Midas GTS在積美攔河閘壩中的運(yùn)用分析

楊吉旺

(中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

1 工程概況

吳川市積美攔河閘壩工程位于湛江吳川市梅錄鎮(zhèn)以北5km處的鑒江干流上，是以排洪、灌溉、供水為主，結(jié)合航運(yùn)及公路交通的水利樞紐工程。閘孔總凈寬為225m，分15孔布置，單孔凈寬15m，設(shè)計(jì)泄洪流量4830m3/s(P=2%)，校核泄洪流量5337m3/s(P=1%)。閘室采用平底寬頂堰型，堰頂高程為-1.00m，閘室長(zhǎng)度為22m。工程規(guī)模為大(2)型，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)，臨時(shí)建筑物級(jí)別為4級(jí)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇。交通橋荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車(chē)荷載按公路-Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用3.0kN/m2。地震基本烈度為Ⅶ度。

根據(jù)地勘報(bào)告，水閘工程區(qū)地層自上而下為：第四系人工堆積(①-1拋石、①-2人工填砂)、第四系沖積層(②-1粉質(zhì)黏土、②-2中粗砂、②-4圓礫)、第四系殘積層(③殘積土)、震旦系變質(zhì)巖(④-1全風(fēng)化花崗片麻巖、④-2強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖、④-3弱風(fēng)化花崗片麻巖)。閘室建基面土層為中粗砂，其下為花崗巖層，地基條件較好。

在進(jìn)行水閘結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算時(shí)，常用的計(jì)算方法為彈性地基梁法(屬平面計(jì)算，閘墩和底板相對(duì)獨(dú)立)，這種方法雖然簡(jiǎn)單，但是很難全面反映水閘整體內(nèi)力效應(yīng)。本工程水閘規(guī)模為大(2)型，受力條件和地基條件較為復(fù)雜，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.5.8條規(guī)定，本水閘宜視為整體結(jié)構(gòu)，采用空間有限單元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算分析。文章試圖通過(guò)利用有限元計(jì)算軟件Midas GTS對(duì)積美攔河閘結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析閘基沉降情況及閘底板受力情況，為下階段閘室結(jié)構(gòu)配筋提供更充分的理論依據(jù)[1]。

2 有限元計(jì)算

Midas GTS有限元計(jì)算主要計(jì)算步驟為建立幾何模型、定義材料屬性、設(shè)置邊界條件及荷載條件、定義施工階段等。

2.1 建立幾何模型

本工程水閘共有15孔，單孔凈寬15m，閘孔總凈寬為225m，左端與左岸船閘相接，右端通過(guò)空箱擋墻與管理區(qū)相接；左岸14孔為兩孔一聯(lián)的整體式結(jié)構(gòu)，中墩厚2m，縫墩厚3m，邊墩厚1.5m。閘室采用平底寬頂堰型，閘室長(zhǎng)度為22m。綜合考慮外力分布，本次截取閘5、閘6這一聯(lián)進(jìn)行建模計(jì)算。

本次只對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單建模(不設(shè)自重)，其豎向荷載通過(guò)估算分配作用于柱端；交通橋板簡(jiǎn)化支座反力作用于閘墩上。

有限元模型如圖2所示，共有24881個(gè)節(jié)點(diǎn)，30933個(gè)單元。該模型以橫河向?yàn)閄軸，指右岸為正；以順河向?yàn)閅軸，指向下游為正；以鉛直向?yàn)閆軸，指向上為正。單元網(wǎng)格按邊長(zhǎng)1m的正方體劃分，局部異形部位軟件自動(dòng)調(diào)整單元大小。土層截取范圍：水閘左右側(cè)各向外延伸10m，上下游各向外延伸10m，其他結(jié)構(gòu)都與真實(shí)尺寸一致。

圖1 水閘閘室結(jié)構(gòu)圖

2.2 定義材料屬性

結(jié)構(gòu)材料主要有C25混凝土、基礎(chǔ)土層，這些材料類(lèi)型為各向同性，其中混凝土模型類(lèi)型屬?gòu)椥灶?lèi)型，基礎(chǔ)土層模型類(lèi)型屬莫爾-庫(kù)倫類(lèi)型。根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告及《工程地質(zhì)手冊(cè)》，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)(一般彈性模量近似2-5倍壓縮模量)，水閘地基各巖土層工程特征參數(shù)如表1所示。

