基于仿真的塘沖水庫(kù)閘門加固設(shè)計(jì)參數(shù)分析研究

房一貴

(連南瑤族自治縣水利事務(wù)中心,廣東 清遠(yuǎn) 513300)

水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提升，乃是保障水利工程長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全性、建設(shè)經(jīng)濟(jì)性、工程適配性的重要舉措[1-3]，開(kāi)展水工設(shè)計(jì)方案優(yōu)化分析對(duì)此具有重要指導(dǎo)意義。由于擬建工程的設(shè)計(jì)多樣性以及工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，張?bào)心鹊萚4]、沈衛(wèi)[5]、陳斌等[6]認(rèn)為可在室內(nèi)建立水工模型，以模型試驗(yàn)與實(shí)際工況相結(jié)合，對(duì)工程設(shè)計(jì)方案開(kāi)展試驗(yàn)分析，獲得不同設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣性，進(jìn)而確定最適配工程的最優(yōu)方案。當(dāng)然，對(duì)現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)工程開(kāi)展長(zhǎng)期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)[7-8]，分析工程運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可在此基礎(chǔ)上比選出擬建工程的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。水工模型試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究方法，耗時(shí)以及試驗(yàn)成本均較大，無(wú)法較快給出設(shè)計(jì)方案的對(duì)比差異性，判斷出工程設(shè)計(jì)參數(shù)的影響性。因而，一些學(xué)者利用ANSYS、ABAQUS、FLAC等仿真軟件建立計(jì)算模型，施加對(duì)應(yīng)工況荷載條件，可較高效獲得不同設(shè)計(jì)參數(shù)或方案下計(jì)算模型的靜力場(chǎng)特征，分析優(yōu)選出最科學(xué)合理的方案，這類研究方法在水利大壩[9]、水閘[10]、溢洪道[11]等水工建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化中得到應(yīng)用。本文根據(jù)連南瑤族自治縣塘沖水庫(kù)閘門加固設(shè)計(jì)方案，利用ABAQUS有限元仿真完成了閘門加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析，為工程加固設(shè)計(jì)選擇最適宜參數(shù)提供計(jì)算依據(jù)。

1 工程概況

塘沖水庫(kù)工程位于連南瑤族自治縣三江鎮(zhèn)三江河支流上，乃是地區(qū)內(nèi)重要水利樞紐設(shè)施，承擔(dān)著連南縣城供水、防洪、發(fā)電等重要作用，設(shè)計(jì)總庫(kù)容為140.6萬(wàn)m3。水庫(kù)大壩采用混凝土砌石堆筑型式，壩高最大為47.0 m，壩軸線長(zhǎng)度為125.0 m，壩頂寬度為5.5 m，正常蓄水位庫(kù)容可滿足地區(qū)236.67 hm2農(nóng)田灌溉。該水庫(kù)引水口處設(shè)置有1#攔污柵水工建筑，設(shè)計(jì)尺寸為1.2 m×1.2 m，以鋼混結(jié)構(gòu)支撐墩為結(jié)構(gòu)承重系統(tǒng)，中心高程為214.3 m；由于上游河道泥沙含量較高，輸水渠首設(shè)置有沖砂管，采用鋼管通行流量形式，壁厚為10 mm，下游輸水涵洞進(jìn)口底板高程為205.8 m，與塘沖水庫(kù)輸水控制閘門相一致，底板坡度為2‰，底板厚度為0.4 m。輸水渠道全長(zhǎng)45.0 km，其流量精確控制與渠首塘沖水閘密切相關(guān)，渠首流量最大不超過(guò)0.6 m3/s，而輸水渠道內(nèi)最大滲透坡降不超過(guò)0.25，水頭壓力波動(dòng)幅度較小，輸水運(yùn)營(yíng)過(guò)程中水面線變化較穩(wěn)定，渠道內(nèi)無(wú)顯著渦流等紊流現(xiàn)象，渠道輸水耗損率不超過(guò)15%，防滲效果較好。在塘沖水閘前設(shè)置有2#攔污柵，其尺寸為2.2 m×1.8 m，采用橫、縱連系梁加固結(jié)構(gòu)，橫梁采用半圓弧截面體型，圓弧半徑為1.2 m，連系梁最大可降低拉應(yīng)力60%，柵墩與連系梁互為支撐系統(tǒng)，有限元模擬計(jì)算得知柵墩上最大拉應(yīng)力不超過(guò)1.5 MPa，結(jié)構(gòu)沉降變形為12.5 mm，攔污柵整體運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性較佳。從塘沖閘門安全運(yùn)營(yíng)考慮，其上游攔污柵附屬設(shè)施與下游輸水渠道均較為穩(wěn)定，因而重點(diǎn)開(kāi)展水閘自身設(shè)計(jì)安全性分析。塘沖水閘底板高程為200.4 m，采用多孔式泄流設(shè)計(jì)，單孔閘門尺寸為2.5 m×2.5 m，最大泄流量設(shè)計(jì)為255.0 m3/s，采用預(yù)應(yīng)力閘墩為支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)置有型鋼加固結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸為1.2 m×1.0 m，最大可承受4.0 MPa拉應(yīng)力，加固結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力閘墩錨索支護(hù)系統(tǒng)為該塘沖水閘穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的重要保障；閘門現(xiàn)狀有限元模擬計(jì)算得知最大拉應(yīng)力達(dá)2.2 MPa，局部滲漏性較嚴(yán)重，水閘開(kāi)度與閘門控制匹配性不佳。從水工結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)考慮，該樞紐設(shè)施的閘門結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性、滲透安全性，均會(huì)影響塘沖水庫(kù)整體運(yùn)營(yíng)，應(yīng)對(duì)該閘門重修加固，為此對(duì)塘沖水庫(kù)閘門設(shè)計(jì)參數(shù)開(kāi)展仿真計(jì)算分析。

