串場(chǎng)河伍佑北防洪閘空間有限元靜力分析

李 悅，楊 亮，李連成

（鹽城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 鹽城 224002）

0 引言

近年來(lái),城市水環(huán)境、水景觀、水安全治理熱度不斷提升,水利工程在滿(mǎn)足以往基本的防洪、排澇等需求的同時(shí),還要兼顧保水活水以及景觀要求。在這樣的需求下,水工建筑物結(jié)構(gòu)型式有了新的選擇,橡膠壩和鋼壩閘在大孔口水閘的選型中得到了更多的應(yīng)用[1]。這兩者都是大跨度的攔河建筑物,且都能溢流形成人工瀑布,具有一定的景觀功能。橡膠壩結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,工程投資較省,但其易老化易損壞,使用壽命較短,安全可靠性較低,適用于防洪等級(jí)需求較低的內(nèi)河河道,不適用于城市防洪工程。因此,串場(chǎng)河伍佑北防洪閘工程初步設(shè)計(jì)時(shí)選擇的是鋼壩閘結(jié)構(gòu)型式。

串場(chǎng)河伍佑北防洪閘工程閘孔總凈寬20 m,單孔布置,為開(kāi)敞式結(jié)構(gòu),采用底橫軸翻轉(zhuǎn)閘門(mén),采用2×1600 kN集成液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉,啟閉機(jī)室位于閘室兩側(cè),凈寬3.4 m。閘室順?biāo)飨蜷L(zhǎng)17.0 m,垂直水流向?qū)?0.0 m。閘室上方布置控制室及辦公用房,采用預(yù)應(yīng)力砼箱梁結(jié)構(gòu),閘室兩側(cè)各設(shè)空箱式擋土墻。

鋼壩閘由門(mén)體、底軸、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)、鎖定裝置等組成[2],閘門(mén)由液壓?jiǎn)㈤]機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)底橫軸來(lái)翻轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)。在閘門(mén)開(kāi)啟、閉合的過(guò)程中,底橫軸是主要受力構(gòu)件,同時(shí)水荷載、門(mén)體和底軸的自重還會(huì)對(duì)底軸還會(huì)產(chǎn)生彎矩和剪力[3]。為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性同時(shí)做到設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性,需要對(duì)防洪閘及底橫軸進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。

1 計(jì)算方法

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,有限元法在閘室結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛的應(yīng)用,成為解決復(fù)雜閘室結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題的主要工具。但鋼壩閘的有限元分析還相對(duì)較少,本次分析的結(jié)果可以為類(lèi)似的工程提供參考。相關(guān)的主要工作為：

（1）運(yùn)用有限元軟件對(duì)閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元分析：選擇合理的單元類(lèi)型,按照要求及計(jì)算量建立有限元模型,選取完建期、設(shè)計(jì)工況、校核工況、檢修工況、通航期五個(gè)工況靜力荷載組合進(jìn)行加載、計(jì)算和后處理；

（2）提取關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)和關(guān)鍵截面上的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D；

（3）根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,將其與二維計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行分析并對(duì)閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 模型建立

2.1 閘室有限元模型

閘室結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法為：將土壓力、地下水壓力等荷載作用在邊墻上,邊墻視為嵌固在底板上的懸臂梁,按擋土墻土壓力理論對(duì)荷載進(jìn)行求解。而底板則視為彈性地基梁計(jì)算[4-5]。

閘室的有限元模型見(jiàn)圖1,閘室與地基的整體有限元模型見(jiàn)圖2。閘底板和啟閉機(jī)室為整體連接,為U型結(jié)構(gòu)型式。啟閉機(jī)室上方廠房、樓梯以及景觀廊道均省略處理,其重力作為荷載作用在閘室上方。地基基礎(chǔ)和上方閘室底板之間建有接觸對(duì),滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.25。其中閘室單元控制步長(zhǎng)為0.7 m,劃分單元109245 個(gè)；地基單元步長(zhǎng)為3.0 m,劃分單元44720個(gè)。

圖1 閘室結(jié)構(gòu)圖

圖2 閘室與地基整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 計(jì)算工況

計(jì)算分為五種工況,分別為：完建期、設(shè)計(jì)工況、校核工況、檢修工況和通航狀態(tài)。五種工況下的水位組合與荷載組合見(jiàn)表1。水壓力土壓力分別進(jìn)行計(jì)算,土壓力和水壓力荷載直接加在節(jié)點(diǎn)上。

