底板厚度變化對(duì)閘站結(jié)構(gòu)影響的三維有限元分析研究

李　蕾，鄭　健

技術(shù)論壇

(1.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

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底板厚度變化對(duì)閘站結(jié)構(gòu)影響的三維有限元分析研究

李蕾1，鄭健2

技術(shù)論壇

(1.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

摘要：文章以某引水樞紐工程閘站底板為主要研究對(duì)象，采用ANSYS軟件建立三維有限元分析模型。通過改變閘站底板模型的厚度參數(shù)，分析其變化對(duì)閘站底板結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力分布及內(nèi)力的影響，為閘站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供數(shù)值參考和理論根據(jù)。

關(guān)鍵詞：閘站底板；三維有限元；彎矩；位移；應(yīng)力；分析

1工程概況

某引水樞紐工程閘站段由左岸引水閘、主泵房、右岸引水閘3個(gè)部分組成。整個(gè)閘站段底板順?biāo)鞣较蜷L26.74 m，垂直水流方向長74.00 m。

閘站底板為水平板，與左右兩側(cè)閘墩構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)。底板厚度1.5 m,設(shè)3條沉降縫，共分4段。

中間泵站為引排結(jié)合的雙向泵站，采用雙層涵洞式雙向進(jìn)出水流道，如圖1所示。泵站設(shè)計(jì)引水流量為50 m3/s。

2三維有限元建模

文章將閘站底板作為主要研究對(duì)象，考慮閘墩、底板和地基的相互作用，按底板分縫，取三孔一聯(lián)的閘站結(jié)構(gòu)和一定范圍的地基作為一個(gè)整體，建立三維有限元模型。不同的是底板厚度在設(shè)計(jì)值1.5 m的基礎(chǔ)上，增設(shè)1.0 m和2.0 m兩個(gè)對(duì)照組。地基模擬的范圍取為：順?biāo)鞣较蛏希舷掠胃餮由?L(L為底板長度)，即53.48 m；垂直水流方向上，左右各延伸1.5B(B為一聯(lián)閘站底板總寬度)，即31.47 m；鉛直方向上，向下延伸2h(h為閘站高度)，即52.42 m。

2.1有限元網(wǎng)格劃分

分析所涉及的閘室混凝土和地基玻屑凝灰?guī)r2種材料的特性相差不大，故不考慮接觸單元。同時(shí)，為了較好的反映不同材料的特性，增大有限元計(jì)算成果的數(shù)值差異性，對(duì)閘室混凝土采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元Solid65模擬，而對(duì)地基巖體則采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元Solid45進(jìn)行模擬。閘站混凝土和巖基均采用彈塑性本構(gòu)模型，選用德魯克-普拉格(Drucker-Prager)屈服準(zhǔn)則。考慮到閘室為本次結(jié)構(gòu)計(jì)算的重點(diǎn)，故在閘室部分網(wǎng)格劃分較密，與閘室相連的地基部分則相對(duì)稀疏。1.0 m底板模型計(jì)算區(qū)域共計(jì)離散為30672個(gè)節(jié)點(diǎn)和25030個(gè)單元，1.5m底板模型計(jì)算區(qū)域共計(jì)離散為31590個(gè)節(jié)點(diǎn)和25888個(gè)單元；2.0 m底板模型計(jì)算區(qū)域共計(jì)離散為32508個(gè)節(jié)點(diǎn)和26746個(gè)單元。閘站結(jié)構(gòu)三維有限元模型見圖2。

2.2邊界條件和初始條件

本模型采用笛卡爾坐標(biāo)系，取下游面閘站底板與地基接觸的右側(cè)角點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，逆水流方向?yàn)閆軸的正方向，垂直水流方向指向右岸為X軸的正方向，豎直向上為Y軸的正方向。邊界條件均取為位移約束條件，約束加載在地基上。在地基四周垂直側(cè)面上施加法向鏈桿約束，在地基底部施加三向固定約束。初始條件為自重應(yīng)力場，設(shè)置鉛直方向的重力加速度g=9.8 N/kg。

2.3計(jì)算工況

根據(jù)水(潮)位資料及荷載情況，選取最不利的3種控制工況進(jìn)行計(jì)算分析：

1)完建期：外江、內(nèi)河側(cè)引水河道均無水。

2)正向擋水：外江P=1%高潮位9.15 m+內(nèi)河排澇停排水位4.73 m。

3)反向擋水：外江P=5%低潮位1.73 m+內(nèi)河P=5%洪水位5.72 m。

3底板靜力影響分析

根據(jù)閘站結(jié)構(gòu)對(duì)稱、荷載對(duì)稱的特點(diǎn)，選取底板上、下游面各4個(gè)節(jié)點(diǎn)作為特征點(diǎn)進(jìn)行底板厚度影響分析。特征點(diǎn)位置分布如圖3所示。受本文篇幅所限，只選取正向擋水工況的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析。本次計(jì)算所得正向擋水工況成果為正向擋水狀態(tài)荷載工況除去完建狀態(tài)荷載工況之后的成果。1.5m底板閘站模型計(jì)算成果如圖4所示。