圖1 塘沖閘門加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)俯視圖

2 研究方案

為保證塘沖水庫(kù)閘門運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性，擬采用鋼結(jié)構(gòu)加固措施，提升閘門靜載能力，塘沖閘門加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)俯視圖如圖1所示。所采用的加固結(jié)構(gòu)為型鋼設(shè)計(jì)方案，全長(zhǎng)為17.0 m，以彎拱式為設(shè)計(jì)形態(tài)，跨中寬度2.6 m，梁端部寬度為2.4 m，厚度為0.6 m，鋼結(jié)構(gòu)腹板高度為3.5 m，厚度為0.5 m，肋板厚度為0.4 m，并在腹板、底板等區(qū)域重點(diǎn)配筋，提升結(jié)構(gòu)剛度[12]。鋼結(jié)構(gòu)與閘墩之間設(shè)置有正方形墊板，截面尺寸為0.8 m×1.2 m，鋼梁截面為梯形體型，布設(shè)在閘門支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中。

根據(jù)對(duì)加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)分析得知，其翼緣比決定了鋼結(jié)構(gòu)布設(shè)型式與穩(wěn)定系數(shù)，此類型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案很大程度上就是翼緣比的對(duì)比優(yōu)化，塘沖水庫(kù)閘門加固結(jié)構(gòu)剖面型式如圖2所示。根據(jù)水庫(kù)運(yùn)營(yíng)工況下荷載分析得知，靜力荷載下水庫(kù)閘門外荷載包括有結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力以及閘門推力等，筆者擬定計(jì)算工況中水庫(kù)蓄水位為35.0 m，以閘門瞬時(shí)推力及水壓力推力合力點(diǎn)為閘門推力計(jì)算，其作用點(diǎn)如圖3所示。

圖2 閘門加固結(jié)構(gòu)剖面圖

圖3 閘門推力作用點(diǎn)(單位：mm)

利用ABAQUS仿真計(jì)算平臺(tái)建立水閘整體計(jì)算模型[13-14]，如圖4(a)所示，經(jīng)有限元網(wǎng)格劃分后獲得微單元體108 632個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)86 262個(gè)；另一方面，針對(duì)性給出塘沖水閘閘門與加固結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖4(b)所示，其網(wǎng)格分布密度高于整體模型。計(jì)算過(guò)程中設(shè)定模型中X、Y、Z正向分別為水流橫向右岸方向、順?biāo)飨掠畏较蚣伴l門垂直向上方向。

圖4 閘門有限元計(jì)算模型

為分析加固鋼結(jié)構(gòu)中翼緣比對(duì)閘門穩(wěn)定性影響，本文以鋼結(jié)構(gòu)截面翼緣寬厚比為分析參數(shù)，該參數(shù)為工字鋼截面寬度L與厚度a之比[15]，如圖5所示。本文中統(tǒng)一設(shè)定閘門加固結(jié)構(gòu)翼緣寬度為2400 mm，而翼緣比中鋼結(jié)構(gòu)寬厚比對(duì)比方案分別設(shè)定為25(A方案)、26(B方案)、27(C方案)、28(D方案)、29(E方案)、30(F方案)，故鋼結(jié)構(gòu)截面厚度分別為96 mm、92 mm、89 mm、86 mm、83 mm、80 mm，其他設(shè)計(jì)參數(shù)均保持一致，基于上述六種不同設(shè)計(jì)方案開(kāi)展對(duì)比計(jì)算分析。

