安徽橫江梅林壩中墩整體結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值仿真分析

張紅葉

(鹽城市建設工程質(zhì)量檢測中心有限公司， 江蘇 鹽城 224000)

1 工程概況

梅林壩址位于梅林大橋下游約2.2 km的橫江河谷，現(xiàn)狀河谷寬約300 m，微地貌為橫江河床及河漫灘地貌，地勢較為平坦，溝谷呈寬“U”字型。場地范圍內(nèi)地形起伏小，地貌單一。壩址巖土層自上而下主要分布為：雜填土(Q4ml)、粉砂(Q4apl)、卵石(Q4apl)、強風化泥質(zhì)粉砂巖(K1h)、強風化礫巖(K1h)、弱風化泥質(zhì)粉砂巖(K1h)及弱風化礫巖(K1h)。

梅林壩垂直河流方向一字形布置，泄流總凈寬為180 m，共4孔，單孔凈寬45 m。采用底軸驅(qū)動翻板閘門蓄水，液壓啟閉機操作。底檻高程為124.5 m，蓄水高程為128 m。壩體底部設置2.5 m×2.8 m廊道，集管路、排水、通行、消防、通風為一體，通過布置內(nèi)部樓梯溝通控制區(qū)、設備區(qū)、管理區(qū)，連通兩岸。墩體內(nèi)部均布置啟閉設備，管理、維修均在墩內(nèi)操作。

2 計算理論及方法

2.1 計算理論

由于中墩上的帆承受較大的風荷載，帆和中墩結(jié)構(gòu)兩者之間采用Tie理論來構(gòu)建兩者之間的受力關系，在剛度數(shù)據(jù)傳遞上相當于兩個面剛性連接，中墩頂板作為Master面，帆底部柱子底面作為Slave面，同時兩者綁定區(qū)域不發(fā)生相對運動和變形，具有相同的物理量。在FEM模型建立時，中墩結(jié)構(gòu)與帆無需網(wǎng)格協(xié)調(diào)，大大降低了網(wǎng)格剖分的難度。

2.2 計算方法

計算軟件采用具有世界先進水平的通用有限元分析軟件ABAQUS6.10。該分析軟件有強大的前、后處理和計算分析功能，并且能有效地保證計算成果精度，仿真計算采用Abaqus/Standard分析模塊[1]。

假定巖石地基沉降完全，地基存在初始地應力，在本次仿真計算中，對巖石地基施加初始地應力[2]，真實模擬地基與中墩結(jié)構(gòu)的應力分布及整體的變形規(guī)律。

地應力平衡仿真模擬步驟：①給巖石地基施加重力，使得地基產(chǎn)生地應力及初始沉降，導出初始地應力場、位移場；②將巖石地基的位移場以相反方向施加到巖石地基，巖石地基的沉降就會抵消，形成巖石地基的初始地應力場，更好的模擬中墩結(jié)構(gòu)的應力、位移真實情況。

3 計算模型及參數(shù)

3.1 有限元計算模型

由于中墩三維結(jié)構(gòu)模型非常復雜，有限元建模將巖石地基，混凝土中墩結(jié)構(gòu)及帆分為Part1～Part3，然后將三者組裝配成最終的整體模型，詳見圖1；分別對三者進行有限元的網(wǎng)格剖分，中墩結(jié)構(gòu)中孔、洞、弧形較多，巖石地基須協(xié)調(diào)中墩結(jié)構(gòu)的底板，帆的框架結(jié)構(gòu)、懸挑梁之間必須相互協(xié)調(diào)，所以本文網(wǎng)格剖分均采用Free Mesh的方式，均為四面體單元，即為3D-Sress的四節(jié)點單位，實體單元總數(shù)為85 699，節(jié)點數(shù)為129 856；混凝土中墩結(jié)構(gòu)為仿真分析的重點、其網(wǎng)格剖分較為細致，巖石地基網(wǎng)格由小變大向四周擴散。

圖1 中墩結(jié)構(gòu)+帆的模型圖

本文中有限元仿真計算模型主要包括：中墩的底板、墩墻、墩墻頂板、梁、帆等主要混凝土結(jié)構(gòu)，模型中精細的模擬了中墩結(jié)構(gòu)中的廊道、樓梯井、吊物孔、C15素混凝土心墻、中墩結(jié)構(gòu)隔墻、整體結(jié)構(gòu)下側(cè)，四周模擬15 m的巖石地基，三維有限元網(wǎng)格模型見圖2。

圖2 中墩結(jié)構(gòu)+帆有限元網(wǎng)格模型圖(地基土單元未顯示)