表1 水位和荷載組合表

2.3 荷載加載

全局重力加速度為9.8 m/s2。

1）自重與設(shè)備重

閘墻混凝土C25,P=2.5 t/m3。閘門(mén)重917 kN,閘門(mén)關(guān)閉時(shí)作用于底橫軸上；閘門(mén)開(kāi)啟時(shí),作用于底板面。 高程4.5 m以上的廠房荷載57 kN/m2,施加于啟閉機(jī)室邊墻上；活動(dòng)荷載3 kN/m2,施加于啟閉機(jī)室頂面等。

2）水壓力

閘室上游面按上游水位施加靜水壓力,下游面按下游水位施加靜水壓力。

3）土壓力

完建期的土壓力計(jì)算取γ土=18 kN/m3,其他工況下水面以下土壓力計(jì)算取土的浮容重γ浮=10 kN/m3,施加于閘室上下游面及側(cè)墻。

4）滲透力

閘底的滲透力根據(jù)上下游水位差,按直線比例法計(jì)算,施加于底板底面。上下游閘室底板兩側(cè)設(shè)有5 m長(zhǎng)防滲板樁,計(jì)算防滲長(zhǎng)度時(shí)需將其長(zhǎng)度數(shù)值乘以2 折算到水平距離。

5）浮托力

浮托力根據(jù)上下游水位計(jì)算,作用于底板底面。

6）地基反力

地基為線彈性材料,地基反力按直線比例法簡(jiǎn)化計(jì)算。通過(guò)建立地基的有限元模型、合并地基與閘室的單元結(jié)點(diǎn)、賦予地基材料性質(zhì),定義重力加速等操作自動(dòng)產(chǎn)生。

3 計(jì)算結(jié)果分析

按照上文介紹的參數(shù)及加載方法,運(yùn)用ANSYS對(duì)五種工況靜力荷載作用下的有限元模型進(jìn)行求解計(jì)算,根據(jù)平衡方程、物體的協(xié)調(diào)關(guān)系與本構(gòu)關(guān)系,得到了閘室結(jié)構(gòu)在對(duì)應(yīng)工況荷載作用下各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移和應(yīng)力,借助ANSYS的通用后處理器POST1 輸出。

3.1 閘室整體位移情況

閘室結(jié)構(gòu)在五種工況荷載下三個(gè)方向的位移量均以Z向（沉降量）為最大,最大值為厘米級(jí)別。其余兩個(gè)方向的位移均為毫米及以下級(jí)別。在五種工況靜力荷載作用下,其垂直方向位移大小差別較小,其發(fā)生最值的位置基本一致。由于兩邊啟閉機(jī)室自身重力較大,同時(shí)閘室外側(cè)回填土較高,垂向土壓力值也較大,結(jié)果也顯示,閘邊墩的沉降比閘底板稍大（未考慮回填土對(duì)閘邊墩的摩阻力）。由于其結(jié)果類(lèi)似,本文僅用位移量最大的完建期沉降云圖（圖3）進(jìn)行說(shuō)明。

圖3 完建期靜力荷載作用下的閘室沉降云圖

五種工況靜力荷載作用下閘室結(jié)構(gòu)Z向位移的最大值及發(fā)生位置見(jiàn)表2。

表2 閘室在五種工況靜力荷載作用下沉降表

從表2可以看出,閘室結(jié)構(gòu)最大沉降發(fā)生在完建期,為2.12 cm。閘室自重和靜力荷載的作用,使地基發(fā)生沉降,五種工況荷載作用下閘室結(jié)構(gòu)均以Z向位移（沉降）為最大位移分量。閘室結(jié)構(gòu)的X向、Y向位移均小于1 cm,隨著上游水位差的降低,導(dǎo)致滲透壓力減小,使得順?biāo)鞣较虻奈灰埔搽S之減小。由于上下游水位差產(chǎn)生的滲透壓力和下游水位產(chǎn)生的浮托力作用于底板底面,使得其他四個(gè)工況的沉降小于完建期的沉降。規(guī)范規(guī)定,天然土質(zhì)地基上閘地基最大沉降不宜超過(guò)15 cm,最大沉降差不宜超過(guò)5 cm。由于本例中地基采用樁基礎(chǔ)加固,沉降量遠(yuǎn)小于規(guī)范要求。

