基于ABAQUS復(fù)雜閘站結(jié)構(gòu)有限元分析

任小飛

（中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司安徽分公司 合肥 230001）

1 前言

對(duì)閘站這樣一類復(fù)雜建筑物結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，利用常規(guī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析法難以反映其實(shí)際工作狀況，同時(shí)，傳統(tǒng)的理論簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算影響較大，利用三維有限元建立模型計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力可以減小簡(jiǎn)化對(duì)結(jié)果的影響。因此，有必要采用空間三維有限元軟件對(duì)其應(yīng)力、位移進(jìn)行研究分析。

2 計(jì)算原理

2.1 本構(gòu)模型的選取

ABAQUS 是國(guó)際上功能最強(qiáng)的大型通用有限元軟件之一，包含十分豐富的單元模式、材料模型以及分析過程，提供了一系列模擬巖土的本構(gòu)模型，包括Mohr-Coulomb 塑性模型、擴(kuò)展的Druker-Prager 模型、Drucker-Prager蠕變模型、Duncan-Chang 模型等。ABAQUS 采用的本構(gòu)模型是經(jīng)典Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則的擴(kuò)展，采用Mohr-Coulomb屈服函數(shù)，包括粘聚力的各向同性的硬化和軟化，但該模型的流動(dòng)勢(shì)函數(shù)在子午面上的形狀為雙曲線，在π 平面上沒有尖角，因此勢(shì)函數(shù)完全光滑，確保了塑性流動(dòng)方向的唯一性。

本次數(shù)值模擬的土體假定其服從Mohr-Coulomb塑性模型，Morh-Coulomb 塑性模型主要適用于在單調(diào)荷載下以顆粒結(jié)構(gòu)為特征的材料。

2.2 接觸面處理

接觸問題是一類非線性問題，既非材料非線性也非幾何非線性，而是屬于邊界條件非線性問題。土與結(jié)構(gòu)的共同耦合作用屬于接觸問題。接觸面之間的相互作用包含兩個(gè)部分：一是接觸面的法向作用，二是接觸面的切向作用。

此次計(jì)算采用硬接觸的法向模型。在本次的接觸模擬中使用單純主從接觸算法，在定義接觸對(duì)時(shí)，需要正確的選擇主從面，原則是：從面的網(wǎng)格應(yīng)該比主面更精細(xì)；當(dāng)主從面網(wǎng)格接近時(shí)，選擇材料剛度較大的平面作為主面；對(duì)于有限滑移，從面節(jié)點(diǎn)在分析過程中盡可能地不要落在主面之外。在定義接觸時(shí)，閘室底板作為主控接觸面，地基土體作為從屬接觸面。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

侯閣閘站位于鄭集北支河銅山縣與沛縣交界處，是沛縣治理鄭集北支河的關(guān)鍵工程，是梯級(jí)河道蓄水、排澇、灌溉等多功能的水利樞紐控制工程，設(shè)計(jì)灌溉面積10 萬畝。侯閣閘站安裝900ZLB-100 軸流泵4臺(tái)，配用JSL4-10 型250kW 電動(dòng)機(jī)4 臺(tái)，裝機(jī)容量1000kW，設(shè)計(jì)流量12m3/s，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.5m。

侯閣閘站采用新型閘站結(jié)合型式，將閘、站、跌水結(jié)合成一體，集泄洪、排澇和翻水灌溉于一身。泵室采用濕室型墩墻式結(jié)構(gòu)，開敞式矩形進(jìn)水池，開敞式出水池出水。站身為新型閘站一體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由閘室、泵室和跌水組成，采用鋼筋混凝土四聯(lián)孔整體結(jié)構(gòu)，底部為樁基基礎(chǔ)，底板為“Z”字型梯型結(jié)構(gòu)。

3.2 計(jì)算模型及材料性質(zhì)

本次計(jì)算侯閣閘站工程的地基在順?biāo)鞣较蛉?.5m，垂直水流方向取16.0m。為了提高網(wǎng)格的劃分質(zhì)量，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)所建的模型作了一定的簡(jiǎn)化處理。由于考慮到了地基模型的尺寸范圍的選擇，故對(duì)地基采用全約束。

侯閣閘站工程結(jié)構(gòu)采用線彈性材料模擬，土體為彈塑性材料，假定服從Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，由于土體自重產(chǎn)生的變形已基本完成，故計(jì)算中不計(jì)入土體自重引起的應(yīng)變。

侯閣閘站工程整體三維有限元模型見圖1，其中八節(jié)點(diǎn)六面體單元總數(shù)為32226 個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為45297 個(gè)。站身三維有限元模型見圖2。

圖1 工程整體三維有限元模型圖

圖2 站身三維有限元模型圖

3.3 基本荷載和計(jì)算工況

3.3.1 閘室固定荷載

① 結(jié)構(gòu)自重；② 閘上的豎向荷載（包括交通橋、廠房等上部結(jié)構(gòu)），作用在閘墩上。

3.3.2 泵室固定荷載

（1）底板荷載

泵室底板所受的荷載除地基反力外還有：① 上部廠房及水下墻通過壁柱傳給底板；② 土壓力、水壓力及地面活荷載對(duì)水下墻底部產(chǎn)生的彎矩傳至底板；③ 泵房周圍地下水對(duì)底板產(chǎn)生的浮托力；④ 泵內(nèi)設(shè)備自重；⑤ 底板自重。

