基于ANSYS的不同工況對閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響分析

李 參，劉宗柏，李 娟，任澤儉，祁寶奎

( 1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109；2.水發(fā)工程咨詢集團(tuán)(山東)有限公司，山東 濟(jì)南 250109)

水閘的安全穩(wěn)定關(guān)乎下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，在大多數(shù)的水閘失事中，一方面閘室的側(cè)移和滑動是導(dǎo)致其發(fā)生破壞的原因，另一方面在不同工況下，尤其是非正常工況下，閘體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的破壞也是導(dǎo)致水閘失事的關(guān)鍵原因。為了使不同工況下閘室結(jié)構(gòu)都能滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)力的要求，同時(shí)為了盡可能的節(jié)省成本，需要采取合理的水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，在常規(guī)的計(jì)算中，為了得到某水閘結(jié)構(gòu)部位的確切應(yīng)力值，需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，若是要尋找最可能的結(jié)構(gòu)破壞點(diǎn)，則更是難上加難。在無法進(jìn)行全面計(jì)算時(shí)，已有數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也大大下降，不利于水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算。因此，為了使水閘結(jié)構(gòu)的安全性，可以通過計(jì)算不同的工況，通過Ansys軟件對水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行綜合理分析，指出不同工況對水閘結(jié)構(gòu)安全的影響，為工程設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算原理

1.1 三維立體圖形的創(chuàng)建

為防止水閘結(jié)構(gòu)圖在CAD中建模，然后將其導(dǎo)入ANSYS中會出現(xiàn)幾何不協(xié)調(diào)等問題，本次水閘閘室的抗震應(yīng)力復(fù)核模型在ANSYS中直接建立。通過創(chuàng)建并編號關(guān)鍵點(diǎn)，連接形成線，通過閉合的線形成面域，最后運(yùn)用布爾操作等形成空間立體幾何圖形。

本次模型的建立所采用的坐標(biāo)系為笛卡爾直角坐標(biāo)系，取順?biāo)鞣较驗(yàn)閄軸正方向，鉛錘向上為Y軸正向，垂直水流方向指向右岸為Z軸正方向。根據(jù)相關(guān)的研究資料可知，地基尺寸的大小對于有限元計(jì)算結(jié)果有一定的影響，所以進(jìn)行空間模型的建立時(shí)，應(yīng)當(dāng)在根據(jù)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上考慮如何使計(jì)算結(jié)果更加切合實(shí)際，從而選取合適的地基尺寸。

1.2 材料的選擇及單元的創(chuàng)建

考慮到水閘閘室的組成部分較多以及閘室結(jié)構(gòu)的空間復(fù)雜性較大，該有限元模型的網(wǎng)格剖分采用四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格的剖分使用自由網(wǎng)格劃分并通過使用Smartsize進(jìn)行網(wǎng)格劃分大小的控制，網(wǎng)格劃分水平值設(shè)置為4。閘室上部結(jié)構(gòu)和地基土體分別采用SOLID65和SOLID185單元。

2 有限元模型

2.1 基本資料

以淮河第二大支流上的DS樞紐工程的SK閘閘室為研究對象，SK閘閘室為直升門胸墻式結(jié)構(gòu)，單孔凈寬8m，共4孔，順?biāo)鞣较蜷l室長18m，閘身總長136m，閘底板高程26.54m，池底總長28m。消力池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其具體結(jié)構(gòu)如圖1—2所示。依據(jù)地震動參數(shù)區(qū)劃圖，查得該樞紐工程區(qū)域所處的位置地震動峰值加速度增大為0.10g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。

圖1 SK閘閘室橫剖面圖

圖2 SK閘閘室縱剖面圖

該水閘各部分材料相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 閘室材料相關(guān)物理參數(shù)表

