基于有限元船閘結構應力分析研究

陳 敏,曹邱林

(揚州大學 水利科學與工程學院,江蘇揚州 225009)

基于有限元船閘結構應力分析研究

陳 敏,曹邱林

(揚州大學 水利科學與工程學院,江蘇揚州 225009)

針對沭新河北船閘的工程實例,借助三維有限元分析軟件MSC.MARC對船閘上下閘首及閘室建立有限元模型,考慮船閘在運行期中的各種工況,對船閘結構應力進行分析,得出船閘上、下閘首及閘室結構的應力分布情況,并對部分結構進行承載能力分析,從而對船閘的工作性態進行評價。實例分析表明,運用三維有限元分析能適應該船閘的復雜結構和受力特點,相對傳統計算而言提高對該工程的計算效率和計算精度,且分析結果能較直觀、精確反映該建筑物整體強度狀況。

有限元;船閘;應力分析;計算模型

1 問題的提出

近年來船閘作為航運開發中十分重要的水工建筑物之一,進入快速發展階段。船閘工程在施工及運行期間由于地基、結構、地下水位、閘室水位、墻后填土等各種因素的共同作用下,產生各個方向的拉、壓應力。若拉、壓應力超過構件的允許值,船閘結構就會因為強度不足而產生各種拉、壓破壞,直接影響工程的安全運行。因此有必要對船閘結構的應力情況進行分析研究。

由于常規計算方法無法全面的考慮到各種荷載的共同作用,因而有必要采用三維有限元軟件對其整體強度進行研究分析。

2 計算原理和方法

為對船閘上、下閘首、閘室整體結構的受力狀態進行全面的分析,采用三維有限元軟件對其整體強度進行研究分析,并對其安全性進行評價。有限元計算法是目前解決復雜空間結構力學問題最有效的數值方法之一。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的子域組成,對每一個單元假定一個合適的近似解,然后推導求解這個域的總的滿足條件。為了方便有限元分析,采用六面體單元模型。各種結構離散成八節點六面體等參單元,單元之間通過有限個點連接起來。

八節點六面體單元為空間索氏族單元,是由標準化坐標系中的立方體單元通過等參變換得到的。八節點立方體單元的自由度為24,位移插值模式為:

式中:-1≤ξ≤1,-1≤η≤1,-1≤ζ≤1;u,v,w為單元節點上定義有三個位移分量;ξi,ηi,ζi為單元節點在局部坐標系中的坐標。

有限元的計算能適應各種復雜變形和受力特點,采用不同類型的單元進行離散,以提高對工程問題的計算效率和計算精度,因而成為行之有效的工程分析手段。

由于閘墩、底板、閘室墻、閘室墻底板結構所用材料的剛度比地基土體剛度大,通常對鋼筋混凝土、漿砌石結構采用線彈性本構模型,即廣義虎克定律。土的本構模型采用Marc提供的彈塑性模型,把總的變形分成彈性變形和塑性變形兩部分,前者用虎克定律計算,后者用塑性理論求解。硬化規律采用各向同性的假定,流動法則采用相關聯的流動法則,屈服準則采用線性摩爾-庫侖準則。根據船閘上下閘首的受力特點,對于上閘首結構,將地基、底板、閘墩和上部混凝土結構作為一個整體;對于閘室結構,將地基、底板、閘室墻作為一個整體;對于下閘首,將地基、底板、閘墩作為一個整體;考慮它們之間的相互作用,上下閘首底板和閘墩的材料不同;閘室墻底板和閘室墻的材料不同。對于不同材料間接觸考慮,利用Marc有限元程序里粘合模型定義體系的接觸表面,通過無相對滑動的Glue功能和施加很大的分擱力把地基、底板及閘墩結構粘連起來如一個整體,物體之間無相對滑動速度,接觸表面變形滿足連續條件[2]。各種結構離散成八節點六面體單元等參單元,單元間通過有限個點連接起來[3]。所考慮的荷載按有關規范[4]進行處理。