注：括號(hào)內(nèi)節(jié)點(diǎn)為下游面節(jié)點(diǎn)。

圖3特征點(diǎn)位置分布示意圖

(Ⅰ)正向擋水Y向位移圖

(Ⅱ)正向擋水第一主應(yīng)力圖

3.1位移成果分析

由于閘室自身剛度較大，閘室各處Y向位移差值較小。但由于數(shù)據(jù)真實(shí)反映閘站變形的本質(zhì)特性，故對(duì)位移趨勢分析的影響不大。通過對(duì)圖5特征點(diǎn)Y向位移變化曲線圖的分析可知，在不同底板厚度的情況下，各特征點(diǎn)沉降值大小隨著向閘底板中部靠近而增大；跨中特征點(diǎn)沉降值較閘墩特征點(diǎn)沉降值為大(Node 1

隨著底板厚度的增加，上游面閘墩特征點(diǎn)Y向沉降值有增大的趨勢，而跨中特征點(diǎn)Y向沉降值有減小的趨勢；下游面各特征點(diǎn)Y向沉降值均有減小趨勢；各特征點(diǎn)Y向位移變化曲線的斜率趨于平緩，特征點(diǎn)位移變化幅度變小，最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)平均的數(shù)值。

(Ⅰ)特征點(diǎn)Y向位移變化曲線

(Ⅱ)特征點(diǎn)Y向位移變化曲線

3.2應(yīng)力成果分析

如圖6所示，通過對(duì)特征點(diǎn)第一主應(yīng)力變化曲線圖的分析可知，在不同閘站底板厚度的情況下，各特征點(diǎn)第一主應(yīng)力均為拉應(yīng)力；中墩特征點(diǎn)第一主應(yīng)力值最大；上游面特征點(diǎn)第一主應(yīng)力值比下游面對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)第一主應(yīng)力值大。隨著底板厚度的增加，各特征點(diǎn)第一主應(yīng)力值中除最大值有減小趨勢，其他較小值均有增大趨勢，最終趨于一個(gè)相對(duì)平均的數(shù)值。

(Ⅰ)特征點(diǎn)第一主應(yīng)力變化曲線

(Ⅱ)特征點(diǎn)第一主應(yīng)力變化曲線

4底板內(nèi)力分析

采用單元節(jié)點(diǎn)力求和法計(jì)算閘站底板控制截面內(nèi)力。根據(jù)閘站的受力特點(diǎn)，在底板垂直于水流方向的三個(gè)橫斷面(Z=25.94 m、Z=20.1 m、Z=0.8 m)各選取4個(gè)截面作為控制截面進(jìn)行底板內(nèi)力計(jì)算。正向擋水工況閘站底板彎矩圖如圖7所示。

圖7　控制截面位置分布示意圖

通過對(duì)閘站底板彎矩圖的比較分析可知，隨著底板厚度增加，正彎矩減小，負(fù)彎矩增大；最大負(fù)彎矩值發(fā)生在上下游邊緣附近的邊跨中點(diǎn)。相比彈性地基梁法的計(jì)算結(jié)果，閘站底板的空間作用使得地基反力的分布更趨于均勻，從而造成底板受均布荷載作用正彎矩減小，閘墩受均布荷載作用負(fù)彎矩增大，兩者疊加使得閘站底板上下游邊緣附近的負(fù)彎矩較大，詳見圖8。

(Ⅰ) Z=25.94m橫斷面彎矩圖

(Ⅱ) Z=20.10m橫斷面彎矩圖

(Ⅲ) Z=0.80m橫斷面彎矩圖

5結(jié)語

通過本文的研究工作，得出以下主要結(jié)論：

1)當(dāng)閘站底板厚度在一定值范圍內(nèi)增加時(shí)，各特征點(diǎn)在X、Y、Z方向上的位移值大小趨于均勻，且絕大部分特征點(diǎn)位移值有減小的趨勢；各特征點(diǎn)主應(yīng)力值大小趨于均勻，第一主應(yīng)力最大拉應(yīng)力值、第三主應(yīng)力壓應(yīng)力值均有減小的趨勢；底板正彎矩值減小，負(fù)彎矩值增大，最大負(fù)彎矩值發(fā)生在上下游邊緣附近的邊跨中點(diǎn)。

2)增加底板厚度有利于改善閘站底板結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布情況，可在一定程度上避免底板出現(xiàn)應(yīng)力集中破壞。但底板厚度的增加導(dǎo)致自重變大，對(duì)地基承載力提出了更高的要求，同時(shí)也加大了鋼筋、混凝土等材料損耗，不再符合經(jīng)濟(jì)合理性原則。

參考文獻(xiàn)：

[1]華東水利學(xué)院編．水閘設(shè)計(jì)[M]．上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985：12-47．

[2]殷宗澤．土工原理[M]．北京：中國水利水電出版社，2007：21-60．

Three-dimensional Finite Element Analysis of Effects on Lock Station Structure due to Changes of Chamber Floor Thickness

LI Lei1and ZHENG Jian2

(1.Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation,Design and Research Institute，Harbin 150080，China;2.Heilongjiang Provincial Water Conservancy Scientific Research Institute，Harbin 150080，China)

Abstract：Taking the chamber floor of a water diversion key project as the major studied object in the paper，ANSYS software is adopted to build the three-dimensional finite element analysis model.By changing the parameters of chamber floor thickness，the effects on floor structure shifting，stress layout and internal forces due to the changes are analyzed to provide value and rationale for designing and optimizing the structure of lock station.

Key words：chamber floor；three-dimensional finite element；bending moment；shifting；stressing force；analysis

[作者簡介]李蕾(1986-)，女，黑龍江哈爾濱人，助理工程師；鄭健(1988- )，男，江西萬年人，助理工程師。

[收稿日期]2015-06-28

中圖分類號(hào)：TV66；TV311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-7596(2015)10-0019-04