基于ABAQUS的泄洪閘特種鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)營期參數(shù)分析

魯 洪

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

作為贛浙交界地區(qū)重要干流，函江全長375 km，河面最寬處超過120 m，全干流上無梯級水利工程，年地表徑流超過5.5 m3/s，全河道控制流域面積超過176萬km2，乃是鄱陽湖重要水源補(bǔ)給支流，流域內(nèi)具有農(nóng)田面積46.67萬hm2，針對該干流工程開發(fā)函江水利樞紐，使之成為該河流通航、水資源調(diào)度、灌溉及防洪綜合控制樞紐設(shè)施。根據(jù)該綜合水利樞紐規(guī)劃，一期工程計(jì)劃建設(shè)總庫容為3200萬m3，建設(shè)攔水大壩，最大蓄水位為29 m，其發(fā)電廠房平面尺寸達(dá)7.5 m×5.5 m×3.8 m，裝機(jī)容量超過4000萬kW，一期建設(shè)有溢洪道、消能建筑及泄流閘等附屬水利設(shè)施。水電站廠房地面高程為24.5 m，輪機(jī)高程為10.5 m，設(shè)計(jì)最大水頭高度為3.5 m，引水隧洞最大流量為225 m3/s，由于隧洞內(nèi)部分圍巖體受一期工程建設(shè)擾動(dòng)影響，故隧洞流量控制在限值80%區(qū)間內(nèi)運(yùn)營。溢洪道采用WES堰型，溢流面坡度為1/2.5，分布有24個(gè)臺階，首級臺階高度為1.1 m，與溢流面夾角為75°，采用消能池與T形墩為聯(lián)合消能體，設(shè)計(jì)最大消能率可達(dá)49.87%，實(shí)際運(yùn)營期監(jiān)測表明消能率穩(wěn)定在46.5%～48.6%。消能池內(nèi)全軸長為5 m，最大水位高程為38.5 m，其體型剖面如圖1所示。池首鋪設(shè)有防滲墊層，包括有碎石、中細(xì)沙等，總厚度為0.4 m，池內(nèi)滲流場在較高流量時(shí)易出現(xiàn)雍流等非穩(wěn)定滲流現(xiàn)象，動(dòng)水壓強(qiáng)較高，此均與上游泄流閘門的控流運(yùn)營有關(guān)。溢洪道和消能池運(yùn)營可靠性均離不開泄洪閘的有效調(diào)度，一期工程建設(shè)的泄洪閘立面如圖2所示。閘室頂高程為44.5 m，底高程為30.0 m，單孔凈寬為8.0 m，底板厚度為0.25 m，閘墩配置有8根預(yù)應(yīng)力錨桿加固結(jié)構(gòu)，墩徑為1.46 m，具有雙墩縫，間距為0.80 m，配置有平面鋼閘門，全閉時(shí)具有截流作用，確保閘內(nèi)水位滿足下游運(yùn)營要求，通過液壓式程控啟閉機(jī)完成開閘，可沖沙排淤。翼墻在泄流建筑中均有涉及，其墻頂高程為25.0 m，底高程為12.0 m，厚度為1.00 m，承擔(dān)著水力勢能對泄洪閘及消能池的沖刷作用。泄洪閘門是該水利綜合樞紐調(diào)水、泄流的重要結(jié)構(gòu)，在二期規(guī)劃建設(shè)中，考慮在原有工程基礎(chǔ)上，同樣采用七孔式泄流，但閘門結(jié)構(gòu)采用弧形鋼閘門，且配置有特種型鋼結(jié)構(gòu)支撐體系，圖3為該種鋼結(jié)構(gòu)支撐體系在二期閘門的壓桿支撐中設(shè)計(jì)。為研究二期工程設(shè)計(jì)合理性，開展對該泄洪閘門特種鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)仿真。

圖1 消能池體型剖面(單位：cm)

圖2 泄洪閘立面(單位：cm)

圖3 鋼結(jié)構(gòu)支撐體系

2 設(shè)計(jì)建模

為探討函江水利樞紐工程二期泄洪閘門特種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)閘門鋼梁設(shè)計(jì)圖，獲得鋼結(jié)構(gòu)截面布設(shè)狀態(tài)，如圖4(a)所示，全軸線長度為7.5 m，具有對稱式特點(diǎn)，左側(cè)為閘門的接觸面，加密肋板布設(shè)?；诖耍@得該鋼結(jié)構(gòu)截面體型如圖4(b)所示，其具有箱型鋼梁特點(diǎn)，設(shè)置有雙腹板，與閘門迎水側(cè)夾角為76°，上、下翼緣的懸臂端長度根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化確定為0.25 m，其腹板高厚比為65.6，而翼緣寬厚比為7.5，實(shí)驗(yàn)室測定所有原材均為特種鋼，且具有抗震特性。