（2）水泵梁荷載

對(duì)于墩墻式的泵房水泵梁多屬單跨梁，根據(jù)其與墩墻的剛度，按兩端固結(jié)進(jìn)行復(fù)核。水泵梁上的荷載：① 水泵梁自重；② 水泵泵體部件重量，包括喇叭口、導(dǎo)葉體、彎管等；③ 倒轉(zhuǎn)時(shí)的水平?jīng)_擊力。

（3）電機(jī)梁荷載

① 電機(jī)梁自重；② 由電機(jī)梁承受的樓板重；③ 樓板傳至電機(jī)梁的荷載（包括人群及工具設(shè)備等）；④ 電機(jī)重量、轉(zhuǎn)子及傳動(dòng)裝置重量；⑤ 作用在水泵葉輪上的軸向水壓力；⑥ 電動(dòng)機(jī)扭矩產(chǎn)生的切向水平力。

（4）側(cè)墻荷載

側(cè)墻承受自重、上部磚墻（包括屋面系統(tǒng)及吊車系統(tǒng)及風(fēng)載）傳遞下來的垂直力、彎矩及剪力。3.3.3 回填土荷載根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL744-2016），墻后水平土壓力按主動(dòng)土壓力和垂直土重進(jìn)行計(jì)算，其余按邊荷載考慮。

3.3.4 水荷載

水荷載的加載工況見表1。

表1 計(jì)算水位組合表

3.3.5 地震荷載

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015）附錄A 和附錄D，侯閣閘站所處場(chǎng)地的地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51247-2018）及《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50265-2010），本次復(fù)核計(jì)算需考慮地震影響。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

按照上述計(jì)算模型和參數(shù)，分別對(duì)侯閣閘站身結(jié)構(gòu)的各種工況進(jìn)行了空間有限元計(jì)算。求出了各種工況下站身結(jié)構(gòu)在荷載作用下的各點(diǎn)位移、應(yīng)力。由此可對(duì)站身的穩(wěn)定和強(qiáng)度安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.4.1 位移分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果的位移云紋圖進(jìn)行分析，站身整體結(jié)構(gòu)豎向位移（沉降）計(jì)算成果見表2，站身整體結(jié)構(gòu)水平位移（順?biāo)鞣较颍┯?jì)算成果見表3。

表2 站身整體結(jié)構(gòu)豎向位移（沉降）計(jì)算成果表

表3 站身整體結(jié)構(gòu)水平位移（順?biāo)鞣较颍┯?jì)算成果表

由表2 可知：站身整體結(jié)構(gòu)最大沉降位移發(fā)生在校核期下的左邊墩下游端，沿鉛直方向整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生向下的位移，最大沉降量為10.4mm，最大沉降差為1.6mm。根據(jù)規(guī)范，地基最大沉降量不宜超過150mm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過50.0mm，故地基沉降滿足要求。

由表3 可知：各種工況荷載作用下，結(jié)構(gòu)在水平方向的位移都比較小。順?biāo)飨蛩轿灰频淖畲笾蛋l(fā)生校核期下的站墩頂部，沿順?biāo)鞣较驈纳嫌蜗蛳掠伟l(fā)生位移，最大值為Uxmax=4.81mm。灌注樁樁頂最大水平位移為4.5mm，而灌注樁樁頂不可恢復(fù)的水平位移值宜控制不超過5.0mm，故灌注樁水平位移滿足要求。

3.4.2 應(yīng)力分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力云紋圖進(jìn)行分析，泵站站身結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力計(jì)算成果見表4；最大主壓應(yīng)力計(jì)算成果見表5。

由計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力云圖及表4、表5 可知：在各工況下站身底板的最大主拉應(yīng)力主要分布在上游段底板中部面層，最大值為0.70MPa，最大主壓應(yīng)力主要分布在底板下游段中部底層，最大值為1.97MPa；站墩的最大主拉應(yīng)力主要分布在邊墩與底板連接處，最大值為1.03MPa，最大主壓應(yīng)力主要分布在中部面層，最大值為2.18MPa；水泵梁的最大主拉應(yīng)力主要分布在中間底層，最大值為1.62MPa，最大主壓應(yīng)力主要分布在中部面層，最大值為2.40MPa；電機(jī)梁的最大主拉應(yīng)力主要分布在中間底層，最大值為1.76MPa，最大主壓應(yīng)力主要分布在中部面層，最大值為2.61MPa。

表4 站身結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力計(jì)算成果表

表5 站身結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力計(jì)算成果表

4 結(jié)論

（1）通過侯閣閘站的位移場(chǎng)分析，在各計(jì)算工況下，站身各結(jié)構(gòu)的位移均較小，不影響泵站的正常運(yùn)行，同時(shí)灌注樁樁頂?shù)乃轿灰凭闯^允許值，站身整體的穩(wěn)定性較好。

（2）通過侯閣閘站的應(yīng)力場(chǎng)分析，能很直觀地反映閘站在各工況下，站身每個(gè)部位的最大主拉（壓）應(yīng)力值，能準(zhǔn)確反映工程的空間受力狀況。

（3）對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水工建筑物，采用理論方法計(jì)算較復(fù)雜，可采用ABAQUS 三維空間有限元進(jìn)行數(shù)值模擬，全面了解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及位移場(chǎng)，這樣才能更有效、合理地對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)