表1 水閘地基各巖土層工程特征參數(shù)表

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191—2008)第4.1.7條，本次水閘結(jié)構(gòu)材料各特征參數(shù)如表2所示。

表2 水閘結(jié)構(gòu)材料工程特征參數(shù)表

2.3 設(shè)置邊界條件

Midas GTS中，本模型邊界條件主要指地基土層位移約束邊界及水閘結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)位移約束邊界。由于水閘結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)位移較小，本次考慮單聯(lián)兩孔運(yùn)行，暫不施加約束，只對(duì)水閘基底各土層施加三個(gè)方向約束[2]。

2.4 設(shè)置荷載條件

本模型涉及到的外部荷載有自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、風(fēng)壓力、浪壓力、汽車(chē)荷載等。其中自重包括水閘自重、土層自重、水閘上部啟閉房重量、交通橋板重量。水閘自重、土層自重軟件自動(dòng)計(jì)算。(暫不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)，下階段結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算時(shí)再作調(diào)整，以下均為荷載標(biāo)準(zhǔn)值)

1)自重：

水閘上部啟閉房重量G上部按1.5t每平米估算(即15kN/m2)，較矮啟閉房有兩層，較高啟閉房有4層，單孔寬按35/2=17.5m，啟閉房寬13m，則:

水閘上部啟閉房總重量G上部=17.5×13×(2+4)×15=20475kN；

較矮啟閉房側(cè)重量G1=17.5×13×2×15=6825kN，平均分?jǐn)偟?根柱，每根柱承重g1=6825/8=853kN；

較高啟閉房側(cè)重量G1=17.5×13×4×15=13650kN，平均分?jǐn)偟?根柱，每根柱承重g2=13650/8=1706kN。

中間排架每根柱承重為g3=g1+g2=2559kN/m2。

2)靜水壓力：

正常蓄水工況，閘前水位為4.40m，閘后水位為2.51m，水閘底板高程為-1.00m。則：

水重均布荷載F閘前=(4.40-(-1))×10=54kN/m2，F(xiàn)閘后=(2.51-(-1))×10=35.1kN/m2

水平水壓力E閘前=10×(4.40-(-1))=54kN/m2，E閘后=10×(2.51-(-1))=35.1kN/m2。

3)揚(yáng)壓力：

揚(yáng)壓力分為浮托力和滲透壓力。正常蓄水位工況時(shí)：

浮托力F浮托=(2.51-(-3))×22×35×10=42427kN，

閘底板上游齒墻端設(shè)置C25素混凝土連續(xù)墻(厚600mm)作防滲處理，防滲墻伸入殘積土層，采用沿程阻力系數(shù)法算出來(lái)過(guò)了防滲墻后閘底板處壓力水頭基本維持0.899m-0.856m，則滲透壓力可近似矩形荷載分布作用于閘底板，滲透壓力F滲透=0.9×22×35×10=6930kN。

4)風(fēng)壓力：

根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)計(jì)算公式及參數(shù)取值，風(fēng)壓力計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)壓力計(jì)算表

5)浪壓力：

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016)附錄E相關(guān)計(jì)算公式，浪壓力計(jì)算見(jiàn)表4，由表知浪壓力F浪=1645.55 kN。

表4 浪壓力計(jì)算表

續(xù)表4 浪壓力計(jì)算表

則浪壓力作用彎矩M浪=1637.67×(0.29+4.4)=7680kN·m。

6)汽車(chē)荷載：

本次建模作用于交通橋的汽車(chē)荷載采用車(chē)道荷載(均布荷載及集中荷載)，同時(shí)考慮汽車(chē)荷載沖擊力。本工程交通橋汽車(chē)荷載等級(jí)按公路-Ⅰ級(jí)。

a)上部結(jié)構(gòu)恒載Q：

預(yù)制階段恒載q1:

預(yù)制板重力密度取?=26KN/m3；

邊板：q1-1=?A邊=26×0.60=15.60kN/m(計(jì)入懸臂部重)；

中板：q1-2=?A中=26×0.46=11.96kN/m。

b)鉸縫及混凝土鋪裝恒載q2:

100mm混凝土鋪裝重力密度取?=25kN/m3；一道鉸縫混凝土0.1144m3/m，重力密度取?=25KN/m3。

邊板：q2-1=25×(1.5×0.100+0.1144/2)=5.18kN/m；

中板：q2-2=25×(1.0×0.100+0.1144)=5.36kN/m。

c)瀝青混凝土鋪及防撞墩恒載q3:

瀝青混凝土鋪裝及防撞墩重力密度取γ=25kN/m3；

q3-1=?A瀝青=25×1.12=28kN/m；

q3-2=?A防撞墩=25×0.9392=23.48kN/m。

d)一跨橋墩所受恒載Q：

Q=(q1-1×1×L+q1-2×8×L+q2-1×1×L+q2-2×8×L+q3-1×L+q3-2×L)/2

=(15.6×1×16.96+11.96×8×16.96+5.18×1×16.96+5.36×8×16.96+28×16.96+23.48×16.96)/2=3575.51/2=1787.75 KN。

2)活載N：

a)橋墩所受汽車(chē)荷載N1:

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)，根據(jù)《通規(guī)》第4.3條，公路—Ⅰ級(jí)車(chē)道荷載均布標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值：當(dāng)計(jì)算跨徑<5m時(shí)，qk=270kN；當(dāng)計(jì)算跨徑≥50m，qk=360kN。

qk=10.5kN/m；

pk=2×(L0+130)=2×(16.6+130)=293.20kN；

N1=*(由于本次按照雙車(chē)道設(shè)計(jì)，故橋墩所受汽車(chē)荷載為2N1=877.98kN。

b)汽車(chē)沖擊力N2:

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》4.3.2條規(guī)定，汽車(chē)荷載的沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值為汽車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以沖擊系數(shù)μ。

沖擊系數(shù)μ可按下式計(jì)算：

當(dāng)f<1.5HZ時(shí)，μ=0.05；

當(dāng)1.5Hz ≤f≤ 14Hz時(shí)，μ=0.1767ln(f)-0.0157；

當(dāng)14Hz

式中：f為結(jié)構(gòu)基頻，Hz。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》條文說(shuō)明4.3.2

簡(jiǎn)支板結(jié)構(gòu)基頻：

(1)

式中：l為結(jié)構(gòu)計(jì)算跨徑，m；EC為結(jié)構(gòu)材料的彈性模量，Pa；C50混凝土Ec=3.45×104MPa=3.45×104N/m2；IC為結(jié)構(gòu)跨中截面的截面慣矩，m4，Ic=0.0496m4；mc為結(jié)構(gòu)跨中處的單位長(zhǎng)度重量，N·S2/m2；G為跨中縱橋向每延米結(jié)構(gòu)自重，N/m，G=26×0.458=11.908，kN/m；g為重力加速度g=9.81(m/s2)。

則：

(2)

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》第4.3.2條，沖擊系數(shù)μ可按下式計(jì)算：

當(dāng)1.5Hz≤f≤14Hz時(shí)，μ=0.1767In(f)-0.0157；

μ=0.1767In(6.76)-0.0157=0.322；

N2=0.322×877.98=282.71kN。

c)一跨橋墩所受活載N：

N=2N1+N2=877.98+282.71=1160.69kN。

3)支座反力F：

本項(xiàng)目單跨橋梁由9塊預(yù)制空心板組成，故各空心板下支座反力為：

F=(Q+N)/9=(1787.75+1160.69)/9=328kN。

交通橋與閘墩簡(jiǎn)支，作用于交通橋的所有力等效集中反力作用于閘墩上，本次所建模型交通橋與閘墩接觸面支座面共9個(gè)支座反力點(diǎn)，則：

邊墩支座反力F邊=328kN，中墩支座反力F中=328×2=656kN。

2.5 定義施工階段

施工階段分析，包含了從初始巖土條件開(kāi)始的連續(xù)的施工過(guò)程。初始條件是指現(xiàn)場(chǎng)施工前的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件。由初始條件中得到初始應(yīng)力后，進(jìn)而可以得到開(kāi)挖荷載以及由材料屬性模型，定義剪切強(qiáng)度。

在Midas GTS中，不會(huì)按各個(gè)施工階段創(chuàng)建獨(dú)立的分析模型，而是采用累加模型的概念，即各施工階段只輸入結(jié)構(gòu)或荷載的變化，并將分析結(jié)果按前一階段分析結(jié)果累加。因此，在施工階段分析中，在當(dāng)前一階段發(fā)生的結(jié)構(gòu)或荷載的變化，會(huì)影響后一階段施工的分析結(jié)果[3]。本次水閘施工階段共分為三個(gè)階段，分別為初始應(yīng)力階段、完建工況階段、正常蓄水工況階段。(其余設(shè)計(jì)水位工況、地震工況暫未研究，下階段再作補(bǔ)充)

