基于COMSOL計(jì)算下秦淮河道水閘加固墩結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)分析研究

馬 力，顧 冬，羅 坤

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210000）

水工建筑加固設(shè)計(jì)方案優(yōu)化分析不僅可提升工程設(shè)計(jì)水平，亦有益于工程運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性，開展相應(yīng)的水工設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要意義[1-3]。劉芷妍等[4]、張?bào)心鹊萚5]、徐建榮等[6]根據(jù)水工模型試驗(yàn)理論，在室內(nèi)進(jìn)行水工原型尺寸復(fù)制，探討水工模型在模擬工況下的滲流場(chǎng)、靜力場(chǎng)以及動(dòng)力響應(yīng)下特征，為工程設(shè)計(jì)提供重要優(yōu)化參數(shù)。當(dāng)然，一些水工建筑安裝有相關(guān)監(jiān)測(cè)傳感器，可進(jìn)行運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而從中分析設(shè)計(jì)方案利弊，為擬建工程設(shè)計(jì)方案最優(yōu)比選提供參考[7，8]。數(shù)值計(jì)算研究方法高效、快捷，利用ANSYS[9]、ABAQUS[10]以及 MIDAS[11]等軟件可對(duì)水工模型進(jìn)行仿真計(jì)算，針對(duì)不同設(shè)計(jì)方案開展對(duì)比分析，進(jìn)而確定工程設(shè)計(jì)最優(yōu)方案。根據(jù)秦淮河洪藍(lán)水閘鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)方案優(yōu)化問題，開展了閘墩加固數(shù)量、閘墩厚度參數(shù)計(jì)算分析，為水閘加固設(shè)計(jì)以及建設(shè)提供了重要依據(jù)。

1 工程仿真建模

1.1 工程概況

為提升秦淮河通航能力，需對(duì)河道進(jìn)行整治清淤。需疏浚河道全長(zhǎng)18 km，包括5 座中型水閘，最大設(shè)計(jì)泄流量585 m3/s。設(shè)計(jì)采用圍堰施工進(jìn)行整治，以堆筑壩構(gòu)建圍堰壩，確保施工安全。施工另建設(shè)有溢流設(shè)施，溢流堰堰頂高程82.8 m，下游設(shè)有消能池與防浪墻等。消力池池深0.8 m，防浪墻厚度1 m、高4.8 m。由于河道整治與水閘除險(xiǎn)加固為系統(tǒng)性工程，工程管理部門擬對(duì)整治河道內(nèi)的5 座中型水閘進(jìn)行加固。洪藍(lán)水閘是所整治河道上最為重要的樞紐設(shè)施，閘頂高程85.5 m，閘室底板厚度0.8 m，采用4 孔式泄流設(shè)計(jì)，單孔最大泄流量可達(dá)252 m3/s，但由于運(yùn)營(yíng)年限較長(zhǎng)以及河道淤積嚴(yán)重，目前單孔泄流量?jī)H能達(dá)到155 m3/s。水閘設(shè)擋土邊墻，采用水工預(yù)制拼裝，最大抗壓能力15 MPa，箱涵內(nèi)可承受沉降位移20 mm，確保水閘應(yīng)力、位移場(chǎng)處于安全狀態(tài)。通過有限元靜力場(chǎng)計(jì)算得知，該水閘結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力分布較少，集中在閘頂區(qū)域，最大拉應(yīng)力不超過1.7 MPa，但位移計(jì)算結(jié)果表明其沉降位移較大，接近安全允許值，在垂直方向上存在沉降以及傾覆趨勢(shì)，為水閘加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮方面。另外，水閘內(nèi)滲流場(chǎng)模擬結(jié)果表明浸潤(rùn)線在蓄水工況下增長(zhǎng)較快，逼近泄流孔頂部，底板結(jié)構(gòu)處孔隙水壓力集中過多，與該水閘底板基礎(chǔ)沉降過大有關(guān)。為提升水閘運(yùn)營(yíng)能力，針對(duì)基礎(chǔ)沉降位移過大、滲流活動(dòng)較活躍等特點(diǎn)，初步考慮采用加固中墩方案，中墩剖面如圖1所示，擬對(duì)該方案設(shè)計(jì)參數(shù)開展優(yōu)化分析，為確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供參考。