3 實例分析

本文結合江蘇省沭新河北船閘實例進行有限元計算分析研究。

3.1 概況

沭新河北船閘位于沭陽縣桑墟鎮友誼閘東側,閘首凈寬10 m,最低通航水深2.5 m,閘室凈寬12 m,長135 m。上閘首頂高程8.5m,閘底高程3.0 m。下閘首頂高程8.5 m,閘底高程-0.5 m。閘室墻頂高程8.5 m。閘室底高-0.5 m。上、下閘首采用混凝土與砌石混合結構,部分使用鋼筋混凝土,反拱底板分段澆注,以后封縫連成整體。墻身采用混凝土底板,衡重式漿砌塊石結構。船閘輸水利用上、下閘首兩側閘墻寬度,布置輸水廊道,對沖消能。

3.2 計算模型及設計工況

(1)上閘首結構計算模型:上閘首底板為混凝土反拱底板,閘首墩墻除采用漿砌塊石圬工結構,沿上、下游方向13 m。取上閘首整個底板、閘門檻、閘墩和一定范圍內的地基(沿水平方向距底板兩端取24 m,沿深度方向取至10 m)作為計算結構模型,剖分網格[5]。閘頂以上房屋、啟閉機等設備作為荷載作用在閘墩頂上,墻后填土作為土壓力作用在墻背和底板上,周邊填土作為邊荷載作用在地基上。由于考慮到了地基模型的尺寸范圍的選擇,故采用全約束[6]。坐標系取為:零點設置在底板面和閘墩的接觸處,x軸垂直于水流方向指向右邊,z軸順水流方向指向下游,y軸垂直指向上方。圖1為上閘首結構空間有限元網格圖。其中單元總數為55 748個,節點總數為64 296個。

圖1 上閘首有限元計算模型圖

對于上閘首計算模型取4種工況進行分析計算。分別為上游水位7.5m,閘室內水位2.0m的通航水位工況;上游水位6.0 m,閘室內水位-0.5 m的檢修工況;通航水位下的地震順水流方向工況和地震垂直水流工況。

(2)閘室結構計算模型:閘室墻為衡重式擋土墻,其中閘室墻底板為140#混凝土結構,蓋頂為100#混凝土結構,墻身為100#漿砌塊石圬工結構,閘室墻底板分塊長度為22.98 m,每個分快中間設2 mm沉降縫。建模時沿上、下游方向取23 m,取閘室土基、兩邊閘室墻、和一定范圍內的地基(沿水平方向距閘室墻底板兩端取16.4 m,沿深度方向取至-13.5 m)作為計算結構模型,剖分網格。閘室墻自重作為荷載作用底板頂面上,墻前墻后水位作為水壓力荷載作用在閘室墻面,墻后填土作為土壓力作用在墻背和底板上,考慮地下水的作用,分為地下水位以上填土和地下水位以下填土兩部分,其中地下水位以上采用回填土的自然容重,地下水位以下采用回填土的飽和容重進行計算并施加荷載,墻前后由水位差產生的浮托力作為荷載作用在閘室墻底板上,周邊填土作為邊荷載作用在地基上。由于考慮到了地基模型的尺寸范圍的選擇,故采用全約束。坐標系取為:零點設置在閘室底面和閘室墻的接觸處,x軸垂直于水流方向指向右邊,z軸順水流方向指向下游,y軸垂直指向上方。圖2為閘室結構空間有限元網格圖。其中單元總數為,16 680個,節點總數為20 848個。

圖2 閘室有限元計算模型圖

對于閘室計算模型取4種工況進行分析計算。分別為墻前水位3.0 m,墻后水位5.0m的設計工況(上游高水位,下游排水管出口淹沒時地下水位);墻前水位0.0 m,墻后水位3.0 m(與墻后排水管同高地下水位)的校核工況;設計水位下的地震順水流方向工況和地震垂直水流工況。