2.2 模型及單元的創(chuàng)建

本次有限元模型中的地基尺寸選取的范圍是閘室左右岸各延伸閘室垂直水流方向的長度，即各延伸22.3m；上下游方向各延伸閘室順?biāo)鞣较虻拈L度，即18m；地基深度采用1.5倍閘墩高度，即14m。在有限元軟件中建立的簡化模型如圖3所示。該三維模型共創(chuàng)建1411個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)、39塊實(shí)體結(jié)構(gòu)、399個(gè)面、929條線。

圖3 水閘閘室簡化模型圖

圖4 有限元網(wǎng)格劃分模型圖

結(jié)合表1相關(guān)數(shù)據(jù)，可以主要設(shè)置3種材料，分別用于閘室底板及以上混凝土構(gòu)件、地基土體以及閘門。模型共創(chuàng)建69381個(gè)節(jié)點(diǎn)，333653個(gè)單元。其中閘室包含63792個(gè)節(jié)點(diǎn)，306685個(gè)單元；地基包含5589個(gè)節(jié)點(diǎn)，26968個(gè)單元。該模型所受的約束主要有地基四周的法向鏈桿(水平面)約束，地基底部的全部約束。網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

2.3 計(jì)算荷載及工況

本次使用有限元軟件進(jìn)行水閘的抗震安全復(fù)核所采用的工況為組合工況：正常蓄水位(上游水位34.84m，下游水位26.34m)，加Ⅶ度地震(峰值加速度為0.10g)，該場地類別為二類，特征周期經(jīng)過查規(guī)范確定為0.3s。

2.4 模態(tài)分析及反應(yīng)譜求解

按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2001)推薦的振型分解反應(yīng)譜分析方法，通過蘭索斯分塊法提取并列出了前18階的自振頻率見表2，水閘閘室基頻為2.716Hz，其自振周期為0.368。

該水閘樞紐抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，場地類別經(jīng)查相關(guān)規(guī)范為Ⅱ類，地震加速度a=0.1g，特征周期為Tg = 0.3s，水閘的反應(yīng)譜最大代表值βmax=2.25，阻尼比ζ=0.05。由第二節(jié)模態(tài)分析提取出的各階頻率計(jì)算出相應(yīng)的周期，再按照規(guī)范給定的反應(yīng)譜圖進(jìn)行計(jì)算，可以得到得出每階的反應(yīng)譜值。

表2 水閘前8階自振頻率

3 結(jié)果分析

閘室總體結(jié)構(gòu)垂直河流向比順河流向變形更為明顯，但是基于地震方向未知，故分別考慮閘室結(jié)構(gòu)受水平X向地震力(即順河流向水平地震力)和水平Z向地震力(即垂直河流向水平地震力)的作用，各類地震加速度大小均為a=0.1g。將兩次計(jì)算的結(jié)果及正常蓄水位的計(jì)算結(jié)果運(yùn)用第一強(qiáng)度理論與混凝土的抗拉抗壓規(guī)范允許值進(jìn)行對比，得出應(yīng)力復(fù)核結(jié)果；通過分析閘室各部分的總位移最大最小值以及出現(xiàn)的部位，判斷是否滿足規(guī)范要求從而得出位移復(fù)核結(jié)論。為便于整理數(shù)值，地震工況應(yīng)力及位移僅取合并模態(tài)后前五階有效振型的計(jì)算結(jié)果。正常工況及地震工況見表3—5。

4 結(jié)論

采用三維數(shù)值有限元的方法，建立水閘整體有限元模型，并進(jìn)行正常蓄水位工況下和地震工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算，結(jié)果表明：正常蓄水位工況下，閘室及上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。地震工況下，閘室頂部排架柱根部容易出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，但是考慮地震折減系數(shù)后，仍可以滿足混凝土強(qiáng)度值。垂河向水平地震力對于閘室及上部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生更大的影響，在條件允許情況下，應(yīng)采取措施，盡量降低頂部排架柱高度或減少頂部載重以增強(qiáng)閘室及上部結(jié)構(gòu)垂河向的剛度。

表3 閘室及上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算表

表4 閘室及上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算表(垂直水流方向)

表5 閘室及上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算表(順?biāo)鞣较?