圖1 水閘中墩剖面

1.2 工程建模

根據(jù)洪藍(lán)水閘工程現(xiàn)狀分析，采用鋼結(jié)構(gòu)加固中墩設(shè)計(jì)方案，型鋼的翼緣與板厚分別為1.2、1.8 m，高5.56 m，總寬為4.6 m，保護(hù)層厚度0.4 m，型鋼布設(shè)角度為25°，方案加固設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 閘墩型鋼加固結(jié)構(gòu)方案

利用COMSOL 有限元仿真軟件建立計(jì)算模型[12，13]，水閘中墩模型關(guān)鍵部位包括墩頂、墩底、鋼結(jié)構(gòu)加固點(diǎn)3個(gè)部位，其有限元模型如圖3所示。

圖3 閘墩有限元模型及關(guān)鍵部位

經(jīng)劃分網(wǎng)格單元后，共獲得微單元體36 826個(gè)、節(jié)點(diǎn)28 524 個(gè)，在鋼結(jié)構(gòu)加固處及迎水側(cè)等區(qū)域重點(diǎn)加密，確保計(jì)算精度。根據(jù)有限元計(jì)算規(guī)則，設(shè)定模型X、Y、Z 正向分別為順?biāo)飨掠巍⒋怪毕蛏弦约爸卸沼野斗较?。設(shè)定墩底部位固定約束，無自由度邊界，頂部為單向約束條件，在迎水、背水側(cè)為多向約束，屬單自由度狀態(tài)；以當(dāng)前水閘上游蓄水位為計(jì)算工況，水位6.5 m，水閘閘門處于關(guān)閉狀態(tài)，該工況計(jì)算模型荷載條件包括結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力以及揚(yáng)壓力等。鋼結(jié)構(gòu)加固方案中主要參數(shù)已基本確定，包括型鋼連接方式以及數(shù)量等，但水閘共有2 根中墩與4 根邊墩，閘墩加固數(shù)量還未確定，擬至少加固2根以上；另有加固墩厚度參數(shù)未確定，這與鋼結(jié)構(gòu)布設(shè)形式有關(guān)，加固后墩厚最少0.4 m，為此針對(duì)兩設(shè)計(jì)參數(shù)開展優(yōu)化對(duì)比。

2 閘墩加固數(shù)量參數(shù)優(yōu)化分析

為分析閘墩加固數(shù)量參數(shù)對(duì)水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響，設(shè)計(jì)閘墩加固數(shù)量分別為2、3、4、5、6根，而閘墩厚度統(tǒng)一設(shè)定為0.6 m，其他參數(shù)保持一致，僅改變加固閘墩數(shù)量，計(jì)算各方案中閘墩關(guān)鍵部位應(yīng)力變化特征。

2.1 拉應(yīng)力特征

由不同加固數(shù)量方案計(jì)算可得關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力變化特征，如圖4 所示。從圖4 可看出，3 個(gè)關(guān)鍵部位中拉應(yīng)力最大為閘墩加固點(diǎn)處，在加固數(shù)量為3 根時(shí)該部位最大拉應(yīng)力1.88 MPa，而墩頂、墩底最大拉應(yīng)力相比前者分別下降64.1%、28.6%；各設(shè)計(jì)方案中該部位最大拉應(yīng)力相比墩頂、墩底增幅分別達(dá)89.1%～2.96倍、36%～51%。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注加固點(diǎn)，該部位極易發(fā)生拉應(yīng)力集中效應(yīng)[14，15]。分析加固數(shù)量與最大拉應(yīng)力變化關(guān)系可知，加固點(diǎn)與墩底部位處最大拉應(yīng)力均呈先減后增變化，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為加固數(shù)量4 根，該方案下前兩者的最大拉應(yīng)力分別為1.43、0.95 MPa，均低于結(jié)構(gòu)材料安全值；當(dāng)加固數(shù)量超過4 根，達(dá)到5、6 根后，墩底處最大拉應(yīng)力相比加固數(shù)量4 根增長(zhǎng)了19.5%、53.4%，平均增幅可達(dá)36.4%，而加固點(diǎn)在加固數(shù)量4～6 根區(qū)間內(nèi)最大增幅27%，平均增幅20.8%，其拉應(yīng)力已超過結(jié)構(gòu)應(yīng)力安全值，閘墩失穩(wěn)傾覆滑移趨勢(shì)增大。當(dāng)加固數(shù)量為4 根時(shí)，墩底處最大拉應(yīng)力相比加固數(shù)量2、3 根分別降低了51.2%、29.3%，處于遞減態(tài)勢(shì)；閘墩加固數(shù)量在2～4根區(qū)間內(nèi)，墩底、鋼結(jié)構(gòu)加固點(diǎn)部位最大拉應(yīng)力平均降幅為30.2%、26.4%。從應(yīng)力安全性角度考慮，閘墩加固數(shù)量應(yīng)控制在4根以內(nèi)，可以降低由于加固數(shù)量過多、導(dǎo)致應(yīng)力擾動(dòng)過大而引起較大張拉應(yīng)力威脅。與墩底、加固點(diǎn)兩關(guān)鍵部位變化態(tài)勢(shì)不同的是，墩頂處在加固數(shù)量為2～4 根區(qū)間時(shí)，最大拉應(yīng)力基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，波動(dòng)幅度最大僅為1.2%，穩(wěn)定在0.67 MPa 左右，顯著低于結(jié)構(gòu)張拉破壞強(qiáng)度；而在加固數(shù)量超過4根后，墩頂部位最大拉應(yīng)力呈增大特征，加固數(shù)量為5、6 根時(shí)最大拉應(yīng)力相比前一穩(wěn)定應(yīng)力值分別上升了21.2%、64.5%，張拉應(yīng)力威脅增大。綜合而論，閘墩加固數(shù)量控制在4根時(shí)，對(duì)水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力擾動(dòng)影響較小，結(jié)構(gòu)張拉應(yīng)力增幅不顯著，各關(guān)鍵部位應(yīng)力滿足安全要求。

