基于MIDAS GTS NX的鋼壩閘埋件與土建結(jié)構連接應力分析

王登贇，孟凡淇

(上海市政工程設計研究總院(集團)第六設計院有限公司，安徽 合肥 230000)

傳統(tǒng)水閘受跨度限制，單孔凈寬一般不超過10.0m，這就導致一些情況下需要在河道中設置中墩，從而增加了土建工程量，且減小了過流面積，同時也影響了美觀。而鋼壩閘作為一種新型擋水建筑物，具有結(jié)構安全、運行可靠、管理方便和使用壽命長、景觀效果好等優(yōu)勢[1]，近年來得到了較為廣泛的應用。鋼壩閘底軸驅(qū)動埋件承受的荷載傳遞到土建結(jié)構上，對土建結(jié)構應力分布具有明顯影響，通過對上述應力進行計算分析，可以更好地指導埋件與土建結(jié)構的連接設計，使結(jié)構具有更好的安全性。

本次計算基于MIDAS GTS NX有限元軟件進行，該軟件是一款針對巖土領域研發(fā)的通用有限元分析軟件，具有建模簡單、易于操作等特點，同時具有豐富的網(wǎng)格劃分功能和本構模型[2]，適用于三維有限元分析計算。

1 羅河鋼壩閘工程概況

羅河鋼壩閘位于安徽太湖經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，羅河防洪標準為50年一遇，建筑物級別為2級，50年一遇設計過閘洪水流量為625m3/s，設計上游洪水位33.60m，蓄水位31.60m。設計采用開敞式單孔水閘型式，閘孔凈寬42.0m，閘檻高程28.10m，門頂高程31.60m，閘門擋水高度3.50m。閘墩頂高程為34.20m。閘室及閘墩順水流方向長度均為22.0m，閘墩厚6.0m。閘室總寬度為54.0m，如圖1所示。

圖1 羅河鋼壩閘立面圖

2 金屬結(jié)構設計

閘門采用底軸驅(qū)動式閘門，由門體、底橫軸、底鉸座、止水裝置、驅(qū)動裝置、穿墻裝置等組成。旋轉(zhuǎn)底軸直徑為1.2m，支鉸座布置于河道中及兩側(cè)的空箱內(nèi)。其中包括河道中6個采用開敞結(jié)構的支鉸座，間距7.8m；以及空箱內(nèi)4個采用封閉環(huán)狀結(jié)構的支鉸座，每側(cè)2個。[3]

啟閉機埋件位于兩側(cè)空箱內(nèi)，采用封閉的環(huán)狀結(jié)構。

閘門傳動原理為：底橫軸的兩端穿過墻外伸，其外伸端與啟閉機連接。啟閉機庫位于空箱內(nèi)，通過控制兩側(cè)的啟閉機的向上游和下游運行，實現(xiàn)底橫軸翻轉(zhuǎn)門的啟閉及開度控制。

本文計算主要針對與支鉸座和啟閉機埋件連接處的土建結(jié)構。

3 應力計算

3.1 液壓啟閉機埋件

3.1.1有限元模型

該計算模型包括液壓啟閉機埋件，及埋件下方鋼筋混凝土基座，見表1，采用映射網(wǎng)格單元。如圖2所示。

表1 液壓啟閉機材料信息

圖2 液壓啟閉機埋件有限元模型

3.1.2材料信息

3.1.3計算荷載

施加在埋件上的等效水平集中力：

1800×2=3600kN

埋件及基座自重，由軟件自動添加。

3.1.4邊界條件

在基座側(cè)面及底面由軟件自動生成約束。

3.1.5應力計算

由計算結(jié)果可知，埋件與基座接觸面整體受拉，拉應力最大約為8.6MPa(8600kN/m2)，角點出現(xiàn)應力集中處局部應力可達10MPa，遠離接觸面應力逐漸減小。

3.2 兩側(cè)空箱內(nèi)支鉸座

3.2.1有限元模型

該計算模型包括單側(cè)空箱內(nèi)的支鉸座、鋼筋混凝土基座以及側(cè)面連接的垂直抗剪塊，見表2，同樣采用映射網(wǎng)格單元。

表2 空箱材料信息

3.2.2材料信息

3.2.3計算荷載

施加在支鉸座上的等效豎向集中力：3910kN

支鉸座及基座自重，由軟件自動添加。

3.2.4邊界條件

在基座側(cè)面及底面由軟件自動生成約束。

3.2.1應力計算

由計算結(jié)果可知，支鉸座底面與基座接觸面處，剪應力最大約為2.1MPa(2100kN/m2)，垂直接觸面接總體受拉，最大拉應力約為3.6MPa，遠離接觸面應力逐漸減小。

垂直抗剪塊與基座側(cè)壁連接處，剪應力最大約為5.5MPa，垂直接觸面上側(cè)受壓，下側(cè)受拉，最大拉應力約為1MPa，遠離接觸面應力逐漸減小。

3.3 跨中支鉸座

3.3.1工況一(閉門工況)

(1)有限元模型

該計算模型包括跨中支鉸座及支鉸座寬度范圍內(nèi)閘門等效受力體組成的構件，以及鋼筋混凝土基座，閉門工況時，閘門為豎起狀態(tài)，承受橫向荷載。

(2)材料信息

表3 閉門壩材料信息

(3)計算荷載

施加在閘門等效受力體上的等效梯形靜水壓力：頂端53.57kN/m2，底端428.57kN/m2；

構件及基座自重，由軟件自動添加。

(4)邊界條件

在基座側(cè)面及底面由軟件自動生成約束。

(5)應力計算

由計算可知，跨中支鉸座與基座接觸面最大拉應力出現(xiàn)在接觸面上端，約為3MPa，遠離接觸面應力逐漸減小。

3.3.2工況二(啟門工況)

(1)有限元模型

該計算啟門工況計算模型同樣包括跨中支鉸座及支鉸座寬度范圍內(nèi)閘門等效受力體組成的構件，以及鋼筋混凝土基座，閉門工況時，閘門為放倒狀態(tài)，承受豎向荷載。

(2)材料信息

表4 啟門壩材料信息

(3)計算荷載

施加在閘門等效受力體上的等效豎向靜水壓力：428.6kN/m2;構件及基座自重，由軟件自動添加。

(4)邊界條件

在基座側(cè)面及底面由軟件自動生成約束。

(5)應力計算

由計算可知，啟門工況下構件與基座接觸面最大拉應力仍然出現(xiàn)在接觸面上端，約為4.9MPa，同時在水平接觸面最外側(cè)出現(xiàn)較大壓應力，約為10MPa，遠離接觸面應力逐漸減小。

4 結(jié)論

文章采用通過MIDAS GTS NX有限元軟件對不同埋件位置與土建結(jié)構應力進行了計算，按最大荷載工況進行計算。根據(jù)以上計算分析結(jié)果，可以對基座結(jié)構設計，以及基座與支鉸座、啟閉機埋件的連接設計提供一定的指導。

根據(jù)計算結(jié)果，應考慮在拉應力集中的連接位置增大配筋面積或通過增設受拉鋼筋改善區(qū)域受力情況；或通過增大底板厚度，優(yōu)化結(jié)構設計來減小應力集中帶來的影響。

目前該鋼壩閘已完成施工，運行良好，通過計算和現(xiàn)場變形觀測對比分析，MIDAS GTS NX有限元軟件可以適用鋼壩閘應力的計算，該方法可以延伸至合頁壩、翻板壩、氣盾壩等同類產(chǎn)品，具有更廣泛的運用前景。