三維有限元方法在趙家套攔河閘工程安全鑒定中的應(yīng)用

馬 路

(本溪泓源供水有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117000)

水閘工程作為一種常見的水工建筑物，其正常安全運(yùn)行可以充分發(fā)揮工程防洪、蓄水、養(yǎng)魚、旅游等社會(huì)效益，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到重要作用。根據(jù)水閘安全鑒定管理辦法，水閘實(shí)行定期安全鑒定制度，新建水閘應(yīng)于竣工后5年內(nèi)進(jìn)行首次安全鑒定，之后每10年進(jìn)行一次。

在安全鑒定過程中，需要對水閘閘室、擋墻等混凝土結(jié)構(gòu)和鋼閘門等金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算[1]，以往計(jì)算往往采用經(jīng)典的理論方法或者基于理論計(jì)算方法編制的程序和軟件進(jìn)行，其特點(diǎn)是簡單、直觀，但缺點(diǎn)是由于經(jīng)典計(jì)算方法為了求解方便，對工程實(shí)際進(jìn)行了一系列簡化，不能很好地考慮結(jié)構(gòu)各部分之間的空間關(guān)系和相互間影響[2-3]，這樣得到的計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)真實(shí)受力情況存在一定偏差，影響了計(jì)算結(jié)果的精確性。有限元方法作為一種數(shù)值計(jì)算方法，在近年的水閘工程設(shè)計(jì)、復(fù)核計(jì)算中得到越來越多的應(yīng)用[4-7]，通過大型有限元軟件ANSYS對水閘工程中閘室混凝土結(jié)構(gòu)、鋼閘門金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元模擬，可以綜合考慮結(jié)構(gòu)各部件間的影響[8-10]，分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形情況，為水閘安全鑒定中結(jié)構(gòu)安全復(fù)核提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 工程概況

趙家套攔河閘位于遼寧省新民市前當(dāng)堡鎮(zhèn)趙家套村，坐落在渾河干流新開河上，原工程始建于1986年，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)泄洪流量為469m3/s。2009年2月安全鑒定認(rèn)為工程存在嚴(yán)重安全問題，運(yùn)用指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，屬四類閘，建議趙家套攔河閘報(bào)廢重建。趙家套攔河閘除險(xiǎn)加固后主體工程部分由閘室、上游段、下游段以及兩岸連接建筑物組成。河岸防護(hù)范圍為閘軸線下游200m范圍內(nèi)的兩側(cè)河岸；連接堤防防護(hù)范圍為蒲河右岸大堤至白西山套堤之間的堤連接段，防護(hù)總長度為207m，其中右側(cè)連接堤長度90m，左側(cè)連接堤長度117m。

2 攔河閘閘室段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核

2.1 基本資料及設(shè)計(jì)參數(shù)

趙家套閘閘室前沿寬度80.84m，分11孔，每孔凈寬6.0m。邊聯(lián)閘段采用4孔一聯(lián)整體框架式結(jié)構(gòu)，中聯(lián)閘段采取3孔一聯(lián)整體框架式結(jié)構(gòu)。邊聯(lián)閘段閘孔每孔凈寬6.0m，邊墩厚1.0m，2個(gè)中墩厚1.2m，縫墩厚1.62m，總寬29.4m、中聯(lián)閘段閘孔每孔凈寬6.0m，2個(gè)中墩厚1.2m，總寬22m。閘室順?biāo)鞣较蜷L10m，頂面高程18.10m，公路橋布置在墩頂下游部位，橋面高程23.50m，總寬4.0m。工作閘門檢修平臺(tái)高程23.5m，啟閉機(jī)房平臺(tái)高程30.5m。

閘室結(jié)構(gòu)采用ANSYS進(jìn)行建模分析，網(wǎng)格劃分時(shí)采用板殼單元，地基采用溫克爾模型進(jìn)行計(jì)算，分別對中聯(lián)和邊聯(lián)閘室段進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核。

2.2 計(jì)算工況

計(jì)算工況見表1。

表1 攔河閘荷載組合

工況1基本組合：正常蓄水位20.30m，下游無水。

工況2特殊組合：校核洪水位22.50m，下游22.23m。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