圖4 閘門鋼梁設(shè)計(jì)圖

基于幾何建模平臺構(gòu)建閘門幾何模型，并導(dǎo)入ABAQUS仿真軟件中[1-6]，獲得閘門仿真模型，如圖5(a)所示。該模型包括擋水面板、支撐結(jié)構(gòu)體系及橫、縱梁，重點(diǎn)研究對象為該面板特征鋼梁結(jié)構(gòu)。該模型共有微單元體156248個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)138266個(gè)，閘門平面尺寸及鋼材物理力學(xué)參數(shù)均以實(shí)際工程設(shè)計(jì)取值。另基于主要研究對象，在仿真平臺中提取擋水面板與橫、縱梁獨(dú)立模型，如圖5(b)所示，該模型包括了閘門全部三根橫梁與五根縱梁，所有的鋼梁截面體型與圖4中標(biāo)注為一致。本模型僅頂部存在法向自由度邊界，計(jì)算模型的三維坐標(biāo)正向采用閘門下游泄流方向、結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力上方向及泄洪閘右岸向。

圖5 閘門結(jié)構(gòu)模型

由于該弧形鋼閘門特種鋼梁結(jié)構(gòu)截面與箱梁有所類似，而其截面梁高又決定了翼緣懸臂端、腹板長度等參數(shù)，因而本文主要討論主梁梁高設(shè)計(jì)參數(shù)。在保證其他設(shè)計(jì)參數(shù)一致的前提下，考慮主梁梁高不超過上下懸臂總長度的2倍，按照等差數(shù)列方案設(shè)計(jì)原則，設(shè)定主梁梁高參數(shù)方案分別為0.6～2.0 m，差級為0.2 m，共有8個(gè)方案。從閘門安全運(yùn)營考慮，特種鋼梁結(jié)構(gòu)的截面參數(shù)設(shè)計(jì)，不僅需要考慮閘門結(jié)構(gòu)靜力工況下運(yùn)營安全，同樣需分析地震動(dòng)荷載下結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)。因而，筆者基于贛東北場地特征周期特點(diǎn)，引入南京地震波為外荷載[7]，并以該地震波的8s時(shí)程譜為研究工況，如圖6所示，其幅值加速度為2 m/s2，并引入有幅值加速度為4 m/s2、6 m/s2、8 m/s2的地震波計(jì)算方案。地震動(dòng)響應(yīng)特征計(jì)算采用擬靜力法輸入，綜合運(yùn)營期靜力與動(dòng)力特征，且計(jì)算無水與有水兩種工況，綜合評判特種鋼梁截面主梁梁高參數(shù)的設(shè)計(jì)合理性。

圖6 南京波8 s時(shí)程譜

3 閘門結(jié)構(gòu)運(yùn)營期靜力特征

3.1 應(yīng)力特征

運(yùn)營期靜力荷載下閘門特種鋼梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定表征在應(yīng)力與位移特征上，本文研究閘門在全閉狀態(tài)下?lián)跛o力特征，圖7、圖8為閘門鋼梁結(jié)構(gòu)上拉、壓應(yīng)力表現(xiàn)特征。

從圖7拉應(yīng)力變化可知，橫、縱梁上拉應(yīng)力最高位于第三橫梁與縱梁的交錯(cuò)面上，八個(gè)方案中拉應(yīng)力分布為1.6～4.6 MPa，而第一橫梁、第二橫梁與縱梁的交錯(cuò)面拉應(yīng)力較前者差幅分布在34.7%～55.8%、13.6%～28.3%，最大差幅均出現(xiàn)在主梁梁高1.6 m方案。當(dāng)主梁梁高增大時(shí)，三根橫梁與縱梁交錯(cuò)面區(qū)域的拉應(yīng)力均為先減后增變化，拉應(yīng)力最低為主梁梁高1.6 m方案，在該方案內(nèi)第一至第三橫、縱梁交錯(cuò)面上最大拉應(yīng)力分別為0.70 MPa、1.15 MPa、1.60 MPa。當(dāng)主梁梁高低于1.6 m時(shí)，三根橫梁與縱梁交錯(cuò)面拉應(yīng)力均為遞減變化，在各方案間拉應(yīng)力分別具有平均降幅24.9%、22.0%、19.0%，表明在主梁高增大過程中，對鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部拉應(yīng)力具有抑制作用，可限制鋼結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力發(fā)展，提升結(jié)構(gòu)抗拉特性；當(dāng)主梁梁高超過1.6 m后，由于梁高過大，引起鋼結(jié)構(gòu)自重接近支撐體系峰值，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)彎曲拉伸[8]，因而各橫、縱梁交錯(cuò)面拉應(yīng)力增高，分別具有平均增幅80.7%、63.2%、48.7%。若要保證特種鋼結(jié)構(gòu)的抗拉設(shè)計(jì)，應(yīng)避免主梁梁高超過1.6 m，確保梁高位于拉應(yīng)力抑制區(qū)間。