(3)下閘首結構計算模型:下閘首底板為反拱底板,閘首墩墻除閘門門槽部位采用現澆鋼筋混凝土結構外,其它部位均采用漿砌塊石圬工結構。沿上、下游方向10 m。取上閘首整個底板、閘門、閘墩和一定范圍內的地基(沿水平方向距底板兩端取8 m,沿深度方向取至-10.0 m)作為計算結構模型,剖分網格。閘頂以上排架、啟閉機等設備作為荷載作用在閘墩頂上,拱內混凝土填料作為荷載作用在底板頂面上,墻后填土作為土壓力作用在墻背和底板上,周邊填土作為邊荷載作用在地基上。由于考慮到了地基模型的尺寸范圍的選擇,故采用全約束。坐標系取為:零點設置在底板面和閘墩的接觸處,x軸垂直于水流方向指向右邊,y軸垂直指向上方,z軸順水流方向指向下游。圖3為下閘首結構空間有限元網格圖。其中單元總數為23 125個,節點總數為26 814個。

圖3 下閘首有限元計算模型圖

對于下閘首計算模型取4種工況進行分析計算。分別為閘室水位7.5m,下游水位2.0 m的通航水位工況;閘室內水位-0.5 m,下游水位2.5 m的檢修工況;通航水位下的地震順水流方向工況和地震垂直水流工況。

沭新河北船閘工程所處場地的地震動峰值加速度為0.1g,相當于地震基本烈度7度。根據《水工建筑物抗震設計規范》SL203-97,地震烈度為7度時,可用擬靜力法進行抗震計算。地震荷載主要考慮地震慣性力、地震動水壓力,采用擬靜力法計算出順河流方向與垂直水流方向的地震慣性力及地震動水壓力。

對于上下閘首及閘室計算模型取以下4種荷載組合的工況進行計算:①固定荷載+回填土荷載+通航水位(上、下閘首)/設計水位(閘室)+浪壓力(上、下閘首);②固定荷載+回填土荷載+檢修水位/校核水位;③固定荷載+回填土荷載+通航水位/設計水位+地震荷載(順水流向水平地震);④固定荷載+回填土荷載+通航水位/設計水位+地震荷載(垂直水流向水平地震)。分別對上、下閘首、閘室結構的四種工況進行了空間有限元計算,求出了各種工況下結構在各種荷載作用下的各點應力情況,并對配筋結構的承載能力進行復核,不同荷載組合下的荷載分項系數以及鋼筋混凝土結構承載力安全系數按《水工混凝土結構設計規范》SL191-2008取用。3.3 計算結果

上閘首在四種工況下的最大主應力示意如圖4～圖7。

圖4 上閘首工況1最大主應力分布圖

圖5 上閘首工況2最大主應力分布圖

圖6 上閘首工況3最大主應力分布圖

圖7 上閘首工況4最大主應力分布圖

由此可以看出:上閘首在4種工況作用下,最大拉應力σmax=1.168MPa,發生在閘底板和反拱底板交界處,最大壓應力 σmax=0.635 MPa,發生在閘門門檻與閘墩接觸處。

上閘首各個工況下各構件應力見表1、各構件配筋后承載力見表2。

表1 上閘首有限元應力計算成果表

表2 上閘首結構承載能力計算成果表

綜上所述:上閘首在四種工況的荷載作用下上閘首反拱底板、閘墩最大的拉、壓應力沒有超過相應的材料的允許抗拉、壓應力[7];上閘首閘底板、門檻、撐梁的最大拉應力超過混凝土的抗拉允許值,各構件經過配筋后承載能力基本滿足工程設計規范的要求[8],所以在這四種工況下,結構都不會由于整體強度的不足而失去承載能力。

閘室在四種工況下的最大主應力如圖8～圖11。

圖8 閘室工況1最大主應力分布圖

圖9 閘室工況2最大主應力分布圖

圖10 閘室工況3最大主應力分布圖

圖11 閘室工況4最大主應力分布圖

由上圖可以知,閘室在四種工況作用下,沿垂直水流方向,整個閘室墻基本受拉,其中在混凝土底板齒墻處拉應力最大,最大拉應力σx=0.56MPa,最大壓應力σx=0.63 MPa發生在墻前混凝土底板和漿砌塊石閘室墻的交接處。沿豎直方向,整個閘室墻基本受壓,豎直方向最大拉應力σy=0.37 MPa發生在墻后混凝土底板和漿砌塊石閘室墻的交接處,最大壓應力σy=0.78 MPa發生在墻前混凝土底板和漿砌塊石閘室墻的交接接處。