圖5 工字鋼截面示意圖

3 加固設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)閘門力學(xué)特征影響

3.1 拉應(yīng)力特征

圖6 翼緣寬厚比參數(shù)與特征部位拉應(yīng)力關(guān)系

根據(jù)對(duì)塘沖水庫(kù)不同設(shè)計(jì)方案閘門加固鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算，獲得翼緣寬厚比設(shè)計(jì)參數(shù)與鋼結(jié)構(gòu)截面特征部位拉應(yīng)力關(guān)系特征，如圖6所示。從圖6可看出，加固鋼結(jié)構(gòu)上拉應(yīng)力最大位于下游翼緣部位，其在各設(shè)計(jì)方案中拉應(yīng)力分布為4.16～6.12 MPa，在寬厚比為26時(shí)最大拉應(yīng)力為 5.89 MPa，而相同方案中腹板、肋板處最大拉應(yīng)力較前者分別減少了65.3%、50.1%，從各設(shè)計(jì)方案對(duì)比來(lái)看，下游翼緣最大拉應(yīng)力與腹板、肋板部位間差距分別為21.6%～200.0%、41.4%～110.0%，而上、下游翼緣拉應(yīng)力差幅較小，各方案中最大差幅僅為30.1%，屬E方案。為確保加固結(jié)構(gòu)應(yīng)力穩(wěn)定性，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)翼緣進(jìn)行配筋保護(hù)，提升翼緣處剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗拉特性。當(dāng)寬厚比增大時(shí)，上、下游翼緣最大拉應(yīng)力均呈先減后增變化，拉應(yīng)力最低均為寬厚比28方案，在該方案下，翼緣上、下游部位最大拉應(yīng)力分別為2.75 MPa、3.56 MPa；上游翼緣部位在寬厚比25、27、30方案中最大拉應(yīng)力較前者方案分別增大了1.14倍、33.1%、88.4%，當(dāng)寬厚比位于25～28區(qū)間內(nèi)時(shí)，上游翼緣部位最大拉應(yīng)力隨寬厚比增長(zhǎng)的平均降幅為24.5%，而寬厚比超過(guò)28后，上游翼緣部位拉應(yīng)力的平均漲幅為38.3%；與之相對(duì)應(yīng)的是，下游翼緣部位在寬厚比25～28與28～30區(qū)間內(nèi)的平均降幅與增幅分別為15.5%、29.8%，即下游翼緣部位拉應(yīng)力受寬厚比影響敏感性不及翼緣上游。另一特征部位腹板處最大拉應(yīng)力隨翼緣寬厚比變化，僅在寬厚比28方案后才具有顯著變化，當(dāng)寬厚比低于28時(shí)，其拉應(yīng)力穩(wěn)定在2.04 MPa左右，而寬厚比超過(guò)28后，寬厚比29、30方案中拉應(yīng)力較前者分別增大了89.4%、144.0%，即腹板拉應(yīng)力受寬厚比影響具有一定“門檻”節(jié)點(diǎn)特征，僅當(dāng)腹板拉應(yīng)力超過(guò)該節(jié)點(diǎn)后，拉應(yīng)力才具顯著增長(zhǎng)效應(yīng)，從設(shè)計(jì)安全性角度考慮，應(yīng)盡量考慮寬厚比控制在低于28區(qū)間內(nèi)，抑制加固結(jié)構(gòu)內(nèi)張拉應(yīng)力發(fā)展[16-17]。肋板處最大拉應(yīng)力受寬厚比影響變化較小，各設(shè)計(jì)方案中肋板最大拉應(yīng)力均穩(wěn)定在2.94 MPa，最大變幅僅為0.1%，故改變翼緣寬厚比參數(shù)，對(duì)肋板拉應(yīng)力量值影響較小，設(shè)計(jì)之時(shí)其可視為次要因素。綜合上述特征部位拉應(yīng)力與寬厚比關(guān)系可知，當(dāng)翼緣寬厚比為28時(shí)，翼緣上、下游部位拉應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求，且抗拉設(shè)計(jì)“性價(jià)比”最大，而腹板、肋板拉應(yīng)力控制在合理區(qū)間內(nèi)，不損害結(jié)構(gòu)抗拉特性，方案合理性與科學(xué)性較佳。

