龍山大閘有限元靜力分析研究

馮 帥

水閘是一種能夠調(diào)節(jié)水位、控制流量的低水頭水工建筑物，在防洪治澇、供水灌溉、航運(yùn)發(fā)電等水利工程中起著關(guān)鍵作用，尤其在廣大平原地區(qū)，水閘的應(yīng)用更為廣泛[1-2]。水閘常與其他建筑物如堤壩、船閘、魚道、筏道、水電站、揚(yáng)水站等組成水利樞紐。按工程任務(wù)可將水閘分為攔河閘、進(jìn)水閘、排水閘、分洪閘和擋潮閘等，水閘構(gòu)造形式有開敞式水閘和涵洞式水閘兩種[3]。水閘設(shè)計的重點(diǎn)是穩(wěn)定計算和結(jié)構(gòu)計算，并據(jù)此確定水閘的構(gòu)造型式、結(jié)構(gòu)及各部分尺寸[4-5]。

早期混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法主要采用工程類比法和模型試驗(yàn)法，力求從已有的工程實(shí)踐和通過模型試驗(yàn)來得到接近實(shí)際工程的設(shè)計數(shù)據(jù)。現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)正向大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展，需要高精度的結(jié)構(gòu)分析與精確的過程仿真作為結(jié)構(gòu)設(shè)計及工程施工的基礎(chǔ)。隨著計算機(jī)的發(fā)展，有限元方法理論的發(fā)展和應(yīng)用空前繁榮，各種大型通用有限元計算軟件和專用計算軟件大量涌現(xiàn)，并逐漸應(yīng)用在水利工程實(shí)際結(jié)構(gòu)計算分析中，其中影響較大的軟件有ANDINA、ANSYS、ALGOR、MARC和MIDAS等有限元分析軟件[6]。本研究利用ANSYS軟件建立三維模型對正常蓄水工況條件下龍山大閘進(jìn)行有限元靜力分析研究，全面分析閘室、地基及弧形閘門支座的地基沉降和應(yīng)力狀況。

1 工程概況

龍山大閘樞紐坐落在淮河一級支流潢河上，是一座具有防洪、灌溉、供水、發(fā)電等綜合功能的水利樞紐。龍山大閘始建于1976年11月，1980年底因國家基本建設(shè)資金壓縮而緩建，后于1985年復(fù)工續(xù)建，1990年5月竣工驗(yàn)收并交付使用。2009年，龍山大閘安全鑒定結(jié)論為存在嚴(yán)重的安全隱患，被評定為三類閘，后續(xù)按照原工程布置對其進(jìn)行除險加固。龍山大閘為平原區(qū)水閘，最大過閘流量大于5 000 m3/s，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[7]和《水閘設(shè)計規(guī)范》[8]，該工程為Ⅰ等工程，規(guī)模為大（1）型，主要建筑物級別為1級，次要建筑物級別為3級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。

2 模型建立

2.1 模型單元選擇

選用三維實(shí)體單元SOLID65模擬混凝土實(shí)體，實(shí)體單元由8個結(jié)點(diǎn)來定義，每個結(jié)點(diǎn)有x、y、z三個方向的平移自由度，可以比較精準(zhǔn)地模擬閘室復(fù)雜的體型結(jié)構(gòu)。模型單元需輸入各種材料（不同標(biāo)號的混凝土和不同性質(zhì)地基）的彈性模量（變形模量）和泊松比進(jìn)行仿真計算，并結(jié)合設(shè)計需要輸出各個部位各方向上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力、主應(yīng)力和變位等分析結(jié)果。

2.2 假設(shè)條件

采用有限元分析軟件ANSYS建立有限元計算模型，為了更好模擬水閘復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，在建立有限元模型時擬定以下假設(shè)條件：

（1）混凝土與鋼筋的組合采用整體式模型。

（2）單元網(wǎng)格整體控制盡量使用六面體單元，減少四面體單元的出現(xiàn)。

（3）閘室底板和相鄰巖體間完全連接，即兩者相鄰處混凝土單元和巖體單元采用共用節(jié)點(diǎn)的傳力方式。

（4）施加荷載時，閘墩上的工作橋荷載和交通橋荷載等效為面荷載作用于閘墩頂部荷載所作用的面域內(nèi)。

（5）閘墩、底板、地基等自重由軟件根據(jù)其體積和材料密度自動計算。弧形閘門在擋水時所受水推力簡化為直接作用在弧形閘門支座上的集中應(yīng)力，閘底板上水重力及下部揚(yáng)壓力直接作為面荷載施加于閘底板上。

