基于ABAQUS的水閘加固設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用仿真研究

田 濤

(中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120)

水利樞紐工程中水工建筑的除險加固設(shè)計關(guān)乎工程長期安全穩(wěn)定運營[1-3]，最優(yōu)化的設(shè)計方案對水工結(jié)構(gòu)發(fā)揮最大化功能和保障安全運營具有重要作用，故開展相應(yīng)的水工結(jié)構(gòu)除險加固設(shè)計分析很有必要。劉芷妍等[4]、李鳳濱等[5]、孫益松等[6]引入模型試驗與實際工程相復(fù)制的原理，并結(jié)合相似材料與復(fù)制比尺理論關(guān)系，對室內(nèi)模型方案開展監(jiān)測分析，研究水工結(jié)構(gòu)水力特征與設(shè)計參數(shù)關(guān)系，豐富結(jié)構(gòu)設(shè)計成果。當(dāng)然，工程的監(jiān)測以及已有工程的設(shè)計參考性，對工程最優(yōu)方案比較等均具有重要價值，利用監(jiān)測參數(shù)變化預(yù)判設(shè)計方案的利弊性，對已有工程運營分析，對擬除險加固工程的設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)，提升工程設(shè)計水平[7-9]。數(shù)值計算作為一種高效研究手段，可針對性解決不同設(shè)計方案下工程靜力場特征，對比各設(shè)計方案間參數(shù)的改變，對工程穩(wěn)定性的影響，從而確定最優(yōu)設(shè)計方案[10-12]。文章根據(jù)淮安聯(lián)圩樞紐工程泄洪水閘除險加固的工程背景，以其中7#水閘作為加固方案優(yōu)化對象，分析型鋼加固結(jié)構(gòu)下設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)靜力場影響性，從而確定工程最優(yōu)設(shè)計方案。

1 工程仿真

1.1 工程概況

為提升蘇北淮安聯(lián)圩工程防洪能力，對該聯(lián)圩樞紐工程所涉及的水閘、大壩等水工建筑開展除險加固，主要為分析水工結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性、滲流場活躍性等，為淮安聯(lián)圩工程的運營穩(wěn)定性提供重要保障。聯(lián)圩工程包括有多座大中型水閘，閘頂高程為85m，底板厚度為1.4m，采用多孔式泄流設(shè)計，孔寬為8m，共有6孔，單孔泄流流量設(shè)計為855m3/s，閘門以液壓式啟閉機作為控制樞紐，確保閘門開度與上游流量相匹配。沿線壩體分為南、北兩側(cè)，軸線長度為3358m，壩頂高程為91～96m，采用混凝土堆石壩設(shè)計，壩身設(shè)置有止水面板，據(jù)當(dāng)前蓄水工況下的滲流場計算結(jié)果可知，浸潤線高度不超過75m，水頭壓力基本與水位一致，壩頂處設(shè)置有高度為4.6m的防浪墻，壩體監(jiān)測傳感器表明最大水能仍控制在安全允許值范圍內(nèi)，壩體受水力沖刷影響較小，壩身滲透坡降最大不超過0.28，最大坡降位于壩肩部位，正常蓄水位工況下壩體最大沉降不超過10mm，沿壩軸線方向上最大位移為4.8mm。由地震動力模擬計算結(jié)果可知壩體振型以組合型為主，加速度響應(yīng)值最大為1.5m/s2，位于壩體K1+226段，最大拉應(yīng)力超過1.9MPa，壓應(yīng)力較低，動力荷載響應(yīng)下壩體在壩趾部位受張拉應(yīng)力影響較大。另一方面，根據(jù)除險加固調(diào)查得知，泄流水閘靜力工況下計算得到最大沉降已達(dá)18mm，拉應(yīng)力集中在閘室底板部位，上游泄流能力損耗嚴(yán)重，最大泄流流量控制在558m3/s；而且在地震動力荷載下，該水閘沉降位移顯著高于壩體動力響應(yīng)值，最大加速度響應(yīng)值相比防洪堤壩增大了7.9%，自振頻率在高階次下較大；不論是靜力工況還是地震荷載，水閘抗震能力以及靜力抗傾覆、抗滑移性能均受到較大削弱，這極大影響了水閘對流量的控制性能，因而針對性研究泄流水閘除險加固設(shè)計方案很有必要，工程設(shè)計部門考慮將加固重點放在閘墩，泄流水閘墩設(shè)計剖面圖如圖1所示，采用型鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為閘墩加固措施。為此，文章以淮安聯(lián)圩樞紐工程南線防洪堤壩K1+226～K1+258區(qū)段內(nèi)7#泄流水閘除險加固設(shè)計為典型案例，分析加固方案設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)靜力場影響。

圖1 泄流水閘墩設(shè)計剖面圖(單位：mm)