圖7 鋼梁結(jié)構(gòu)上拉應(yīng)力表現(xiàn)特征

觀察圖8中壓應(yīng)力變化可知，其受主梁梁高影響與拉應(yīng)力呈相反態(tài)勢，壓應(yīng)力最高仍為第三橫梁與縱梁交錯(cuò)面上，分布為9.1～13.1 MPa，此也與該區(qū)域靠近閘門底部，受到上覆結(jié)構(gòu)自重影響有關(guān)，反而在第一橫、縱梁交錯(cuò)面上無較大壓應(yīng)力。當(dāng)主梁梁高增大后，三根橫、縱梁交錯(cuò)面上壓應(yīng)力呈先增后減變化，與交錯(cuò)面的拉應(yīng)力影響變化呈相反，壓應(yīng)力最大為梁高1.6 m方案，三個(gè)交錯(cuò)面上分別為8.0 MPa、10.4 MPa、13.1 MPa。在主梁梁高低于1.6 m列次內(nèi)，梁高1.2 m、1.6 m下第二橫、縱梁交錯(cuò)面的壓應(yīng)力較之梁高0.6 m時(shí)分別增大了28.4%、53.1%，在各梯次方案內(nèi)第二交錯(cuò)面壓應(yīng)力平均增幅為8.9%，而第一、第三交錯(cuò)面分別提高了9.1%、7.5%；當(dāng)壓應(yīng)力遞增時(shí)，可對閘門形成良好預(yù)壓效果，確保閘門全閉狀態(tài)下不會(huì)受靜水壓力影響發(fā)生傾覆[9]。主梁梁高超過1.6 m后，三根橫、縱梁交錯(cuò)面壓應(yīng)力均為遞減變化，分別具有變幅17.6%、11.6%、9.9%，該區(qū)間的梁高方案，過大的梁高影響結(jié)構(gòu)一部分張拉應(yīng)力發(fā)生，進(jìn)而影響拉、壓平衡，促使交錯(cuò)面上壓應(yīng)力減少，結(jié)構(gòu)抗滑移傾覆能力減弱。綜合運(yùn)營期拉、壓應(yīng)力特征，主梁梁高在低于1.6 m時(shí)更適合，梁高1.6 m為設(shè)計(jì)合理性與技術(shù)優(yōu)勢最大化方案。

圖8 鋼梁結(jié)構(gòu)上壓應(yīng)力表現(xiàn)特征

3.2 位移特征

位移特征為靜力工況運(yùn)營期結(jié)構(gòu)安全的重要反應(yīng)指標(biāo)，圖9為閘門特種鋼梁結(jié)構(gòu)三向位移值變化特征。

圖9 鋼梁結(jié)構(gòu)上位移表現(xiàn)特征

分析位移值變化可知，Y向位移值在各方案中均為最高，分布為3.0～11.6 mm，此亦印證了閘門結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力在位移表現(xiàn)中具有主導(dǎo)地位。當(dāng)主梁梁高遞增時(shí)，三向位移值均為遞減變化，在梁高1.0 m、1.4 m、1.8 m時(shí)Z向位移值較梁高0.6 m分別減少了44.1%、70.7%、79.1%，從全方案來看，Z向位移值平均降幅為19.8%，同樣X、Y向位移值平均降幅分別為18.0%、16.8%，以Z向位移受主梁梁高參數(shù)影響更敏感。另一方面，主梁梁高參數(shù)對各向位移值影響最大集中在梁高0.6～1.6 m梯次內(nèi)，在該列次內(nèi)X～Z向位移值最大降幅分別為25.9%、25.6%、28.8%，平均降幅超過全方案平均值達(dá)23.5%、22.5%、26.3%，而梁高超過1.6 m后，位移值降幅較小，分別僅為4.2%、3.0%、3.3%。分析認(rèn)為，在梁高低于1.6 m方案內(nèi)，位移值產(chǎn)生的根源與拉應(yīng)力遞減有關(guān)，較大的拉應(yīng)力降幅有助于削弱結(jié)構(gòu)變形，但在梁高超過1.6 m后，出現(xiàn)拉應(yīng)力上升、壓應(yīng)力的遞減，結(jié)構(gòu)應(yīng)力失衡，此時(shí)應(yīng)力體系無法較好的抑制位移值，只能在拉、壓應(yīng)力的遞增與遞減過程中，處于位移平衡態(tài)勢。應(yīng)力評判最優(yōu)方案為梁高1.6 m，同樣在該方案中位移值表現(xiàn)處于較合理，設(shè)計(jì)適用性較好。

