圖

3 主要力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該工程的設(shè)計(jì)資料，擬定該閘首段段整體卸荷式地連墻混凝土的力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 變形分析

施工期各步驟下整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)的變形主要是由周圍土體的開挖、回填與閘室底板的澆筑引起的。圖2為計(jì)算最后一步整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)X方向的變形圖，圖3為計(jì)算最后一步整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)Y方向的變形圖，圖4為計(jì)算最后一步整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)Z方向的變形圖。

圖2 閘首段整體卸荷式地連墻在X方向上的變形圖(單位m)

從圖2計(jì)算結(jié)果可以看出，整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)在施工的過程中，整體向閘室側(cè)傾斜，且位移隨著施工順序的進(jìn)行逐漸變化。最大位移都發(fā)生在卸荷承臺的頂部，這是由于地連墻后較大的主動(dòng)土壓力造成的。在閘室土體還未開挖前，地連墻的變形主要呈線性變化；閘室土體開挖后，地連墻向閘室側(cè)傾斜加大；閘室底板的頂撐作用使地連墻的變形變得復(fù)雜。施工期的最后一個(gè)階段，整體卸荷式地連墻承臺上回填土至完建期6.00 m高程，該步驟下承臺頂部X方向上的最大位移為4.53 mm，這是由于填土的壓重導(dǎo)致地連墻整體稍向閘室外側(cè)傾斜。

此外，靠近下游側(cè)地連墻的水平位移比靠近上游側(cè)的地連墻水平位移大，主要是上游側(cè)有垂直水流方向地連墻進(jìn)行保護(hù)，形成一個(gè)剛度較大的整體，因此不易變形。

圖3 閘首段整體卸荷式地連墻在Y方向上的變形圖(單位m)

從圖3計(jì)算結(jié)果可以看出，整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)在Y方向上的位移隨著施工進(jìn)度而發(fā)生變化，在混凝土自身重力荷載和垂直土壓力的作用下，地連墻整體的豎向變形逐漸增大。最大沉降量為4.15 cm，最小沉降量為2.90 cm，由于墻后土體的填筑，整體結(jié)構(gòu)的豎向位移進(jìn)一步增大。造成豎向位移進(jìn)一步增大的原因主要是回填土的重力荷載擠壓地連墻的承臺，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體下沉。最大位移仍然發(fā)生在地連墻上，最小位移仍發(fā)生在承臺上。閘首段整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)施工完畢，豎向位移最大值符合實(shí)際工程要求，達(dá)到完建期的施工標(biāo)準(zhǔn)。

從結(jié)構(gòu)Y方向的變形圖可以發(fā)現(xiàn)，承臺上靠近“L”形地連墻的部分豎向變形較小，而遠(yuǎn)離“L”形地連墻的部分豎向變形較大，這主要是由于“L”形地連墻的剛度較大，能夠很好地承擔(dān)重力荷載，也驗(yàn)證了設(shè)置地連墻有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖4 閘首段整體卸荷式地連墻在Z方向上的變形圖(單位m)

如圖4所示，施工期各步驟下，整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)在Z方向上的變形量都比較小，主要原因是地連墻上、下游土體高程差距較小、土體高度小的上游側(cè)有支護(hù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，以及卸荷式地連墻整體性較好、剛度較大。地連墻的最大變形量0.28 mm，灌注樁的變形量增大到1.50 mm，這主要是由于3 m高的土體回填導(dǎo)致主動(dòng)土壓力增大，增加了地連墻兩側(cè)土壓力的差值，從而增加了變形量。

4.2 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析是結(jié)構(gòu)分析中的重要組成部分，對于本文中的整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)而言，分析結(jié)構(gòu)在施工期的應(yīng)力狀態(tài)有利于計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、找出最危險(xiǎn)部分并進(jìn)行合理配筋，也有助于與平面計(jì)算方法進(jìn)行比較并找出平面計(jì)算方法中的不足之處。圖5為施工期結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力圖。

圖5 閘首段整體卸荷式地連墻第一主應(yīng)力圖(單位Pa)