2.5.1 初始應(yīng)力階段

水閘未修建之前，壩基初始地應(yīng)力場(chǎng)僅由閘基自重引起。

2.5.2 完建工況階段

此時(shí)剛建好，仍未通水，不考慮水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力和風(fēng)荷載。

2.5.3 正常蓄水工況階段

正常蓄水工況，閘前水位為4.40m，閘后水位為2.51m。此時(shí)考慮水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力和風(fēng)荷載等作用。

2.6 計(jì)算結(jié)果及分析

1)閘基土層豎向變形：閘基土層變形統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表5。

表5 閘基土層變形統(tǒng)計(jì)表

由表5知，閘基土層在完建工況時(shí)豎向沉降最大為128.7mm(出現(xiàn)在水閘上游右側(cè)邊角部位，即高閘房對(duì)應(yīng)土層部位)。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.3.6條規(guī)定，土質(zhì)地基最大沉降量≤150mm，滿足規(guī)范要求。整個(gè)水閘底板所在范圍土層相鄰部位沉降差約10mm左右，在規(guī)范允許范圍內(nèi)(<50mm)，滿足規(guī)范要求。

土層豎向變形見(jiàn)圖3(僅列中粗砂層作示意)，水閘變形前后對(duì)比圖見(jiàn)圖4(僅列完建工況作示意)。

圖3 中粗砂層及以下土層豎向變形圖 圖4 水閘變形前后對(duì)比圖

2)水閘底板應(yīng)力：

在閘墩豎向壓力作用下，水閘閘室底板主要承受垂直于水流方向的彎矩作用。采用Midas GTS軟件的后處理功能，對(duì)閘底板應(yīng)力進(jìn)行可視化處理，底板頂面和底面應(yīng)力分布如圖5-圖8所示，正值代表受拉，負(fù)值代表受壓。

圖5 完建工況閘底板X(qián)軸方向的應(yīng)力分布圖 圖6 正常蓄水工況閘底板X(qián)軸方向的應(yīng)力分布圖

圖7 完建工況閘底板Y軸方向的應(yīng)力分布圖 圖8 正常蓄水工況閘底板Y軸方向的應(yīng)力分布

根據(jù)圖示結(jié)果可知，對(duì)于X軸方向(即垂直于水流方向)的應(yīng)力，完建工況水閘底板最大拉應(yīng)力為2.49MPa(出現(xiàn)在中墩下底板的底部，水閘下游側(cè))，水閘底板最大壓應(yīng)力為2.42MPa；正常蓄水工況水閘底板最大拉應(yīng)力為2.29MPa(亦出現(xiàn)在中墩下底板的底部，水閘下游側(cè))，水閘底板最大壓應(yīng)力為2.09MPa。X軸方向出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力小于C25混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(11.9MPa)。

對(duì)于Y軸方向(即順?biāo)鞣较?的應(yīng)力，完建工況水閘底板最大拉應(yīng)力為0.83MPa(出現(xiàn)在矮閘房下單孔跨中，水閘上游側(cè))，水閘底板最大壓應(yīng)力為0.95MPa；正常蓄水工況水閘底板最大拉應(yīng)力為0.75MPa(亦出現(xiàn)在中墩下底板的底部，水閘下游側(cè))，水閘底板最大壓應(yīng)力為0.94Mpa。Y軸方向出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力亦小于C25混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(11.9MPa)。

顯然Y方向應(yīng)力比X方向的少很多，這是因?yàn)轫標(biāo)鞣较?，底板與閘墩形成一個(gè)倒T梁結(jié)構(gòu)，剛度很大，彎曲變形較垂直水流方向的小，也說(shuō)明了采用GTS NX對(duì)上部受復(fù)雜荷載的閘底板進(jìn)行有限元分析，計(jì)算其應(yīng)力分布的狀況，結(jié)果符合實(shí)際情況，具備可靠性。

3 結(jié) 語(yǔ)

文章將水閘的底板、閘墩和地基作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，采用Midas GTS有限元計(jì)算軟件進(jìn)行整體分析計(jì)算，能夠較好地模擬閘室受力，較可靠地反映實(shí)際工程情況，易于工程應(yīng)用，具有較好的計(jì)算精度，能滿足工程計(jì)算要求。通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明文章采用的簡(jiǎn)化模型及邊界條件合理可行，對(duì)今后實(shí)際工程的進(jìn)一步優(yōu)化、結(jié)構(gòu)配筋分析提供了一定的思路和方向。