基于ANSYS的進(jìn)水閘閘室結(jié)構(gòu)動(dòng)靜力數(shù)值模擬分析

楊川江

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域巴音郭楞管理局開都-孔雀河管理處開都河中（上）游管理站，新疆 和靜 841305）

1 工程背景

某灌區(qū)渠首的水閘工程主要由攔河閘、進(jìn)水閘、泄洪沖沙閘以及電站構(gòu)成。某灌區(qū)建成于上世紀(jì)七十年代，截止目前已經(jīng)運(yùn)行了40多年，期間僅在1991年進(jìn)行過(guò)小范圍的整修和擴(kuò)建，其余時(shí)間均沒有進(jìn)行過(guò)大的維修和加固，因此灌區(qū)設(shè)施老化情況十分突出，特別是渠首的進(jìn)水閘存在十分嚴(yán)重的老化銹蝕問題，對(duì)灌區(qū)功能的有效發(fā)揮產(chǎn)生了巨大的不利影響。基于此，擬對(duì)該灌區(qū)進(jìn)行工程節(jié)水改造，并對(duì)進(jìn)水閘和泄洪沖沙閘進(jìn)行重建。其中，進(jìn)水閘的重建工程設(shè)計(jì)為開敞式5孔平底閘，單孔凈寬6.5 m，總長(zhǎng)40.5 m，寬24.9 m，高14.5 m，由閘前鋪蓋、閘室段以及泄洪道段組成，全長(zhǎng)158.62 m。鑒于靜力和動(dòng)力作用狀態(tài)下的水閘結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析，對(duì)保證水閘的建設(shè)和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[1]。本次研究運(yùn)用ANSYS三維有限元軟件，對(duì)新建進(jìn)水閘進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力分析，以驗(yàn)證水閘設(shè)計(jì)的安全性。

2 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 模型的構(gòu)建

該灌區(qū)的進(jìn)水閘為5孔閘整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中，中間一孔為單聯(lián)孔，兩側(cè)為雙聯(lián)孔，閘室的底板為厚2.0 m的C25鋼筋混凝土平板結(jié)構(gòu)，順流方向長(zhǎng)度為18.5 m。底板的上下游方向均設(shè)置深度為0.6 m的齒槽結(jié)構(gòu)。進(jìn)水閘采用的是上游半圓形下游流線型墩頭的實(shí)體閘墩，閘墩的長(zhǎng)度為18.0 m，中墩的厚度為1.80 m，縫墩的厚度為2.40 m。進(jìn)水閘的閘門為寬6.5 m，高3.8 m，厚0.5 m的平板鋼閘門。由于某灌區(qū)進(jìn)水閘中間的兩個(gè)閘墩設(shè)有沉降縫，因此中間的單聯(lián)孔具有相對(duì)獨(dú)立性，所以研究中選擇該孔閘建立ANSYS三維有限元模型，為了保證模型的計(jì)算精度，計(jì)算范圍應(yīng)該包括閘室下部的部分地基，以體現(xiàn)兩者的相互作用[2]。基于上述考慮，研究中上下游與閘室兩側(cè)地基取1倍進(jìn)水閘閘長(zhǎng)，厚度取1倍閘室高度。模型一橫河指向左側(cè)的方向?yàn)閄軸正方向；以豎直向上的方向?yàn)閅軸的正方向；以垂直于X軸指向上游的方向?yàn)閆軸的正方向。鑒于SOLID65實(shí)體單元在混凝土結(jié)構(gòu)模擬方面的突出優(yōu)勢(shì)，研究中利用SOLID65單元進(jìn)行模型的有限單元?jiǎng)澐諿3]，鋼筋和閘門采用彌散鋼筋單元模擬[4]，最終獲得93786個(gè)計(jì)算單元，99698個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，模型的示意圖見圖1。

圖1 閘室有限元模型示意圖

2.2 材料的物理力學(xué)參數(shù)

模型主要包括閘室和地基土兩大部分，其中閘室部分主要由底板、閘墩和鋼閘門構(gòu)成，地基土低液限粘土。結(jié)合相關(guān)研究成果以及進(jìn)水閘設(shè)計(jì)資料[5]，計(jì)算中采用的材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 荷載與計(jì)算工況

荷載及其大小的確定是進(jìn)水閘動(dòng)靜力計(jì)算的重要前提，本次研究中需要考慮的荷載為閘室自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力以及地震力等四個(gè)方面[6]。其中，進(jìn)水閘的結(jié)構(gòu)自重按照其密度值和體積進(jìn)行計(jì)算和施加[7]；按照正常蓄水水位（231.20 m）和水重度值計(jì)算水荷載和水平水壓力，并施加在水閘閘室底板和閘墩的上下游面；以正常蓄水位計(jì)算揚(yáng)壓力，并施加在閘室底面；由于項(xiàng)目所在地的強(qiáng)震記錄資料缺乏，因此研究中選取國(guó)際上常用的EL.Centro地震的加速度記錄。由其中的地震波加速圖譜可知，前8 s的地震響應(yīng)最大，因此，本次研究選取前8 s的地震加速度譜對(duì)輸水隧洞的地震響應(yīng)進(jìn)行分析。由于項(xiàng)目所在地的地震烈度較高，特選取地震烈度為9度，也就是地震波幅值為0.15 g，豎向取水平向的2/3，對(duì)模型施加水平向地震激勵(lì)和豎向地震激勵(lì)以及兩個(gè)方向共同施加，以獲得不同方向地震激勵(lì)條件下的水閘動(dòng)力影響的應(yīng)力應(yīng)變特征。結(jié)合研究對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)和相關(guān)研究成果，本次研究選取瑞利阻尼，其臨界阻尼比按照經(jīng)驗(yàn)值的5%選取。上述荷載利用APDL語(yǔ)言編程以及MASS21單元進(jìn)行施加。