1.2 工程建模

文章利用ABAQUS仿真計算平臺開展建模計算[13-14]，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖2所示，鋼截面均為H型，鋼結(jié)構(gòu)高度為5.6m，而截面腹板高厚比為37。根據(jù)實際工程現(xiàn)狀，建立如圖3所示的計算模型，圖中標(biāo)注出閘墩頂部、墩底上游面、閘墩加固點三個特征部位。經(jīng)有限元軟件劃分計算網(wǎng)格后，特別在型鋼部位處加密劃分，微單元體獲得26552個。計算模型中X、Y、Z正向分別為水流方向、結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力反方向以及閘首右向。以閘門全閉工況開展計算，經(jīng)施加邊界荷載后，對不同加固設(shè)計方案開展最優(yōu)化分析。

圖2 閘墩型鋼加固結(jié)構(gòu)方案圖(單位：mm)

圖3 閘墩有限元模型及關(guān)鍵部位

為確定鋼結(jié)構(gòu)中型鋼布設(shè)數(shù)量參數(shù)對結(jié)構(gòu)靜力場特征影響，按照型鋼布設(shè)規(guī)范，設(shè)定型鋼布設(shè)數(shù)量分別為1(單型鋼、A方案)、3(B方案)、5(C方案)、7(D方案)、9(E方案)、11(F方案)，型鋼布設(shè)形式為扇形，在保證其他設(shè)計參數(shù)一致的前提下，僅改變型鋼布設(shè)數(shù)量，研究該設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)位移、裂紋擴展、應(yīng)力等影響，典型三型鋼B方案加固設(shè)計圖如圖4所示。

圖4 三型鋼B方案加固設(shè)計圖

2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響

2.1 拉應(yīng)力特征

經(jīng)計算獲得鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與水閘拉應(yīng)力特征關(guān)系，如圖5所示。從圖中可知，墩底上游面的拉應(yīng)力最大，相同D方案中墩頂、閘墩加固點拉應(yīng)力與墩底相比分別減少了90%、63.8%，墩底上游面受水力沖刷與自重荷載耦合作用，造成該部位處拉應(yīng)力較為集中，對結(jié)構(gòu)具有張拉破壞效應(yīng)。由型鋼數(shù)量影響拉應(yīng)力的變化過程可知，閘墩頂部與閘墩加固點拉應(yīng)力隨型鋼數(shù)量均呈遞減變化，而墩底上游面拉應(yīng)力在型鋼數(shù)量為5根后發(fā)生遞增變化，單型鋼設(shè)計方案下，墩頂部位最大拉應(yīng)力為0.78MPa，而五型鋼、九型鋼、十一型鋼方案中該部位最大拉應(yīng)力較之分別減少了74.6%、79.5%、79.6%，表明型鋼數(shù)量愈多，對墩頂部位張拉應(yīng)力抑制效果最顯著；同理，在閘墩加固點五型鋼、十一型鋼方案中最大拉應(yīng)力較單型鋼下分別降低了43.6%、50.8%。從降幅變化來看，型鋼數(shù)量為1～5時，墩頂與閘墩加固點拉應(yīng)力參數(shù)在各方案間分別可損失48.7%、24.6%，而型鋼數(shù)量超過5根后，其降幅減緩，兩部位最大拉應(yīng)力降幅僅為6.3%、4.4%，故控制型鋼數(shù)量在合適區(qū)間值即可，一方面可節(jié)省成本，另一方面可提升結(jié)構(gòu)體系抗拉能力。墩底上游面在單型鋼到五型鋼區(qū)間內(nèi)拉應(yīng)力穩(wěn)定在1.5MPa左右，低于結(jié)構(gòu)材料允許值，但型鋼數(shù)量超過5根后，其拉應(yīng)力具有增長態(tài)勢，七型鋼、十一型鋼該部位下最大拉應(yīng)力相比五型鋼時分別增長了7.9%、40.2%，該部位最大拉應(yīng)力逐步上升到結(jié)構(gòu)體系中最危險面，不利于閘墩結(jié)構(gòu)抗拉，與加固結(jié)構(gòu)“降拉升壓”效益相反[15-16]。因而，筆者認(rèn)為，為更好保障閘墩結(jié)構(gòu)抗拉效果，控制型鋼數(shù)量為5根時方案最優(yōu)。

圖5 型鋼布設(shè)數(shù)量與結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力特征關(guān)系

2.2 壓應(yīng)力特征

與此同時，從應(yīng)力特征中亦可獲得最大壓應(yīng)力隨型鋼布設(shè)數(shù)量參數(shù)變化特征，如圖6所示。從圖中可看出，結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力受型鋼布設(shè)數(shù)量參數(shù)影響變化具有轉(zhuǎn)折節(jié)點，各方案中壓應(yīng)力最大均為五型鋼設(shè)計，以墩頂部位為例，單型鋼、九型鋼、十一型鋼方案中最大壓應(yīng)力較五型鋼下分別減少了30.6%、15.7%、27%，墩頂部位在型鋼數(shù)量為1～5時，各方案間平均增幅為20.1%，而在型鋼數(shù)量為5～11時，降幅為9.9%。針對墩底上游面與閘墩加固點兩個部位，其壓應(yīng)力變化特征基本與墩頂一致，型鋼數(shù)量為1～5時，這兩個部位的增幅分別為17.7%、28.3%，而在型鋼數(shù)量為5～11時，壓應(yīng)力降幅分別為10.4%、12.2%。從結(jié)構(gòu)預(yù)壓效果來看，控制壓應(yīng)力處于結(jié)構(gòu)允許值，且預(yù)壓狀態(tài)最好，設(shè)計方案最優(yōu)，而文章中五型鋼設(shè)計方案下的壓應(yīng)力特征為最佳方案。