3.2 應(yīng)力分布特征

由方案比選考慮，針對(duì)寬厚比28設(shè)計(jì)方案應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，獲得加固結(jié)構(gòu)特征部位Mises應(yīng)力分布特征，如圖7所示。從圖7可看出，受下游墊塊應(yīng)力傳遞影響，上游翼緣Mises等效應(yīng)力低于下游翼緣部位，在該設(shè)計(jì)方案中下游翼緣Mises等效應(yīng)力相比上游翼緣增大了1.2倍；上游翼緣最大應(yīng)力分布于鋼結(jié)構(gòu)與閘門連接處，達(dá)0.91 MPa，而下游翼緣最大應(yīng)力分布于鋼結(jié)構(gòu)兩側(cè)支座與墊塊接觸區(qū)域。腹板Mises等效應(yīng)力集中在肋板與腹板連接部位，分布為對(duì)稱狀態(tài)，部位上大部分區(qū)域Mises應(yīng)力以0.67～0.84 MPa為主；肋板上Mises等效應(yīng)力在加固鋼梁結(jié)構(gòu)軸線上分布較穩(wěn)定，無(wú)顯著較大應(yīng)力區(qū)間范圍占據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力主導(dǎo)作用。從應(yīng)力分布特征論述，筆者認(rèn)為，寬厚比28設(shè)計(jì)方案對(duì)閘門加固防護(hù)作用顯著，有利于水閘安全運(yùn)營(yíng)。

4 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)加固結(jié)構(gòu)變形特征影響

塘沖水庫(kù)閘門的變形特征是設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注參數(shù)，本文由不同設(shè)計(jì)方案計(jì)算出加固鋼結(jié)構(gòu)跨中、邊側(cè)部位處變形(撓度)特征，如圖8所示。從圖8可知，鋼結(jié)構(gòu)跨中撓度隨翼緣寬厚比增大呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，兩者具有正相關(guān)變化特征，當(dāng)翼緣寬厚比為25時(shí)，跨中部位撓度為2.043 mm，而寬厚比為26、28、30時(shí)跨中撓度較前者分別提升了3.6%、9.9%、110.0%，表明跨中撓度的變幅具有顯著階段性變化，當(dāng)寬厚比為25～28時(shí)，跨中撓度變幅較小，各方案間撓度平均增幅僅為3.2%，而寬厚比超過(guò)28后，在28～30區(qū)間內(nèi)，跨中撓度平均增幅可達(dá)39.4%。從跨中撓度與加固結(jié)構(gòu)變形適配性來(lái)看，寬厚比不應(yīng)超過(guò)28，避免結(jié)構(gòu)靜力荷載下變形過(guò)大，引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。在各設(shè)計(jì)方案中邊側(cè)撓度基本不變，且量值較低，僅為1.55 mm，各方案間最大變幅僅為0.06%，改變翼緣寬厚比，對(duì)邊側(cè)撓度影響較小，此與鋼結(jié)構(gòu)主梁上受力分布有關(guān)，在鋼結(jié)構(gòu)主梁兩側(cè)，均有支撐支座與墊塊構(gòu)件，其可抑制撓度過(guò)大發(fā)展。結(jié)合塘沖水庫(kù)閘門加固結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形特征計(jì)算可知，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)翼緣寬厚比為28時(shí)，結(jié)構(gòu)抗拉效果、撓度發(fā)展等均處于合理、安全狀態(tài)，乃為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

圖8 翼緣寬厚比參數(shù)與鋼結(jié)構(gòu)變形特征

5 結(jié) 論

(1)加固結(jié)構(gòu)上拉應(yīng)力最大位于下游翼緣，其與腹板、肋板部位間差距分別為21.6%～200.0%、41.4%～110.0%；上、下游翼緣拉應(yīng)力最低均為寬厚比28方案，而在寬厚比25～28區(qū)間內(nèi)的平均降幅分別為24.5%、15.5%，在28～30 區(qū)間內(nèi)的平均增幅分別為38.3%、29.8%；腹板處最大拉應(yīng)力在寬厚比28方案前穩(wěn)定在2.04 MPa，超過(guò)該方案后拉應(yīng)力為遞增；肋板拉應(yīng)力受寬厚比影響較小，各方案穩(wěn)定在2.94 MPa。

(2)翼緣寬厚比28設(shè)計(jì)方案中上游翼緣Mises等效應(yīng)力低于下游，下游翼緣Mises等效應(yīng)力最大值分布于鋼結(jié)構(gòu)支座與墊塊接觸區(qū)；腹板Mises等效應(yīng)力以0.67～0.84 MPa為主；肋板Mises應(yīng)力沿鋼梁軸線分布較均勻。

(3)鋼結(jié)構(gòu)跨中撓度與翼緣寬厚比具有正相關(guān)關(guān)系，寬厚比25～28與28～30區(qū)間內(nèi)跨中撓度平均增幅分別為3.2%、39.4%；各設(shè)計(jì)方案中結(jié)構(gòu)邊側(cè)撓度基本不變，穩(wěn)定在1.55 mm，受翼緣寬厚比影響較小。

(4)綜合塘沖閘門加固鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形特征，翼緣寬厚比28時(shí)，結(jié)構(gòu)抗拉、抗失穩(wěn)效果最佳，此為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。