3.2 邊界約束條件

為了便于建模和成果整理，仿真計算中分別采用整體直角坐標系，坐標原點位于上右側(cè)左岸中墩結(jié)構(gòu)底板與巖石地基接觸處的角點上，順河向為X向，橫河向為Y向，豎向為Z向。

中墩底板結(jié)構(gòu)與巖石接觸的部分假定接觸較好，沒有相對滑移且不因受力而脫開，地基單元與中墩混凝土單元共節(jié)點；巖石地基四周采用法向約束，即Ux=0或Uy=0；地基底面(高程▽104.5 m)采用三向固定約束，即Ux=Uy=Uz=0，其余地基單元的邊界面均為自由邊界；混凝土中墩結(jié)構(gòu)面為自由邊界；帆與中墩頂板結(jié)構(gòu)采用Tie約束條件來傳遞力和彎矩。

3.3 計算參數(shù)

3.3.1 計算水位

黃山市新安江上游段(鎮(zhèn)海橋～梅林橋)綜合治理工程中的梅林壩中墩的計算特征水位詳細見下表1：

表1 中墩結(jié)構(gòu)上、下游的特征水位

3.3.2 材料計算參數(shù)

本文有限元計算模型中，假定混凝土、鋼筋，巖石基礎材料為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈體，其中墩底板、墩墻、墩墻的頂板、梁的混凝土標號均為C30。其物理力學參數(shù)見表2。

表2 混凝土及巖石地基有限元計算力學性能特性參數(shù)

3.4 計算工況

根據(jù)混凝土中墩結(jié)構(gòu)的設計工況及受力狀態(tài)，選用以下4種工況來進行有限元計算仿真分析，分別為：

工況1：完建期；

工況2：正常蓄水位組合(上游水位128 m，下游水位125 m)+帆承受的風荷載；

工況3：正常蓄水位組合(上游水位128 m，下游無水)+帆承受的風荷載；

工況4：設計洪水位(132.32 m)，水淹沒整個中墩結(jié)構(gòu)；

3.5 計算荷載

根據(jù)《水工建筑物荷載設計規(guī)范》SL744—2016，施加于模型進行仿真計算的荷載如表3所示。

4 有限元仿真計算成果分析

根據(jù)4種不同的工況，靜力計算得到中墩結(jié)構(gòu)的位移、應力[3]呈現(xiàn)以下一些規(guī)律：(1)結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)位移較小，在帆與中墩頂板接觸處的變形較大，底板、墩墻變形均較??；(2)荷載的對稱，結(jié)構(gòu)大致對稱，橫河向位移場幾乎呈現(xiàn)對稱的規(guī)律；(3)由于中墩上部帆的風荷載，使得頂板上表面與帆接觸處的拉、壓應力增大；(4)中墩結(jié)構(gòu)的拉、壓應力均在混凝土抗拉、抗壓強度范圍內(nèi)，在以下幾個位置上拉應力較大：中墩頂板中心處的梁下側(cè)拉應力較大，閘門支座處，中墩底板與巖石地基接觸處中間并靠近左右岸處、安裝油缸板的下側(cè)、廊道[4]附近、通風孔處、中墩中隔墻門洞的上部。計算成果見表4～表6。

綜合表4～6匯總的計算數(shù)據(jù)分析得出，在位移方面：中墩結(jié)構(gòu)整體變形較小，中墩頂板的相對豎向位移較大，墩墻的側(cè)向、豎向位移、底板豎向位移，不均勻沉降均較?。辉趹Ψ矫妫褐卸盏牡装逯胁颗c巖石接觸處、閘門支座處、設備安裝下側(cè)板、廊道附近、中墩頂板梁的下側(cè)，中墩頂板、通風孔附近、中墩中隔墻門頂處的應力均在混凝土抗拉、抗壓強度范圍內(nèi)，只需稍微加強配筋、排氣孔的間距稍微加大即可。

5 結(jié) 語

本文利用有限元通用軟件Abaqus，精細的建立了巖石地基+中墩結(jié)構(gòu)+帆的FEM整體計算模型，同時采用Tie理論仿真了帆與中墩結(jié)構(gòu)之間的接觸關系，計算得到整個模型的應力及位移結(jié)果，分析整個模型的受力狀態(tài)及變形規(guī)律；指出出了結(jié)構(gòu)應力較大的部位需加強配筋的建議，仿真分析的結(jié)果能夠為此類復雜結(jié)構(gòu)的設計及配筋方案提供科學的技術支撐和經(jīng)驗參考。

表3 有限元計算模型荷載匯總

表4 中墩結(jié)構(gòu)位移最大值(絕對值)匯總

表5 中墩結(jié)構(gòu)壓應力最大值匯總

表6 中墩結(jié)構(gòu)拉應力最大值匯總