根據(jù)第一主應(yīng)力云圖可以查詢結(jié)構(gòu)中最大拉應(yīng)力的數(shù)值，從而確定混凝土結(jié)構(gòu)中相對危險(xiǎn)的部位。地連墻上的拉應(yīng)力受力狀況如圖5所示。在該情況下，墻后填土高度為3.1 m，結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力為2.19 MPa，發(fā)生在垂直水流側(cè)地連墻與卸荷承臺接觸部位；兩道地連墻接觸部位的最大拉應(yīng)力為1.53 MPa，發(fā)生在“L”形地連墻接觸部位的最底端，地連墻與閘室底板接觸部位的拉應(yīng)力也有所增加；造成該受力特征的主要原因是土體的回填增大了整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)上的豎向荷載，從而增加了地連墻上的反力，因而垂直水流方向的地下連續(xù)墻與承臺接觸部位出現(xiàn)最大拉應(yīng)力。

結(jié)合整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)的受力特征，可以得出拉應(yīng)力較大的部位發(fā)生在垂直水流側(cè)地連墻與卸荷承臺接觸部位，以及“L”形地連墻接觸部位的底端，所以在實(shí)際工程運(yùn)用中應(yīng)該加強(qiáng)這兩處的分析，或者進(jìn)行特殊處理。

由結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)的拉應(yīng)力圖可以發(fā)現(xiàn)，底板最后的完建期拉應(yīng)力較大，因此分析其各方向上的正應(yīng)力有助于結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力分析。圖6～圖8分別為結(jié)構(gòu)在X、Y、Z方向上的正應(yīng)力圖。

圖6 閘首段整體卸荷式地連墻在X方向正應(yīng)力圖(單位Pa)

圖6表明，X方向上受力較大的部分發(fā)生在“L”形地連墻接觸部位的底端。X方向最大拉應(yīng)力為1.13 MPa，最大壓應(yīng)力為1.24 MPa，這主要是由于水平向主動(dòng)土壓力使地連墻結(jié)構(gòu)向閘室側(cè)變形，導(dǎo)致底部的拉應(yīng)力增大、閘室底板上部壓應(yīng)力增大。

圖7 閘首段整體卸荷式地連墻在Y方向正應(yīng)力圖(單位Pa)

圖7為結(jié)構(gòu)在Y方向上的正應(yīng)力圖，該方向上結(jié)構(gòu)主要承受自重和豎向土重力荷載，所以壓應(yīng)力比較突出。Y方向最大壓應(yīng)力為1.69 MPa，仍出現(xiàn)在地下連續(xù)墻最底部，最大拉應(yīng)力為0.62 MPa，出現(xiàn)在地下連續(xù)墻頂部；閘室底板上側(cè)區(qū)域也多為受拉區(qū)，但拉應(yīng)力數(shù)值比較小。整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)在Y方向上的正應(yīng)力圖表明，結(jié)構(gòu)的豎向正應(yīng)力值遠(yuǎn)小于混凝土的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)不會在該方向產(chǎn)生破壞，處于安全狀態(tài)。

圖8 閘首段整體卸荷式地連墻在Z方向正應(yīng)力圖(單位Pa)

圖8為整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)在Z方向上的正應(yīng)力圖。最大拉應(yīng)力發(fā)生在垂直水流方向側(cè)地連墻與承臺接觸部位，大小為2.17 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在垂直水流方向側(cè)地連墻的上部，大小為1.23 MPa；該應(yīng)力結(jié)果主要是由于土體的填筑增大了承臺的變形，而地連墻的剛度較大，阻止了承臺的進(jìn)一步變形，所以在承臺上產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，因此需要加強(qiáng)垂直水流方向側(cè)地連墻與卸荷承臺接觸部位的受力分析。

5 結(jié)論與建議

(1) 通過ABAQUS按照工程實(shí)際模擬這兩種部件之間的真實(shí)受力狀態(tài)，所得到的結(jié)果比較符合實(shí)際情況。隨著施工進(jìn)度的推進(jìn)，完建期時(shí)，結(jié)構(gòu)上的最大拉應(yīng)力與沉降量均增加，最大水平位移相對減少。

(2) 通過ABAQUS建立水閘閘首段整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)與土體作用的三維模型，較精確地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與土的相互作用，其計(jì)算出的整體結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在垂直水流方向地下連續(xù)墻與卸荷承臺接觸部位。閘首段整體卸荷式擋土結(jié)構(gòu)雙向受力，在空間上形成“L”形地連墻結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果表明，“L”形地連墻兩墻接觸部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。實(shí)際工程運(yùn)用中應(yīng)該加強(qiáng)這兩處的分析，或者進(jìn)行特殊處理。實(shí)際工程運(yùn)用中應(yīng)該加強(qiáng)這兩處的分析，或者進(jìn)行特殊處理。