某蓄水閘的靜力分析研究

【摘 要】本文主要研究的是某蓄水閘的靜力分析。通過對該工程模型參數確定，采用ANSYS軟件三維實體單元進行模擬計算并對水閘進行整體建模及網格劃分。通過對基本荷載及計算工況的計算，得出水閘最大壓應力和最大拉應力。水閘各個工況下的拉壓應力以及位移沉降，均在安全范圍內。

【關鍵詞】水閘；模型；靜力；分析

1、工程基本資料

1.1 工程概況

某蓄水閘設計流量為為182.7立方米/秒，校核流量365立方米/秒，設計水深為4m，校核水深為6m，正常蓄水位為29.4m，閘底板高程25.4m，校核水位31.4m。閘室長10m，閘室總寬25m，共3孔，每孔凈寬7m。閘墩均為1米厚，鋼筋混凝土底板厚1.2m，閘室上游設三跨交通橋，橋長24m，橋寬5.1m，閘室下游設三跨機架橋，橋長25m，橋寬3.4m，兩橋均為鋼筋混凝土預制T梁。

本地區屬地震基本烈度7度區，按抗震規范，場內不存在液化土層。場地地基土無軟弱夾層和下臥層，作為基礎持力層。閘址處地基承載力較高，一般在120～130kPa。據《水工建筑物抗震設計規范》（SL203-97）的規定，水閘及其他主要建筑物設計烈度為VII度。

1.2 模型參數確定

（1）地基基礎。在ANSYS有限元分析中，采用三維實體單元進行模擬計算，閘室采用線彈性模型，地基用彈塑性模型、Drucker-Prager屈服準則。該準則涉及的力學參數有：材料的變形模量 為25Mpa、泊松比 為0.35、容重 為19.0 、摩擦角φ為14度、凝聚力 為0.6 和膨脹角 為19度。

（2）閘首混凝土。閘室混凝包括閘墩底板等采用C20混凝土，因此取彈性模量 為26GPa，泊松比 為0.167，混凝土容重 為24.0 。

1.3 模型建立及網格劃分

采用ANSYS有限元軟件對水閘進行整體建模。坐標X軸順水流指向下游，Y軸豎直向上，Z軸垂直水流指向右岸。采用無質量地基模型，地基厚度取1.5倍閘室高度15m，閘室兩端及上下游側地基延伸長度為1倍閘室寬度10m。水閘閘底板及閘墩采用C20混凝土，采用SOLID65單元進行單元劃分。地基采用SOLID45單元進行網格化分。該有限元模型共有21128個單元， 24906個節點。計算中閘墩外側部分為自由端，不施加約束，地基底面施加豎向約束，兩側及上下游側地基施加鏈桿約束。機架橋等上部設備作為附加質量施加在閘墩上。

1.4 基本荷載及計算工況

進行水閘的靜力分析，首先要了解作用在閘室上的各項荷載，以及荷載的大小方向和作用位置。

1.固定荷載

（1）結構自重；

（2）閘上部的豎向荷載（包括交通橋、工作橋、閘門和啟閉設備），其中交通橋總重為47825kg，交通橋重為65117kg，閘門及啟閉設備重量為27548 3kg。

2.水荷載

（1）正常運行期：上游水位為29.9米，下游水位為29.8米；

（2）校核洪水期：上游水位為31.23米，下游水位為30.90米。

根據上述情況，本次研究選用以下三種控制工況進行靜力分析：

工況一（完建期）：只考慮結構自重；

工況二（運行期正常水深），考慮荷載有自重、揚壓力和水壓力；

工況三（校核期校核水深），考慮荷載有自重、揚壓力和水壓力。

2、靜力計算成果分析

2.1 位移

該水閘建于軟土地基上，工程完工以后會產生較大的地基沉降，完建期地基的最大沉降為1.32cm。關于水閘的沉降量的容許值，目前尚無統一規定，根據經驗，對于整體式鋼筋混凝土底板，一般最大沉降量可達10-15cm，最大沉降差容許達到3-5cm。由于閘底板采用整體式結構沉降均勻，地基沉降在水閘規定的允許范圍內，不會給閘室結構應力產生過大影響。水閘不同工況下的地基沉降位移列于表1：

限于篇幅有限，以下列出了正常運行情況下的沉降位移圖：

由以上位移云圖可見，閘室垂直于水流方向沉降均勻。順水流方向閘室上游沉降量略大于下游沉降差為6-8mm，在允許范圍內。水閘正常運行期閘門襠水高度為4.0m，水平推力作用于閘門產生向下游傾斜的趨勢，閘室在Z向產生1.8mm的位移。

2.2 應力

水閘不同工況下的三個方向和第一、第三主應力分別列于下表2

水閘完建期處于無水狀態，只承受結構上部結構傳來的荷載以及自身自重，閘墩處于受壓狀態，最大壓應力為2.14MPa，小于混凝土的抗壓強度。底板由于承受上部荷載略有不同，在底板底部及兩邊孔側底板上部有較小拉應力，其最大值為0.4MPa，小于混凝土的抗拉強度。邊墩兩端與底板連接處