（6）綜合考慮模型計算時間及地基計算尺寸對結(jié)果的影響，建模時地基平面尺寸取閘室尺寸的2倍左右，深度與閘室高度等高，地基施加軸向?qū)ΨQ約束。

2.3 龍山大閘ANSYS模型

根據(jù)選擇的模型單元和擬定的假設(shè)條件利用ANSYS軟件建立了龍山大閘三維有限元模型，如圖1所示。模型總計單元數(shù)為52 792個，其中閘墩與閘底板共劃分單元數(shù)為16 100個，弧形閘門支座劃分單元數(shù)為512個，地基劃分單元數(shù)為36 180個。

圖1 龍山大閘三維有限元模型示意圖

2.4 載荷組合

在龍山大閘三維有限元靜力分析過程中，采用與除險加固工程設(shè)計相同的工況載荷組合進(jìn)行分析，不同工況的荷載組合見表1。本研究主要是對正常蓄水工況條件下進(jìn)行有限元靜力分析研究。正常蓄水工況條件下，龍山大閘載荷組合有水閘自重、水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力和波浪壓力。

表1 3種工況的荷載組合

3 模型結(jié)果

3.1 地基沉降分析

正常蓄水工況條件下閘室沉降云圖如圖2所示。由圖2可知，龍山大閘在正常蓄水工況條件下閘室沉降分布均勻，位移的減少呈現(xiàn)明顯規(guī)律性，最大沉降出現(xiàn)在閘墩上游工作橋與閘墩接觸面處，最大值為0.804 mm，滿足規(guī)范要求。

圖2 閘室沉降云圖

正常蓄水工況條件下地基沉降云圖如圖3所示。由圖3可知，正常蓄水期龍山大閘地基沉降最大值出現(xiàn)在閘底板上游部分與地基接觸面處，沉降最大值為0.704 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范中地基允許沉降最大值。

3.2 應(yīng)力分析

正常蓄水工況條件下應(yīng)力分析如圖4～6所示。由圖4～6可知，閘室共有3處出現(xiàn)拉應(yīng)力，分別位于閘墩與下游交通橋接觸面周圍、閘底板底面順?biāo)髦行木€周圍及閘墩與弧形閘門支座接觸面處，其中閘墩與下游交通橋接觸面周圍出現(xiàn)的拉應(yīng)力最大值為0.28 MPa，閘底板底面順?biāo)髦行木€周圍出現(xiàn)的拉應(yīng)力最大值為0.62 MPa，均小于C25混凝土軸心抗拉強(qiáng)度，而閘墩與弧形閘門支座接觸面處最大拉應(yīng)力值為1.44 MPa，大于C25混凝土軸心抗拉強(qiáng)度1.27 MPa。

由圖6可知，正常蓄水工況條件下弧形閘門支座所受拉應(yīng)力最大值為1.19 MPa，略小于C30混凝土軸心抗拉強(qiáng)度值1.27 MPa，出現(xiàn)在弧形閘門支座底部與閘墩接觸處周圍，但由于工程實(shí)際中弧形閘門支座內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際抗拉強(qiáng)度可能達(dá)不到C30混凝土軸心抗拉強(qiáng)度，為保障工程安全，在工程中對弧形閘門支座進(jìn)行加筋處理。

圖6 弧形閘門支座第一主應(yīng)力云圖

正常蓄水工況條件下有限元靜力分析結(jié)果見表2。

表2 有限元靜力分析結(jié)果 MPa

4 優(yōu)化建議

（1）正常蓄水工況條件下閘墩與弧形閘門支座接觸面處最大拉應(yīng)力超出了C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，工程實(shí)施過程中弧形閘門支座及閘墩受拉區(qū)應(yīng)配置足夠的鋼筋。

（2）弧形閘門支座部分區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，該處鋼筋密集，還有金屬結(jié)構(gòu)預(yù)埋件，混凝土不容易振搗密實(shí)，為消除應(yīng)力集中，工程實(shí)施過程中支鉸與支座結(jié)合面宜提高混凝土強(qiáng)度等級或加設(shè)鋼板。

5 結(jié) 語

利用有限元靜力分析軟件進(jìn)行水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計和沉降分析是未來水閘設(shè)計的重要發(fā)展方向。水閘有限元靜力分析需結(jié)合工程實(shí)際建立合適的分析模型，輸入準(zhǔn)確的相關(guān)參數(shù)和全面的模擬分析論證。本文通過對正常蓄水工況條件下龍山大閘進(jìn)行有限元靜力分析研究，為龍山大閘除險加固工程實(shí)施過程中結(jié)構(gòu)設(shè)計提供優(yōu)化建議。本文有限元靜力分析研究方法對今后類似工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定參考意義。