一帆河閘工程應力有限元分析研究★

王 潔

(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009)

·水利工程·

一帆河閘工程應力有限元分析研究★

王 潔

(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009)

以一帆河閘工程為例，采用三維有限元軟件ABAQUS，分析了閘室結(jié)構(gòu)在各荷載作用下所產(chǎn)生的拉應力和壓應力，根據(jù)計算結(jié)果可知，在各類各工況下，閘室結(jié)構(gòu)的拉應力均超出了規(guī)范規(guī)定的混凝土拉應力值上限，需要作配筋處理，結(jié)構(gòu)壓應力均小于混凝土允許壓應力值，最后指出三維有限元分析能較直觀、準確反映水閘工程的應力狀況，是解決復雜空間結(jié)構(gòu)問題的有效方法。

閘室，ABAQUS，結(jié)構(gòu)應力，計算模型

1 工程概況

漣水縣一帆河閘位于響水縣響城鎮(zhèn)西村與灌南縣交界處，始建于1967年，擔負著漣水、灌南和響水三縣的一帆河流域623 m2的排澇、擋潮、灌溉和航運交通任務，原設計標準為十年一遇，設計流量420 m2/s。淮安市水利勘測設計研究院于2001年5月進行一帆河拆建工程。新閘設計流排澇流量仍按一帆河十年一遇設計標準設計，設計流量為491 m2/s，按10孔設計，閘孔總凈寬64 m。一帆河工程閘室為開敞式平底板結(jié)構(gòu)，共10孔，兩邊孔為通航孔，凈寬8.0 m，中間8孔為非通航孔，每孔凈寬6.0 m，閘孔總凈寬64.0 m。閘室底板頂高程為▽-3.00 m，分為3塊，邊塊3孔一聯(lián)，中塊4孔一聯(lián)，底板順水流方向長16.0 m。

2 計算模型

一帆河工程的地基，順水流方向取49 m，垂直水流方向取227.38 m，深度取至高程▽-23.0 m。在確保計算精度的前提下，對模型做一定簡化處理，以提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。鑒于需對地基模型的尺寸范圍進行考慮[1]，對地基采用全約束。圖1為閘室結(jié)構(gòu)空間有限元網(wǎng)格圖，其八節(jié)點六面體單元的總數(shù)為8 848個，節(jié)點總數(shù)為14 363個。閘室與地基整體三維有限元模型見圖1。

2.1 材料性質(zhì)和力學參數(shù)

一帆河閘工程材料計算參數(shù)見表1，表2。

表1 地基土材料計算參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)材料計算參數(shù)表

2.2 基本荷載和計算工況

1)固定荷載。

水閘結(jié)構(gòu)自重[2]。

2)水荷載。

對各水位同時考慮相應的揚壓力[3]。

水荷載的加載工況見表3。

表3 復核計算水位組合表 m

3)車道荷載。

車道荷載按照JTG D60—2015公路橋涵設計通用規(guī)范[4]的方法進行計算，車道荷載由均布荷載和集中荷載組成，本次復核將其簡化成集中力作用在閘墩上，該工程交通橋汽車荷載按汽—20，掛—100復核。

3 計算結(jié)果分析

按照上述計算模型和參數(shù)，對各類工況下一帆河閘工程的應力狀態(tài)進行空間有限元計算，求出閘室結(jié)構(gòu)在荷載作用下各點的應力狀況，由此可對閘室的穩(wěn)定安全性進行評價。

對所得的應力云圖進行分析，受篇幅所限，本文僅列出正向水位云圖，閘室最大主拉應力云圖分別見圖2，圖3，最大主壓應力云圖見圖4，圖5。

工程主要結(jié)構(gòu)主拉應力計算結(jié)果見表4，主壓應力計算結(jié)果見表5。

表4 閘室結(jié)構(gòu)拉應力計算成果表

在各工況下通航孔邊墩的最大主拉應力主要分布在臨水側(cè)下游底部，最大值為2.33 MPa，最大主壓應力主要分布在岸墻側(cè)下游底部，最大值為3.64 MPa；中墩的最大主拉應力主要分布在下

游側(cè)底部，最大值為2.21 MPa，最大主壓應力主要分布在下游端底部，最大值為2.08 MPa；縫墩的最大主拉應力主要分布在臨水側(cè)底部，最大值為2.83 MPa，最大主壓應力主要分布在背水側(cè)底部，最大值為2.80 MPa；胸墻的最大主拉應力主要分布在上游側(cè)底部，最大值為2.96 MPa，最大主壓應力主要分布在下游側(cè)底部，最大值為2.10 MPa；沉井橫隔墻最大主拉應力為1.92 MPa，最大主壓應力為2.55 MPa；縱隔墻最大主拉應力為2.13 MPa，最大主壓應力為4.13 MPa；橫隔壁最大主拉應力為1.60 MPa，最大主壓應力為2.13 MPa。

表5 閘室結(jié)構(gòu)壓應力計算成果表

各類混凝土的容許拉、壓應力值見表6。

表6 混凝土容許拉應力與容許壓應力值表

對比表6中的數(shù)據(jù)可知，在各類工況下，通航孔的閘墩及沉井結(jié)構(gòu)的最大主拉應力均超過了C25混凝土的允許拉應力值，故不滿足抗拉強度要求，結(jié)構(gòu)需配筋；最大主壓應力均小于C25混凝土的允許壓應力，故滿足抗壓強度要求。

4 結(jié)語

1)通過對一帆河閘的應力場分析，在各計算工況下，結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件的拉應力均超過混凝土允許拉應力，需要配筋，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的最大主拉應力小于混凝土允許壓應力。

2)運用ABAQUS有限元軟件對一帆河閘室進行結(jié)構(gòu)計算，得出其結(jié)構(gòu)應力場分布圖，便于分析比較，可為評價結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)提供依據(jù)。

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

[2] DL 5077—1997，水工建筑物荷載設計規(guī)范[S].

[3] 馬永法,陳平龍,曹邱林.樁基礎(chǔ)水閘閘室結(jié)構(gòu)分析研究[J].水利與建設工程學報，2011，9(4)：42-45．

[4] JTG D60—2015，公路橋涵設計通用規(guī)范[S].

Analysis and research on stress of Yifanhe sluice project using FEM★

Wang Jie

(CollegeofHydraulic,EnergyandPowerEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China)

Taking the engineering of Yifanhe sluice project for example, the 3D FEM software(ABAQUS) is used here to analyze the tensile stress and compressive stress of the lock chamber structure under each load combination. According to the calculation results, it is found that under various working conditions, the tensile stress of the structure floor is more than that of the concrete, thus it is needed to be reinforced. The compressive stress of the structure floor is less than that of the concrete. The analysis indicates that the 3D FEM is the effective way to solve complex space structure problems, which could reflect the stress of the sluice engineering intuitively and accurately.

sluice, ABAQUS, structural stress, computational model

1009-6825(2017)05-0218-02

2016-12-06★：江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(PAPD)

王 潔(1993- )，女，在讀碩士

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