基于三維有限元的某閘壩閘墩和閘孔寬度比選計(jì)算

肖艷君

（湖南建工集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

閘壩結(jié)構(gòu)屬于異形結(jié)構(gòu)，通常由閘墩、牛腿、溢流堰、弧門、胸墻等結(jié)構(gòu)組成。閘墩及牛腿受弧門推力的作用，受力狀態(tài)復(fù)雜，無法通過結(jié)構(gòu)力學(xué)方法得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力。《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）[1]指出“對(duì)于異形結(jié)構(gòu)，可由彈性理論分析方法求得的結(jié)構(gòu)彈性拉應(yīng)力確定鋼筋用量”。本文以某實(shí)際項(xiàng)目為例，利用BIM 技術(shù)建立閘壩結(jié)構(gòu)幾何模型并劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入有限元分析軟件完成結(jié)構(gòu)的三維有限元分析，對(duì)閘墩厚度和閘孔寬度進(jìn)行了比選分析計(jì)算，并采用應(yīng)力圖形法，對(duì)結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算進(jìn)行評(píng)價(jià)，可為其他類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算提供參考。

1 計(jì)算條件

1.1 基本情況

某工程閘壩位于河床中央，左鄰廠房壩段，右靠船閘壩段，閘壩上游側(cè)頂部設(shè)有胸墻，溢流壩分縫設(shè)于閘墩處，溢流壩段共14 孔溢流閘孔，溢流堰采用WES 曲線堰，壩頂高程為83 m，最大壩高34 m，閘墩厚3.0 m，水庫(kù)正常蓄水位為78 m，設(shè)計(jì)、校核水位均為80.80 m，基巖為弱風(fēng)化粉砂質(zhì)板巖。閘壩設(shè)計(jì)斷面見圖1。

圖1 閘壩設(shè)計(jì)斷面圖

1.2 計(jì)算模型及參數(shù)

三維有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分均采用8 結(jié)點(diǎn)6 面體單元，結(jié)點(diǎn)總數(shù)459 770，單元總數(shù)410 698，計(jì)算模型見圖2。

圖2 三維有限元計(jì)算模型圖

所有材料均采用線彈性材料，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 閘壩有限元計(jì)算材料參數(shù)表

1.3 比選方案

方案1：閘墩厚3.0 m，中孔凈寬14 m；方案2：閘墩厚3.0 m，中孔凈寬16 m；方案3：閘墩厚3.5 m，中孔凈寬14 m；方案4：閘墩厚3.5 m，中孔凈寬16 m。不同比選方案示意圖見圖3。

圖3 不同比選方案示意圖

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力分析

閘壩各部位方案1 的有限元計(jì)算結(jié)果見表2，圖4給出了正常蓄水工況（閘墩縱行最不利）和正常蓄水+一側(cè)擋水工況（閘墩橫向最不利）下閘壩的應(yīng)力和位移云圖，由表2 和圖4 可知，堰體底板應(yīng)力最大為正常蓄水+一側(cè)擋水工況，大小為0.45 MPa，最小為校核水位工況，原因是高水位工況下閘壩整體所受浮托力的增大，故底板拉應(yīng)力最小；堰體表面應(yīng)力最大為正常蓄水+一側(cè)擋水工況，檢修工況次之，大小為1.17 MPa；胸墻應(yīng)力最大為正常蓄水+一側(cè)擋水工況，大小為2.05 MPa；邊墩應(yīng)力最大為正常蓄水+一側(cè)擋水工況，大小為1.83 MPa，位于閘墩根部；中墩應(yīng)力最大為正常蓄水+一側(cè)擋水工況，大小為1.35 MPa，主要是由于兩室水壓不平衡；邊墩牛腿和中墩牛腿應(yīng)力相差不大，邊墩略大于中墩，牛腿應(yīng)力最大為正常蓄水+一側(cè)擋水工況，大小為2.45 MPa，位于牛腿根部。位移方面，量級(jí)均為毫米級(jí)，變形量較小，均在合理范圍內(nèi)。

表2 閘壩有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（最大拉應(yīng)力）

圖4 閘壩結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力云圖（單位：Pa）

2.2 方案比選

表3 和表4 分別給出了方案1～4 閘壩結(jié)構(gòu)不同部位的最大拉應(yīng)力和配筋量統(tǒng)計(jì)。由表3 可知，在相同閘墩厚度情況下，閘孔越寬，堰體底板、胸墻、閘墩和牛腿最大拉應(yīng)力越大；在相同閘孔凈寬情況下，閘墩厚度越大，堰體底板、胸墻、閘墩和牛腿最大拉應(yīng)力越小。另外，在閘墩變形方面，由于閘孔寬度較大，水頭較高，在正常擋水工況下，閘墩的水平變形最大，由于該閘壩為閘墩分縫，縫寬20 mm，故閘墩的水平變形允許值是10 mm，由表5 可知，方案1、方案2 和方案4 不滿足要求。綜合結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算結(jié)果，方案3，墩厚3.50 m，凈寬14 m，為最優(yōu)方案，配筋量也較少。

表3 方案1～4 有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表（最大拉應(yīng)力）

表4 方案1～4 閘壩配筋統(tǒng)計(jì)表

表5 方案1～4 閘墩變形統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 論

通過三維有限元分析，對(duì)某閘壩進(jìn)行了閘墩和閘孔寬度比選分析計(jì)算，通過應(yīng)力圖形法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋計(jì)算，得到結(jié)論如下：

1）在相同閘墩厚度情況下，閘孔越寬，堰體底板、胸墻、閘墩和牛腿最大拉應(yīng)力和變形越大；

2）在相同閘孔凈寬情況下，閘墩厚度越大，堰體底板、胸墻、閘墩和牛腿最大拉應(yīng)力和變形越??；

3）對(duì)于閘墩分縫情況，閘墩的水平變形不能超過10 mm，不宜選取過大的閘孔寬度。