考慮到串場(chǎng)河北防洪閘兼顧通航功能,其閘門(mén)關(guān)閉時(shí)間較短,較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)閘門(mén)均處于開(kāi)啟狀態(tài),工程對(duì)閘門(mén)安全性要求高,要做到需要關(guān)閘時(shí)能及時(shí)關(guān)閘。又因底橫軸翻轉(zhuǎn)閘門(mén)的底橫軸位于水底,對(duì)其工作環(huán)境不甚了解,工程在最終進(jìn)行方案比選時(shí),從工程運(yùn)行可靠性及運(yùn)行管理方便等技術(shù)方面考慮,未采用底橫軸翻轉(zhuǎn)閘門(mén),最終采用的是直升平面鋼閘門(mén)方案。因此有限元計(jì)算結(jié)果無(wú)法與已建工程進(jìn)行對(duì)比,但其沉降量以及二維內(nèi)力計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算基本一致。故認(rèn)為沉降計(jì)算結(jié)果合理并且滿(mǎn)足要求。

3.2 閘門(mén)位移情況

底橫軸如果發(fā)生較大的不均勻沉降,容易卡阻門(mén)槽,使閘門(mén)不能順利打開(kāi)。校核工況下,上下游水位差為2.5 m,此種工況是上下游水位差最大的工況,順?biāo)鞣较虻奈灰剖俏宸N工況下的最大值。校核工況下底橫軸及閘門(mén)的位移云圖見(jiàn)圖4。

圖4 底橫軸翻轉(zhuǎn)閘門(mén)校核工況位移云圖

底橫軸最大沉降為2.057 cm,不均勻沉降為2.632 mm。X向（順?biāo)飨颍┳畲笪灰茷?.843 mm,不均勻位移為5.652 mm。順?biāo)飨虻牟痪鶆蛭灰戚^垂直方向的不均勻位移大,但其不均勻位移仍在容許范圍之內(nèi)。

但在跨度較大的河道中,由于底橫軸較長(zhǎng),其跨中彎矩會(huì)更大,產(chǎn)生的不均勻位移可能會(huì)更大,此時(shí)可以采用球鉸支座,讓底軸在發(fā)生位移的情況下也可以轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.3 底橫軸應(yīng)力分析

底橫軸是鋼壩閘重要的一個(gè)組成部分。由于鋼壩閘跨度較大,閘底板極易產(chǎn)生不均勻沉降,從而使底橫軸隨之變形。加之底橫軸自身受力也較大,其變形后容易卡阻門(mén)槽,使得閘門(mén)不能正常啟閉。

完建期底橫軸各向應(yīng)力均比較大,下面僅以完建期的底橫軸應(yīng)力云圖（圖5）來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

圖5 底橫軸完建期不同方向的應(yīng)力云圖

從上述應(yīng)力云圖中可以看出,底橫軸的最大拉應(yīng)力為8.9 MPa,出現(xiàn)在y方向的正應(yīng)力。其出現(xiàn)位置為底橫軸的上表面,位于兩個(gè)支撐之間。這一計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況,且計(jì)算結(jié)果在鋼材的可承受范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)閘室整體分析中,閘室結(jié)構(gòu)各向位移情況都在允許范圍之內(nèi)；閘室的內(nèi)力整體計(jì)算結(jié)果合理,但局部區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,拉應(yīng)力高達(dá)4.3 MPa,可對(duì)其進(jìn)行配筋。底橫軸翻轉(zhuǎn)閘門(mén)最大沉降為25.57 mm,不均勻沉降為2.63 mm,而在上下游水頭差最大的工況（校核工況）下,其順?biāo)鞣较虻奈灰茷?.84 mm,不均勻位移為5.65 mm。此位移在容許范圍之內(nèi),不會(huì)卡阻門(mén)槽。其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果也在允許范圍之內(nèi),內(nèi)力合理。

目前對(duì)底橫軸翻轉(zhuǎn)閘門(mén)的分析還比較少,沒(méi)有系統(tǒng)的研究。希望未來(lái)能看到對(duì)其系統(tǒng)的資料或者規(guī)范,能給出底橫軸翻轉(zhuǎn)閘門(mén)的跨度所對(duì)應(yīng)的安全的底橫軸的直徑大小。