圖4 關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力特征（閘墩加固數(shù)量影響）

2.2 壓應(yīng)力特征

由不同閘墩加固數(shù)量方案計(jì)算得到關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力變化特征，如圖5所示。

圖5 關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力特征（閘墩加固數(shù)量影響）

加固點(diǎn)、墩底壓應(yīng)力與加固數(shù)量呈遞增關(guān)系，預(yù)壓效果較好，確保了閘墩不出現(xiàn)失穩(wěn)[16，17]，加固數(shù)量為2 根時(shí)加固點(diǎn)最大壓應(yīng)力為11.5 MPa，而加固數(shù)量為4、6根時(shí)壓應(yīng)力相比前者上升了38.1%、40.6%；從壓應(yīng)力增幅變化來看，在加固數(shù)量4根后，增幅有所減小，加固點(diǎn)、墩底部位平均增幅分別為0.9%、2.4%，而加固數(shù)量在2～4 根區(qū)間內(nèi)增幅分別為17.6%、21.3%，從經(jīng)濟(jì)成本角度考慮，加固數(shù)量在4根時(shí)抗失穩(wěn)效果最優(yōu)，成本適中。與拉應(yīng)力類似，墩頂部位最大壓應(yīng)力變化與墩底、加固點(diǎn)部位亦有顯著差異，各設(shè)計(jì)方案下墩頂部位最大壓應(yīng)力基本不變，穩(wěn)定在7.6 MPa，最大變化幅度僅為1.9%，表明墩頂部位最大壓應(yīng)力受閘墩加固數(shù)量影響敏感度較低。比較拉、壓應(yīng)力受加固數(shù)量影響變化特征可知，當(dāng)閘墩加固數(shù)量為4 根時(shí)，不僅有利于水閘結(jié)構(gòu)抗拉性，同時(shí)水閘抗失穩(wěn)滑移效果也最佳，是閘墩加固數(shù)量最優(yōu)參數(shù)。

3 閘墩厚度設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

根據(jù)閘墩厚度設(shè)計(jì)方案，設(shè)定厚度參數(shù)分別為0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4 m，閘墩加固數(shù)量設(shè)定為4根，其他參數(shù)均保持一致。

