西霞院泄洪閘三維有限元應力分析

劉全鵬,趙 寧

(黃委會黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

1 工程概況

黃河小浪底水利樞紐配套工程西霞院反調節水庫屬大(2)型水利工程,泄洪閘是主體建筑物之一,為2級建筑物,地震設計烈度為7度。泄洪閘共設21孔,其中開敞式14孔,兩孔一聯,共 7聯;胸墻式7孔,共4聯。開敞式泄洪閘閘室段順水流向長34 m,閘室單孔凈寬12 m,上游閘底板高程118 m,下游閘底板高程114.0 m。閘室堰體采用WESⅢ型實用堰,堰頂部剖面曲線方程為y=x1.836/9.424,堰頂高程126.4 m,堰頂設平板檢修門和弧形工作門各一道,閘墩頂部高程139 m。曲線堰面上游接雙圓弧曲線段和3∶1直線段與上游118 m高程閘底板相連,堰下游接1∶0.88直線段和半徑為14 m的反弧段與閘下消力池底板相接。為滿足交通和運行要求,泄洪閘頂面設交通橋和工作橋。上游側交通橋采用預制鋼筋混凝土T型梁結構;液壓啟閉機室下游側設工作橋,主要用于各閘門檢修的交通通道。

泄洪閘壩段間以及與相臨建筑物間設沉降變形縫,縫寬2cm,縫間設止水和高壓聚乙烯閉孔板填縫材料。結構布置見圖1。

根據泄洪閘各部位環境條件的不同,混凝土強度、抗滲、抗凍及抗沖耐磨性能要求也不同,其混凝土材料分區如下:閘墩133.0m高程以上C25W4F100,133.0 m高程以下、堰體以上C30W4F100;過流表面C30W6F100,與堰體的交接面呈臺階狀,最小厚度1.0 m;堰體內部部位采用C20W4F100混凝土,閘底板C20W4F50(注:C25W4F100分別表示混凝土強度等級為C25,混凝土抗滲等級為W4,混凝土抗凍融等級為F100)。

泄洪閘閘室為普通鋼筋混凝土結構,結構受力復雜,不同部位應力變幅較大。由于布置條件所限,邊墩厚度僅為1.74 m,在正常運用情況下,結構某些部位將產生較大的拉應力。本文研究的目的是分析泄洪閘運行期、正常蓄水期和檢修期的結構應力狀況,針對產生的部位采取相應的應對措施,確保泄洪閘結構的安全運用。

圖1 泄洪閘閘室剖面及混凝土分區圖(單位:m)

2 泄洪閘閘室結構的分析方法

結構計算的數值分析采用三維有限元法。計算程序采用美國John Swanson博士編制的ANSYS有限元分析軟件中結構靜力分析,用來求解外荷載引起的位移、應力和內力。該方法的基本理論由內力平衡、變形協調、本構關系建立的3個單元計算方程[1]基礎上,再由變分式虛功原理確立有限元計算方程。位移和節點力的平衡方程:

位移和應變的變形協調方程:

應力應變方程:

式中:{F}為單元結點力;[K]為單元剛度矩陣;{δ}為單元結點位移;{ξ}為單元結點應變;[B]為單元應變矩陣;[D]為單元彈性矩陣。

ANSYS程序通過把數值問題用到相同的傳統工程概念上來解決靜力分析問題。如果在虛位移發生之前,彈性體處于平衡狀態,那么,在虛位移發生過程中,外力在虛位移上所作的虛功就等于應力在虛應變上所作的虛功。

經過轉換后,將結構上各結點的平衡方程集合在一起,就得整個結構的平衡方程式[1]:

式中:{K}是結構的整體剛度矩陣;{δ}是全部節點位移組成的向量;{R}為包括集中力、地震荷載、壓力及體積載荷力組成的向量。

3 計算荷載及工況

根據《水閘設計規范》(SL265-2001)表7.2條規定,計算中考慮的荷載主要有:水荷載、結構自重、淤沙荷載、地震荷載、閘頂荷載、揚壓力、提門力等[2]。

(1)水荷載:水平水壓力采用三角形荷載或梯形荷載,豎直荷載采用均布荷載,P=γ水h;

(2)結構自重:鋼筋混凝土重度為 γ=25.0 kN/m3,自重由程序自動計算;

(3)淤沙荷載:水平泥沙壓力采用三角形荷載或梯形荷載,豎直荷載采用均布荷載,P =γ淤沙htg2(45°-φ/2),淤沙重度18 kN/m3;

(4)地震荷載:采用擬靜力法計算地震作用效應,沿建筑物高度作用于質點i的水平向地震慣性力按下式計算:Fi=ahξ GEiai/g。

(5)閘頂荷載:閘頂荷載按結構平均0.5m厚計算;

(6)揚壓力:按水頭垂直作用在閘室底板上;

(7)提門力:平行墩面F=4753 kN,與水平面夾角9.94°,垂直墩面且垂直 F的力S=780 kN,垂直墩面的力T=800 kN。

根據水閘設計規范,閘室運行共分五種工況,見表1。

表1 工況及荷載組合表

4 有限元模型分析

計算中將結構離散為塊體單元,ANSYS程序的混凝土單元為Solid65號單元,每個節點有3個自由度,即X、Y和Z方向的位移。單元結構形式如圖2所示。Solid65體單元需要定義的材料常數有楊氏模量、泊松比(或剪切模量)、密度等。輸出結果主要有節點各方向的應力、應變、位移、主應力、主應變以及相應的單元導出解。Solid65體單元主要用來模擬混凝土材料構成的三維體結構,材料性質既可以是各向同性也可以是各向異性。在泄洪閘模型中,可以用它來模擬槽身材料。