4 閘門結(jié)構(gòu)運(yùn)營期動(dòng)力特征

基于不同幅值加速度地震波的動(dòng)力響應(yīng)特征計(jì)算，獲得了閘門有、無水工況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征，本文以閘門第三橫、縱梁交錯(cuò)面的加速度響應(yīng)特征為分析代表，如圖10所示。

圖10 第三橫、縱梁交錯(cuò)面的加速度響應(yīng)特征

分析加速度響應(yīng)特征可知，無水工況下加速度響應(yīng)值均高于有水工況，在幅值加速度2 m/s2、梁高為0.8 m方案中，無水工況中加速度響應(yīng)值為26.4 cm/s2，而同方案有水工況較之減少了7.2%。當(dāng)幅值加速度提高至4 m/s2、8 m/s2時(shí)，仍是該梁高方案，有水工況較無水工況分別減少了9.7%、12.9%；而幅值加速度不變的前提下，梁高為1.2 m、1.8 m時(shí)相應(yīng)的有、無水工況中加速度響應(yīng)值差幅分別為13.2%、20.8%。由此可知，在梁高一定時(shí)，地震波加速度幅值提高，則鋼梁結(jié)構(gòu)有、無水工況下的加速度響應(yīng)值差幅愈顯著。而與之相對應(yīng)的，幅值加速度不變，梁高參數(shù)影響下的有、無水工況中差幅亦提高[10]。

進(jìn)一步分析梁高設(shè)計(jì)合理性可知，不論是有水或無水工況中，地震波幅值愈高，結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值愈大，而在地震波幅值一定的前提下，梁高愈大，結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值均為遞增，但增幅在梁高1.6 m后出現(xiàn)差異，梁高1.6 m的方案加速度響應(yīng)值具有陡增態(tài)勢。在有水工況中，地震波幅值為2 m/s2、8 m/s2的方案中在梁高0.6～1.6 m方案內(nèi)，分別具有平均增幅16.5%、5.4%，而在梁高1.6～2.0 m方案內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值分別具有平均增幅67.2%、35.7%。從鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)考慮，梁高超過1.6 m后動(dòng)力響應(yīng)過于劇烈，應(yīng)控制主梁梁高低于1.6 m更有利，結(jié)合靜力荷載下，認(rèn)為梁高1.6 m方案設(shè)計(jì)合理性與運(yùn)營安全性最高。

5 結(jié) 論

本文主要獲得以下四點(diǎn)結(jié)論：

(1)第三橫縱梁交錯(cuò)面的拉、壓應(yīng)力為最高；主梁梁高增大，交錯(cuò)面上拉、壓應(yīng)力分別為先減后增、先增后減變化，拉、壓應(yīng)力的最低、最高均為梁高1.6 m方案，主梁超過1.6 m后不利于鋼梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力安全。

(2)閘門結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力在位移值中具有主導(dǎo)作用，Y向位移值為最大；主梁梁高參數(shù)與各向位移值均為負(fù)相關(guān)變化，X～Z向位移在八個(gè)方案中具有平均降幅18%、16.8%、19.8%，但最大降幅均集中在梁高0.6～1.6 m梯次內(nèi)，梁高超過1.6 m后位移處于降幅停滯。

(3)無水工況下鋼結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值高于有水工況，地震波幅值愈高，則結(jié)構(gòu)在有、無水工況下加速度響應(yīng)值差幅愈顯著；主梁梁高愈大，結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值愈高，但其增幅呈“緩-快”兩階段特征，特別的在梁高1.6 m后加速度響應(yīng)值陡增。

(4)從運(yùn)營期結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力特征評價(jià)，主梁梁高1.6 m設(shè)計(jì)合理性與技術(shù)優(yōu)勢最大。