3.1 拉應(yīng)力特征

根據(jù)不同閘墩厚度設(shè)計(jì)方案下拉應(yīng)力計(jì)算，獲得關(guān)鍵部位拉應(yīng)力變化特征，如圖6所示。從圖6可知，3 個(gè)關(guān)鍵部位拉應(yīng)力隨閘墩厚度增加均呈遞減態(tài)勢(shì)，即關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力與閘墩厚度參數(shù)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，但降幅均在閘墩厚度1 m 后逐漸放緩，加固點(diǎn)處在厚度1 m 時(shí)最大拉應(yīng)力相比厚度0.4、0.8 m時(shí)分別降低了51.3%、18.3%，而厚度1.4 m 下最大拉應(yīng)力相比厚度1 m 僅下降了7.7%，說明閘墩厚度對(duì)關(guān)鍵部位拉應(yīng)力影響逐步減弱。在閘墩厚度0.4～1 m區(qū)間內(nèi)，加固點(diǎn)、墩底、墩頂處最大拉應(yīng)力的平均降幅分別為21.3%、27.5%、38.8%，厚度超過1 m 后，在1～1.4 m 區(qū)間內(nèi)3個(gè)關(guān)鍵部位的降幅分別僅有3.9%、2%、1.3%。閘墩厚度愈大，雖所控制的結(jié)構(gòu)張拉應(yīng)力愈低，但不可忽視所需鋼結(jié)構(gòu)材料成本也會(huì)愈高，因而選擇適中的厚度參數(shù)更利于水閘加固設(shè)計(jì)。從圖6可知，當(dāng)閘墩厚度為1 m時(shí)，3個(gè)關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力分別為1.32、0.75、0.32 MPa，均低于結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)值，且建設(shè)成本較適宜，該厚度參數(shù)為最優(yōu)方案。

圖6 關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力特征（閘墩厚度影響）

3.2 壓應(yīng)力特征

同理，計(jì)算獲得閘墩厚度影響下關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力變化特征，如圖7 所示。從圖7 可看出，閘墩厚度參數(shù)與各關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力具有二次函數(shù)關(guān)系，均呈先增后減變化，控制閘墩厚度在壓應(yīng)力增幅區(qū)間更佳。在閘墩厚度為0.4 m時(shí)，加固點(diǎn)部位最大壓應(yīng)力為12.1 MPa，而厚度0.6、1 m方案下最大壓應(yīng)力相比前者分別上升了22.7%、44.8%，而厚度1.4 m壓應(yīng)力相比厚度1 m 下降了15.9%，厚度1 m 為關(guān)鍵部位壓應(yīng)力最大方案。在閘墩厚度0.4～1 m 區(qū)間內(nèi)，加固點(diǎn)、墩底、墩頂處最大壓應(yīng)力平均增幅分別為13.4%、18%、20.6%，而厚度超過1 m 后即厚度在1～1.4 m 區(qū)間內(nèi)，關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力分別減小，平均降幅分別為8.2%、9.5%、10.3%。當(dāng)厚度為1 m時(shí)，3個(gè)關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力分別為17.6、16.1、13.8 MPa，不僅低于結(jié)構(gòu)材料抗壓強(qiáng)度，且結(jié)構(gòu)抗傾覆失穩(wěn)性能最優(yōu)。綜合認(rèn)為，當(dāng)閘墩厚度為1 m 時(shí)，閘墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力穩(wěn)定性最佳，為最優(yōu)方案。

圖7 關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力特征（閘墩厚度影響）

4 結(jié)論

（1）加固點(diǎn)部位為閘墩拉應(yīng)力最大；加固點(diǎn)與墩底部位處拉應(yīng)力最低方案均為加固數(shù)量4根，兩部位最大拉應(yīng)力隨加固數(shù)量增加呈先減后增變化，墩頂最大拉應(yīng)力在低于加固數(shù)量4根時(shí)穩(wěn)定在0.67 MPa，超過4根后均遞增。

（2）加固點(diǎn)、墩底部位最大壓應(yīng)力隨閘墩加固數(shù)量增加為遞增變化，但在加固數(shù)量4根后增幅減小，墩底部位在加固數(shù)量2～4、4～6根區(qū)間內(nèi)的平均增幅分別為21.3%、2.4%，各加固數(shù)量方案下墩頂最大壓應(yīng)力基本不變，穩(wěn)定在7.6 MPa。

（3）關(guān)鍵部位拉應(yīng)力與閘墩厚度參數(shù)為負(fù)相關(guān)變化，但降幅差異性顯著，加固點(diǎn)、墩底、墩頂處最大拉應(yīng)力在厚度0.4～1 m 區(qū)間內(nèi)平均降幅為21.3%、27.5%、38.8%，在 1～1.4 m 區(qū)間內(nèi)平均降幅又為3.9%、2%、1.3%；厚度參數(shù)與關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力具有二次函數(shù)關(guān)系，厚度1 m 時(shí)關(guān)鍵部位壓應(yīng)力最大，結(jié)構(gòu)抗傾覆滑移效果最好。

（4）綜合應(yīng)力變化特征，認(rèn)為閘墩加固數(shù)量4根、閘墩厚度1 m時(shí)為加固設(shè)計(jì)最優(yōu)方案。