根據(jù)進(jìn)水閘的建設(shè)和使用情況，設(shè)計(jì)出上下游均無(wú)水的完工期工況、上游為興利水位、下游無(wú)水的擋水期工況，上游下游均為設(shè)計(jì)水位的運(yùn)行期工況，地震工況等計(jì)算工況。其中，地震工況為上游為興利水位、下游無(wú)水的最不利工況。每種工況的具體參數(shù)特征見表2。

表2 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)4種工況的進(jìn)水閘閘室位移進(jìn)行計(jì)算，各向最大位移值見表3。由表3的計(jì)算結(jié)果可知，在靜力作用的工況1、工況2和工況3條件下，閘室的位移主要表現(xiàn)為豎向位移，水平位移量較小，不會(huì)對(duì)閘室的穩(wěn)定造成明顯影響。同時(shí)，工況1、工況2和工況3的豎向位移分別為9.11 cm、7.25 cm和6.82 cm。主要因?yàn)樵谒l蓄水條件下，水體的揚(yáng)壓力可以抵消一部分閘室的重力，因此造成沉降位移的變小[8]。同時(shí)，根據(jù)相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)和成果，水閘整體式底板的最大沉降量可以達(dá)到10 cm～15 cm，而上述三種工況下的最大沉降量為9.11 cm，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2001），處于容許值（25 cm）范圍內(nèi)。同時(shí)，由于水閘采用的是整體式底板，因此沉降變形比較均勻，不會(huì)對(duì)閘室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的不利影響。由工況4的計(jì)算結(jié)果可知，進(jìn)水閘閘室在靜、動(dòng)荷載的綜合作用下，水閘的最大位移仍舊表現(xiàn)為沉降位移，最大位移值為8.28 cm。由此可見，相對(duì)于靜力荷載的工況，水閘閘室在地震作用下位移明顯增大，但是均在容許值范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)閘室的穩(wěn)定造成顯著影響。

表3 不同工況最大位移計(jì)算結(jié)果

3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

對(duì)4種工況的進(jìn)水閘閘室各向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中提取不同工況下各向應(yīng)力的最大值和最小值，結(jié)果見表4。

由表4的計(jì)算結(jié)果可知，在工況1條件下，閘室僅受到自重的作用，最大壓應(yīng)力值為2.33 MPa，出現(xiàn)在閘墩的內(nèi)側(cè)和閘室底板銜接的部位；最大拉應(yīng)力值為1.47 MPa，位于閘門槽的部位；底板底部為受壓狀態(tài)，最大壓力值為0.37 MPa，上述應(yīng)力值均顯著小于C25混凝土的25 MPa抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)和2.5 MPa的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

在工況2條件下，閘室主要受到自重和上游水壓力的作用。由于上游水體揚(yáng)壓力的抵消作用，閘門的壓應(yīng)力相對(duì)于工況1有所減小，最大值為1.89 MPa，閘門槽部位由于是閘室的結(jié)構(gòu)薄弱部位，因此受到較大的拉應(yīng)力作用，最大拉應(yīng)力值為1.66 MPa，上述數(shù)值均顯著小于C25混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

在工況3條件下，上、下游的水位高度分別為3.80 m和2.74 m，上下游的閘室底板均受到水壓的作用。與工況1和工況2類似，閘墩的內(nèi)側(cè)與閘室底板的銜接部位存在比較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，閘室受到的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力值分別為1.67 MPa和1.78 MPa，均顯著小于C25混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

在工況4條件下，由于水閘受到靜力和地震動(dòng)力的共同作用，因此水閘閘室的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均有不同程度的增大，但是從各向應(yīng)力的具體計(jì)算成果來(lái)看，與前三種工況相比并沒有十分顯著的增加，且均顯著小于C25混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，存在比較大的冗余量。

表4 各工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 單位：MPa

3.3 模態(tài)分析結(jié)果

本次研究根據(jù)水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦的反應(yīng)譜，計(jì)算獲取工況4條件下水閘的10階自振頻率和反應(yīng)譜值，結(jié)果見表5。由計(jì)算結(jié)果可知，進(jìn)水閘閘室的自振頻率會(huì)隨著階數(shù)的增高而增大，且自振特點(diǎn)符合一般水工結(jié)構(gòu)的自身規(guī)律，并沒有出現(xiàn)大的振型參與系數(shù)。因此，水閘閘室本身具有較好的振動(dòng)特征，在地震荷載作用下，不會(huì)出現(xiàn)明顯破壞。

表5 閘室模態(tài)分析結(jié)果

4 結(jié)論

本次研究以某灌區(qū)節(jié)水改造工程中新建的進(jìn)水閘為例，利用三維有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)水閘的靜、動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得的主要結(jié)論如下：

（1）在4種計(jì)算工況下，水閘閘室的位移均主要表現(xiàn)為沉降位移，且均在容許值范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)閘室的穩(wěn)定造成顯著不利影響。

（2）從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在各種工況下，閘室的局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力值均顯著小于C25混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，存在比較大的冗余量。

（3）從模態(tài)分析結(jié)果來(lái)看，進(jìn)水閘閘室的自振特點(diǎn)符合一般水工結(jié)構(gòu)的自身規(guī)律，并沒有出現(xiàn)大的振型參與系數(shù)，具有較好的振動(dòng)特征，在地震工況下不會(huì)發(fā)生明顯破壞。

（4）綜上，某灌區(qū)新建進(jìn)水閘的工程設(shè)計(jì)滿足相關(guān)要求，但是部分部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在具體工程設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視。