圖2 SOLID65號單元網格劃分示意圖

取一聯閘室進行有限元網格剖分,三維有限元模型的網格剖分見圖3。

圖3 泄洪閘閘室有限元剖分圖

共剖分38944個單元,48072個節點。坐標系為泄洪閘指向下游方向為X正向,高度鉛垂向上方向為Y正向,指向閘室右側為Z正向。

計算中將泄洪閘離散為混凝土單元,閘室結構兩側為結構縫,因此閘墩外側部分為自由端,不施加約束;對底面施加豎向約束,沿其余兩個方向可以移動;對兩側及上下游施加水平鏈桿,沿其余兩個方向可以移動。

取一聯兩孔閘室進行結構計算,不考慮兩側閘室對本閘室的影響。為對閘室進行較好分析,閘室向上游、下游、向下各取30 m。根據《水閘設計規范》(SL265-2001)表7.2.11,取五種工況分別進行加載,分別是:工況 1,建成無水;工況 2,正常蓄水位;工況 3,校核洪水位;工況 4,檢修時下游消力池無水;工況5,正常蓄水位加地震。

5 計算成果分析

5.1 應力計算成果

本文主要對泄洪閘閘室結構應力進行了計算分析,主要分析以下四個部位:閘底板、閘墩底部、門槽后溢流堰表面、閘墩126.4 m高程剖面。各部位應力成果見表2。

根據應力計算,給出部分應力圖形見圖4～圖7。

5.2 應力成果分析

從結構分析成果看,各項成果的分布規律與其承受的荷載是相一致的,結構狀態正常,無異常現象發生。個別部位出現的應力集中為結構本身特性所致。對各工況應力分析如下:

(1)工況1,建成無水,應力值滿足設計要求,結構狀態正常,無異常現象發生;泄洪閘閘室結構在建成無水工況下應力較小,是因為這時無水荷載與泥沙荷載等。最大壓應力為4.96MPa,最大拉應力為3.52MPa。

表2 應力成果表 單位:MPa

圖4 工況1閘底板順水流(Y)向應力圖形

圖5 工況1閘墩底部(EL.126.4)順水流(Y)向應力圖形

圖6 工況5閘墩底部(EL.126.4)順水流(Y)向應力圖形

圖7 工況1泄洪閘過流堰面順水流(Y)向應力圖形

(2)正常蓄水工況,由于水壓力的作用,應力分布變化較為明顯;底板應力較小,最大拉應力為1.09MPa,但閘墩底部順水流向上游處最大拉應力為2.89MPa,下游處最大壓應力為14.0MPa。較大拉應力的出現是因為正常運用情況下上下游水位差較大所致。

(3)校核洪水工況,底板最大拉應力為2.81MPa,閘墩處最大拉應力為2.97MPa,最大壓應力為9.96MPa。出現較大拉應力仍然是由于擋水情況下的上下游水位差較大引起的。

(4)檢修工況,底板最大拉應力為2.82MPa,閘墩處最大拉應力為1.16MPa,最大壓應力為7.61MPa。底板上出現較大的拉應力是因為在檢修期進行了地下水抽排,局部水壓力造成的。

(5)地震工況底板最大拉應力為1.10MPa,閘墩處最大拉應力為2.98MPa,最大壓應力為14.0MPa。其中閘墩底部X向最大拉應力為2.98MPa是因為地震工況上部結構側向地震荷載作用產生的。

溢流堰表面在各種工況組合下應力相對較小,在閘墩與門槽相交處出現了約2.98MPa的拉應力,這是角點處應力集中造成的。但各種工況下,閘室結構壓應力均小于14.0MPa,且均小于混凝土抗壓強度15.0MPa。閘墩底部、門槽后溢流堰表面拉應力值均較大,需配置適當的結構鋼筋,其余可配置構造鋼筋,且滿足要求。

5.3 閘墩配筋說明

泄洪閘是重要的建筑物,根據三維有限元應力分析和常規結構計算,底板上的應力不是很大,參考底板的應力圖形,采用配置結構構造鋼筋的方法進行。

對于閘墩,由于底部上下游的壓應力和拉應力較大,結合常規結構計算結果,需要配置一定量的構造鋼筋。但應力分析時加上了上部的聯系桿,不是很符合實際。并且,在運用三維有限元應力分析時對分縫處的水壓力考慮不充分,致使與常規結構計算的差別較大。尤其是在堰頂門槽附近,未考慮混凝土開裂后的工況,對其應力集中的程度研究不充分,故對個別部位采用了常規計算結果并參考有限元計算成果進行配筋。

6 結 語

文章采用ANSYS三維有限元法對西霞院泄洪閘閘室進行了五種工況的計算分析,結果表明泄洪閘閘室結構設計合理,絕大部分結構應力滿足設計強度要求。利用大型仿真程序ANSYS通過建立實體模型和有限元離散化,能較真實地模擬泄洪閘閘室在各種工況下的應力分布,為實際工程設計提供了參考。

[1]劉冬梅.閘室結構靜動力分析及上部框架優化設計[D].南京:河海大學,2006:8-11.

[2]中華人民共和國水利部.SL265-2001.水閘設計規范[S].北京:中國水利出版社,2001:25-28.