基于ANSYS的孟家閘閘室穩定有限元分析

馬 飛 馬兆會 李永春

（德州市水利勘察設計研究院 山東德州 253014)

1 工程概況

孟家攔河閘位于德州樂陵市孔鎮孟家村東馬頰河干流234+032里程處。該閘為鋼筋混凝土開敞式，共7孔，閘室總長77.8m，基礎為小底板。直升式平板鋼閘門，閘門尺寸為10 m×6m，工程等別為Ⅲ等，建筑物級別為3級。設計防洪流量856m3/s，相應閘上、下游水位分別為12.03、11.86m（黃海，下同)，排澇流量556m3/s，相應閘上、下游水位分別為 10.37、10.26m，設計蓄水量655萬m3，最大蓄水量930萬 m3，相應閘上、游水位分別為 9.56、10.26m，年調節水量2800萬m3。孟家閘自建成后已運行40余年，擔負著防洪排澇以及沿河農田灌溉的任務，為周邊地區人們的生、生活提供了安全保障，同時也緩解了水資源緊缺的矛盾，為當地的農業發展提供了保證。根據SL214—98《水閘安全鑒定規定》及相關規范要求，2000年 8月山東省水利工程質量檢測中心站對該閘進行安全鑒定，評定該閘為三類病險水閘。其中閘室存在的主要問題包括：（1)混凝土碳化嚴重；（2)機架橋主梁豎向裂縫對結構安全極為不利；（3)水閘右岸滲流測試自電曲線相對異常值達 81mv，系嚴重滲流的反映，已產生滲透變形，對閘室及邊坡穩定已構成嚴重威脅。

2 計算工況、荷載及其組合

孟家閘順水流方向設置2cm厚的永久縫，計算單元為寬5.3m，長14m的長方形底板。本次分析只考慮非常運用期，即上游最高擋水位10.26m，下游無水的最不利工況。

荷載計算包括完建期的底板自重、閘墩、閘門、交通橋、排架、機架橋、啟閉機，還包括最高擋水位時的水平水壓力、上游水重、揚壓力、浪壓力、風荷載。

3 閘室穩定三維有限元分析

3.1 有限元模型的建立

ANSYS有限元分析軟件有著分析功能強大、操作方式簡單、計算結果精確的特點。它可以模擬當前工程中涉及的很多內容。同時，可以從多角度體現模型狀態的三維可視建模方式能更加直觀的顯示工程情況。本文就是利用ANSYS軟件為計算分析平臺，將這種方法用于對病險水閘閘室穩定性進行分析及應用。對于一個復雜的三維立體結構閘室來說，本文采用自底向上的方法創建幾何模型。

通過ANSYS有限元軟件中的“靜力分析”模塊，分析閘室在非常運用期工況下的穩定性。將材料按彈性介質進行處理，采用八結點六面體實體solid45、solid65 單元模擬閘室結構。

取閘底板頂點為坐標原點，豎直向上為Y軸的正向，順水流方向為Z軸的正向，垂直水流流向并指向左岸為X的正向。計算時取單孔一聯閘室結構, 按閘底板分縫建立單孔一聯有限元模型,即將閘底板、閘墩、交通橋、機架橋、啟閉機房以及地基建成整體三維模型。邊界條件為位移約束條件，約束全部加在土體上。下部邊界固定Y方向位移，順水流向兩側邊界固定X方向位移，垂直河流向兩側邊界固定Z方向位移。

為正確反映出閘室各構件的實際工作狀態。考慮各部件的受力特點，將閘門面板選為實體單元solid45，閘墩和閘底板選為實體單元solid65。分析閘室受力后的應力、應變情況，建模時略去次要結構部分，只考慮了閘底板、閘墩、閘門等主要構件。

垂直荷載加載在8個閘墩上，閘門主要受力為迎水面的靜水壓力和閘門自重。水壓力沿水深方向成三角形分布。閘門密度ρ=7850kg/m3，彈性模量取Es=2.06×1011N/m2，泊松比μ=0.3。閘墩、閘底板密度ρ=2400kg/m3，彈性模量取Es= 2.85×1 09N/m2，泊松比μ=0.3，采用混凝土本構模型。劃分網格單元邊長為1，自由劃分。求解時采用靜力求解，大位移開啟，求解步控制最大為 100、最小為 1。建立有限元模型如圖1所示。

圖1 三維有限元模型圖

3.2 閘室穩定靜力分析結果

（1)整個閘室結構的最大位移為0.856mm，X方向最大位移為 0.04mm，分布在閘門與閘墩的上部交接處；Y方向最大位移為0.00125mm，分布在整個閘底板上；Z方向最大位移為0.00182mm，分布在閘底板及閘底板與閘墩、閘門三者的交界處。

（2)X方向最大拉應力為 110.6kPa，位于閘門與閘墩的上部交接處，最大壓應力為98.3kPa，位于閘門的中上部；Y方向最大拉應力為 60.4kPa，位于閘墩上部，最大壓應力為194.2kPa，位于閘門及閘墩的下部；Z方向最大拉應力為 69.8kPa，位于閘門中部，最大壓應力為56.2kPa，位于閘墩的底部。

4 結論

通過本文有限元模擬的結果可以得出：有限元分析能夠較好地模擬閘室穩定性，較可靠地反映實際工程情況，同時也驗證了有限元模型的準確性，可用來作更深一步的分析。通過以上研究，可以得出以下幾點結論：

（1)基底壓力的最大值與最小值之比不大于規定的容許值。該閘為3級建筑物，沿閘室底面抗滑穩定安全系數的允許值特殊組合時為1.10，模擬結果為2.37，抗滑穩定安全系數大于規定的容許值。閘室底板、閘墩等部位結構強度均滿足規范要求。

（2)從計算結果可以看出，ANSYS有限元分析比傳統的計算方法更加直觀、簡潔地反應工程實際情況。同時，靜力分析能夠較好地反映水閘在最高擋水位工況下的受力、彈性變形等情況。

（3)通過以上計算結果，說明本文采用的簡化模型及邊界條件合理可行，對今后實際工程的進一步優化、分析提供了一定的思路和方向。

1 滿廣生.水閘設計及閘室結構的有限元分析[D].合肥∶合肥工業大學出版社, 2003.

2 劉斌.水閘閘室穩定計算分析[J].中國水運,2010,10（8)：179-180.

3 任江龍.泄洪閘抗滑穩定三維有限元分析[J].科技創新導報，2008(32)：113-114.