中聯(lián)閘室段有限元三維模型見圖1，閘室底板彎矩見圖2、圖3。

圖1 中聯(lián)閘室段有限元三維模型

圖2 工況1中聯(lián)閘室段底板垂直水流方向彎矩分布(Mmax=181.5kN·m，Mmin=-149.5kN·m)

圖3 工況2中聯(lián)閘室段底板垂直水流方向彎矩分布(Mmax=184.0kN·m，Mmin=-151.3kN·m)

計(jì)算結(jié)果表明，趙家套攔河閘中聯(lián)閘室段底板彎矩較大，下游處存在最大彎矩。底板對稱受力，跨中位置頂面受拉應(yīng)力，邊跨受力較大，中跨受力為小。經(jīng)復(fù)核計(jì)算，工程選用的中聯(lián)閘室段閘底板、頂板、配筋率均滿足安全要求。

邊聯(lián)閘室段有限元三維模型見圖4，閘室底板彎矩見圖5、圖6。

圖4 邊聯(lián)閘室段有限元三維模型

圖5 工況1邊聯(lián)閘室段底板垂直水流方向彎矩分布(Mmax=226.5kN·m，Mmin=-157.7kN·m)

圖6 工況2邊聯(lián)閘室段底板垂直水流方向彎矩分布(Mmax=227.5kN·m，Mmin=-158.6kN·m)

計(jì)算結(jié)果表明，趙家套攔河閘邊聯(lián)閘室段底板彎矩較大，下游處存在最大彎矩。底板不對稱受力，跨中位置頂面受拉應(yīng)力，邊跨受力較大，中跨受力為小。經(jīng)復(fù)核計(jì)算，工程選用的中聯(lián)閘室段閘底板、頂板、配筋率均滿足安全要求。

3 攔河閘工作閘門設(shè)計(jì)復(fù)核

3.1 基本資料及設(shè)計(jì)參數(shù)

趙家套攔河閘設(shè)有11孔，其上設(shè)有11扇平面滑動(dòng)閘門，孔口型式為露頂式，孔口尺寸6.0m×2.5m，設(shè)計(jì)水頭2.2m，閘門選用2×80kN/2×40kN液壓啟閉機(jī)啟閉。

3.2 工作閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閘門整節(jié)制造、運(yùn)輸、安裝，閘門主要材料為Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼，采用上游止水方式，側(cè)止水和底止水均為“Ⅰ”形橡皮。閘門采用雙吊點(diǎn)平面鋼閘門，動(dòng)水啟閉操作，滑動(dòng)支承。工作閘門采用Ⅰ型門槽，閘門門葉和主梁等主要材料為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼。

工作閘門計(jì)算采用ANSYS三維實(shí)體有限元模型，使用solid45單元體，共劃分長9053個(gè)單元。閘門網(wǎng)格劃分見圖7。

圖7 ANSYS中閘門網(wǎng)格劃分

結(jié)構(gòu)尺寸按實(shí)際檢測數(shù)值選取，邊梁下游側(cè)翼緣處采用固定支撐，閘門底部受到鉛垂方向的支撐約束。計(jì)算載荷主要考慮在閘門上的靜水壓力和閘門自重，計(jì)算水頭選取2.2m。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

工作閘門總體及主要構(gòu)件應(yīng)力與變形計(jì)算成果見表2，總體仿真結(jié)果見圖8、圖9。

表2 工作閘門總體及主要構(gòu)件應(yīng)力與變形計(jì)算成果

圖8 閘門整體當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖9 閘門整體變形分布云圖

按照《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 74—2013)，閘門門葉和主梁等主要材料為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，其許用應(yīng)力為160MPa(Q235，δ≤16mm)。經(jīng)本次鑒定分析，閘門主要構(gòu)件，包括面板、主橫梁、內(nèi)邊柱、外邊柱、縱梁、肋板、加強(qiáng)板等的最大當(dāng)量應(yīng)力值均小于各自材料的校核許用應(yīng)力值，且最大變形值也小于規(guī)范的許用剛度值，閘門各主要構(gòu)件受力均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

對趙家套攔河閘閘室和鋼閘門進(jìn)行的有限元分析研究表明，三維有限元法能夠更加直觀、準(zhǔn)確地反映閘室和鋼閘門的受力情況，計(jì)算結(jié)果更加精確，后期數(shù)據(jù)分析形象便捷，可為實(shí)際工程的安全鑒定提供科學(xué)的指導(dǎo)作用。