浯溪口水利樞紐廠房段安裝間側閘墩有限元分析

劉 振,翟澤冰

(1.江西省水利規劃設計研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工結構工程技術中心，江西 南昌 330029)

1 工程概況

浯溪口水利樞紐工程位于江西省蛟潭鎮境內，距景德鎮40km，是潘陽湖水系昌江干流中游一座防洪為主，兼顧城市供水、引水發電和生態旅游等功能為一體的大(2)型水利工程[1]。水庫正常蓄水位56m，死水位45m，防洪限制水位50m，防洪高水位62.30m，總庫容4.747×108m3，電站裝機容量為32MW[2]。廠房段安裝間側閘墩結構體型為復雜的空間結構，為全面了解閘墩結構應力分布和變形性態，準確掌握方案設計中應解決的關鍵技術問題，確保整個閘墩結構在施工和運行中具有較高安全可靠性[3]。文章運用ANSYS有限元分析法，對安裝間側閘墩進行全面的應力和變形分析，掌握結構應力變形分布規律，驗證閘墩結構型式的合理性，為結構配筋提供可靠數據依據，確保設計方案與工程實際具備良好匹配性。

2 有限元數值分析方法

有限單元法是一種近似的數值分析方法，通過結構體型的連續化離散化處理后，用結構(彈性)力學對各單元進行求解并耦合最終形成應力和位移分布規律網絡圖[3]。根據結構體型網絡劃分，將離散單元上的已知體力和面力經靜力等效轉移到網絡結點上，形成網絡控制結點的荷載。根據網絡結點的應變矩陣[B]，利用彈性力學方程即可求得連續體結構的位移變化{δ}e，具體函數表達為[4]：

{ε}e=[B]{δ}e

(1)

式中，{δ}e—網絡結點的未知位移分量。

通過式(1)求得網絡結點的位移變化值后，結合連續體結構應力轉換矩陣[S]和網絡結點單元彈性矩陣[D]，即可推求用網絡結點位移表達連續體的單元應力，即：

{σ}e=[D]{ε}e=[D][B]{δ}e=[S]{δ}e

(2)

結合單元剛度矩陣[k]e，根據最小勢能原理即可用結點位移推求結點應力[5]，即：

{F}e=?[B]T[D][B]dxdydz{δ}e=[k]e{δ}e

(3)

經逐個單元耦合疊即可獲得結構剛度矩陣[K]、荷載列陣{F}和結構結點位移列陣{δ}，即所謂結構剛度方程[6]：

[K]{δ}={F}

(4)

3 有限元分析模型建立

3.1 物理力學參數

閘墩混凝土強度依據SL 191—2008《水工混凝土結構設計規范》[7]，閘墩采用C25，變形模量值Ec=2.8e4MPa，泊松比μc=0.167，密度采用2500kg/m3。閘墩機組側擴展5m，模型總結點數為3832個，單元總數為16469個。閘墩底部采用全約束，安裝間側自由，機組側約束水平向位移。閘墩止水前水位為校核洪水位64.30m，止水后外側水位為22.60m。

3.2 有限元計算網格設置

根據浯溪口水利樞紐工程實際地質條件，有限元計算模型為廠房段安裝間側閘墩[8]。有限元計算坐標系定義：X軸：順河向，由上游水平指向下游，0點為壩軸線；Y軸：橫河向，沿壩軸線由左岸水平指向右岸，0點為閘墩外側；Z軸：鉛直向上，底板頂部高程22.605。按1∶1比尺，建立在自重及水力作用下的應力場及變形性態分析的有限元分析模型和約束布置網格圖，如圖1—2所示。

圖1 閘墩有限元計算網格

圖2 約束布置圖

4 計算結果分析

4.1 閘墩應力變形仿真成果

在自重及水力作用下，計算了閘墩每個節點處的應力和位移值[9]。經ANSYS分析計算獲得閘墩水壓力、Z方向應力、第一主應力和位移變形，分別如圖3—6所示。

圖3 水壓力圖

圖4 Z方向應力圖

圖5 第一主應力圖

圖6 總位移圖

4.2 計算結果分析結論

閘墩頂部橫向變形最大絕對值為4.38mm，基本不會影響弧形閘門的正常啟/閉運行[10]。在閘墩底部很小區域內有2.13MPa劇烈變化的拉應力，屬于局部應力，不會對閘墩結構安全穩定性帶來較大影響，結構整體安全穩定性較高。閘墩特征點應力參數，見表1。

表1 閘墩特征點應力表

由表1可知，高程22.605m平面最大第一主應力為2.13MPa，Z向應力為1.66MPa，均出現在閘墩上部頂側，但均未超過C25混凝土的極限抗拉強度，閘墩整體結構安全穩定。

5 結論

廠房段安裝間側閘墩結構體型有限元分析，不僅可以全面掌握閘墩結構的應力分布和變形位移數值，同時通過詳實應力和位移圖形分析，使設計人員能直觀地認識閘墩結構應力和位移變化規律，準確掌握設計控制的關鍵點。從ANSYS有限元分析結果得出如下結論：

(1)浯溪口水利樞紐工程廠房段安裝間側閘墩結構體型和尺寸參數的擬定是合理的，能夠確保結構施工和運行期具備較高安全穩定性。

(2)閘墩第一主應力、Z向應力均出現在上部頂側，在體型設計和結構配筋時，應將自重條件下頂側結構作為控制對象。

應力和變形分析是閘墩結構配筋研究的關鍵內容，也是工程施工期和運行期能否杜絕或減少結構裂縫的設計關鍵點。除此之外，在結構方案設計中還需考慮運行期等特殊工況的結構應力和變形分析，確保閘墩結構體型具備良好安全穩定性。