綜上所述,閘室在四種工況的荷載作用下最大的拉、壓應在力沒有超過相應的材料的允許抗拉、壓應力。在這四種工況下,結構都不會由于整體強度的不足而失去承載能力。

下閘首在四種工況下的空間位移示意如圖12～圖15。

圖12 下閘首工況1最大主應力分布圖

圖13 下閘首工況2最大主應力分布圖

圖14 下閘首工況3最大主應力分布圖

圖15 下閘首工況4最大主應力分布圖

下閘首結構在四種工況作用下應力情況見表3,各構件配筋后承載力見表4。

表3 下閘首有限元應力計算成果表

表4 下閘首結構配筋計算成果表

綜上所述,下閘首在4種工況的荷載作用下,下閘首反拱底板、閘墩的最大拉、壓應力沒有超過相應的材料的允許抗拉、壓應力。下閘首閘底板、門檻的最大拉應力超過混凝土的抗拉允許值,各構件經過配筋后承載能力基本滿足設計要求,所以在這4種工況下,結構都不會由于整體強度的不足而失去承載能力。

4 結 論

有限元計算法是目前解決復雜空間結構力學問題最有效的數值方法之一,它可以方便地處理各種復雜的幾何條件、物理條件和荷載條件。對于實際工程問題,可以根據變形和受力特點的不同,采用不同類型的單元進行離散,以提高對工程問題的計算效率和計算精度[9]。

沭新河北船閘上下閘首、閘室在各種工況下未配筋構件的最大拉壓應力基本未超過其構件材料的抗拉、壓應力允許值,配筋構件經過配筋后結構的承載能力滿足設計要求,結構不會由于整體強度的不足而失去承載能力。

[1]馬永法,陳平龍,曹邱林.樁基礎水閘閘室結構分析研究[J].水利與建筑工程學報,2011,9(4):42-45.

[2]張寶生.高度非線性有限元分析軟件Marc及在接觸分析中的應用[J].應用科技,2001,28(12):36-39.

[3]傅永華.有限元分析基礎[M].武昌:武漢大學出版社,2003:4-6.

[4]中華人民共和國電力工業部.DL5077-1997.水工建筑物荷載設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,1997:1-36.

[5]Gajanan M Sabnis.Structural modeling and experimental Techniques[M].Prentice-Hall,2003:11-12.

[6]李 君,鄭 彬,婁一青.基于MARC的水槽地基有限元靜動力分析[J].水利與建筑工程學報,2008,6(2):100-102.

[7]中華人民共和國水利部.SL25-2006.砌石壩設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,2006.

[8]中華人民共和國水利部.SL191-2008.水工混凝土結構設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,2009:11-13,36-37.

[9]孔慶陽,曹邱林.基于有限元的反拱底板結構應力分析[J].水利與建筑工程學報,2011,9(4):46-49.

Study and Analysis on Stress of Ship lock Structure Based on Finite Element

CHEN Min,CAO Qiu-lin
(College of Hydraulic Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou,Jiangsu225009,China)

Aimed at the engineering example of Shuxinhe's north ship lock and with the help of 3D finite element analysis softwareMSC.MARC,the models are set up to analyze the stress status of different ship lock structures under different operating conditions and obtain the stress distribution of the different ship lock structures.Then,the analysis on carrying capacity is made for part of the structure and the workability state of the ship lock is evaluated.The example analysis shows that 3D finite element analysis could adapt to the complex structures and stressing characteristics of the ship lock,and could improve the computational efficiency and accuracy of the project compared with the traditional calculation,at the same time,the analysis result could reflect the overall strength of the building more intuitively and precisely.

finite element;ship lock;stress analysis;calculation mode

TV691

A

1672—1144(2012)01—0114—06

2011-09-14

2011-10-20

江蘇省高校自然科學研究項目(10KJD57001)

陳 敏(1990—),女(漢族),江蘇灌云人,碩士研究生,主要從事水工結構工程研究。

曹邱林(1965—),男(漢族),江蘇南通人,副教授,主要從事水工結構工程教學與研究。