圖6 最大壓應(yīng)力隨型鋼布設(shè)數(shù)量參數(shù)變化特征

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)位移影響

根據(jù)對不同型鋼布設(shè)數(shù)量設(shè)計方案下靜力場計算結(jié)果，獲得型鋼布設(shè)數(shù)量影響下各向最大位移變化特征，如圖7所示。從圖中可知，各向位移中閘墩最大位移為Y向，其在各設(shè)計方案中為11.1～17.6mm，當(dāng)型鋼數(shù)量為3根時，Y向最大位移為13.6mm，相同設(shè)計方案下的X、Z向位移較前者分別降低了33%、53.2%，即閘墩Z向位移值最小，在加固設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注Y向位移，各設(shè)計方案中Y向位移與Z向位移間差幅為85%～134%，以E方案差幅最小。分析表明，泄流水閘墩在蓄水運營工況下，即使布設(shè)有型鋼加固結(jié)構(gòu)，但受自重荷載以及水力沖刷作用影響，閘墩變形主要發(fā)生在X、Y向上，即以沉降變形與順?biāo)鞣较蜃冃螢橹鳎四耸墙Y(jié)構(gòu)滑移失穩(wěn)趨勢的重要根源。對比不同設(shè)計方案中位移變化特征可知，各向位移隨型鋼數(shù)量呈先減后增變化，位移值最低均為五型鋼(C方案)，X向位移在該方案下為7.36mm，而型鋼數(shù)量增長至7、11后，X向位移較之分別增長了19.5%、66.2%，從增幅區(qū)間來看，在型鋼數(shù)量為5～11時，X向位移平均增幅達(dá)18.5%，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)滑移潛在趨勢加大；而另一方面，當(dāng)型鋼數(shù)量低于5時，X向位移隨型鋼數(shù)量為遞減變化，該區(qū)間內(nèi)平均降幅為25.3%。同時，Y向位移變化特征與X向基本一致，且其在五型鋼設(shè)計方案前后區(qū)間內(nèi)的變化幅度顯著增大，型鋼數(shù)量為1～5、5～11時，Y向位移分別降幅20.4%與增幅12.7%。Z向位移變化幅度無X、Y向顯著，但其變化趨勢與之基本一致，各設(shè)計方案中位移變化波動幅度較小，各方案間最大波動幅度為13.3%，屬A～B方案，型鋼數(shù)量增幅區(qū)間內(nèi)的幅度亦僅為7.6%。由此可見，控制型鋼布設(shè)數(shù)量乃是抑制閘墩失穩(wěn)滑移的重要舉措，而型鋼數(shù)量控制在5根時，閘墩各向位移均處于最低，滑移潛在趨勢最弱，對結(jié)構(gòu)運營安全性最可靠。

圖7 型鋼布設(shè)數(shù)量影響下各向最大位移變化特征

根據(jù)對五型鋼設(shè)計方案下的靜力場分布特征計算，獲得X、Y向位移與拉應(yīng)力分布特征，如圖8所示。從圖中可知，X向位移最大區(qū)域位于閘墩加固點，而Y向位移最大值位于墩底上游面區(qū)域，整體式位移分布狀態(tài)較合理，體系位移最大值亦未超過允許值。閘墩上最大拉應(yīng)力位于墩體側(cè)面，靠近墩底上游面附近，結(jié)構(gòu)體系拉應(yīng)力分布以0.07～0.31MPa為主，穩(wěn)定性較佳。從方案優(yōu)化選擇考慮，五型鋼從應(yīng)力與位移的分布、變化特征，該加固設(shè)計方案最適宜。

圖8 X、Y向位移與拉應(yīng)力分布特征

4 結(jié)論

(1)墩底上游面拉應(yīng)力最大；閘墩頂部與閘墩加固點拉應(yīng)力隨型鋼數(shù)量均為遞減變化，但降幅為減小態(tài)勢，而墩底上游面拉應(yīng)力在五型鋼方案后為遞增。

(2)關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力隨型鋼數(shù)量呈先增后減變化，墩頂、墩底上游面與閘墩加固點在型鋼數(shù)量為1～5時的平均增幅分別為20.1%、17.7%、28.3%，而在數(shù)量為5～11時，降幅分別為9.9%、10.4%、12.2%。

(3)閘墩最大位移為Y向；三向位移隨型鋼數(shù)量呈先減后增變化，以Z向位移受影響敏感最弱。

(4)對比各方案靜力特征，五型鋼加固方案對該泄流水閘最為適宜。