基于ANSYS的水閘應(yīng)力與位移分析

李 壯，李芬花，趙萌萌，楊榮海，鄧丹平

(華北電力大學(xué)，北京 102206)

1 研究背景

近年來，有關(guān)水閘應(yīng)力分析研究主要集中在對(duì)不同環(huán)境、不同工況水閘部位的分析—地板分析、閘墩分析，包括一些加固措施等，對(duì)于水閘整體分析較少。一些針對(duì)水閘整體分析，模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，忽略了水閘本體存在的一些細(xì)節(jié)問題，難免會(huì)增加數(shù)據(jù)結(jié)果的不可靠性。本文著重于水閘整體建模與應(yīng)力、位移分析，旨在探索更為合適嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Ｂ肪€，以此來為水閘實(shí)際設(shè)計(jì)提供更加合適的模擬參考，對(duì)水閘的整體設(shè)計(jì)、配筋等等提供相應(yīng)計(jì)算模型。

2 水閘設(shè)計(jì)

2.1 地質(zhì)條件

工程所在地地質(zhì)較優(yōu)，河水流態(tài)穩(wěn)定，地面以下20m內(nèi)均為粉質(zhì)壤土，密度1400kg/m3，彈性模量35MN/m3，泊松比為0.2，很適合修建此工程。在自然狀況下，內(nèi)摩擦角φ=21°，地基允許承載力為[σ]=300kN/m3。地基的滲透系數(shù)K=5×10-3cm/s。設(shè)計(jì)地點(diǎn)土的飽和重度是23kN/m3。建設(shè)地點(diǎn)兩岸平均高程為50m左右，設(shè)計(jì)河道河底高程確認(rèn)為38m。由此可知閘室地板高程也可確認(rèn)為38m。河底平均寬度110m，工程兩岸坡比為1∶3。該河道較為平順，故可近似看作等腰梯形進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算。相關(guān)洪水標(biāo)準(zhǔn)見表1，建筑物等級(jí)為2級(jí)，由水閘設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)可知，水閘級(jí)別應(yīng)確認(rèn)為2級(jí)。

表1 洪水標(biāo)準(zhǔn)表

2.2 承受荷載

荷載組合見表2。

表2 荷載組合表

水閘穩(wěn)定分析主要對(duì)水閘受力最危險(xiǎn)的時(shí)期—擋水期進(jìn)行計(jì)算分析，輔以無水期的計(jì)算與分析。

無水期水閘受力荷載圖如圖1所示。

圖1 無水期荷載圖

擋水期水閘受力荷載圖如圖2所示：

圖2 擋水期荷載圖

3 ANSYS建模

3.1 模型屬性

工程所在地地質(zhì)較優(yōu)，河水流態(tài)穩(wěn)定，地面以下20m內(nèi)均為粉質(zhì)壤土，密度1400kg/m3，彈性模量35MN/m3，泊松比為0.2，很適合修建此工程。在自然狀況下，內(nèi)摩擦角φ=21°，地基允許承載力為[σ]=300kN/m3。地基的滲透系數(shù)K=5×10-3cm/s。設(shè)計(jì)地點(diǎn)土的飽和重度是23kN/m3。

模型其他相應(yīng)的材料屬性見表3。

表3 模型材料屬性表

工況選擇的是水閘最為危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)擋水期以及校核擋水期，擋水期對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量為971m3/s，上游水頭H0為7.96m，下游水深hs=7.78m，建模時(shí)施加的外力荷載需要參考此對(duì)應(yīng)的水深。其他工況可以使用不同的水深模擬。

3.2 具體模型

本文采用ANSYS命令流建模，知曉模型尺寸之后建立相應(yīng)模型。建立模型時(shí)采用命令流進(jìn)行建模，其優(yōu)點(diǎn)是便于修改，可根據(jù)不同的需要通過更改命令流達(dá)到修改模型的目的，故此處推薦使用命令流建立較為復(fù)雜的模型。建立模型時(shí)對(duì)閘體進(jìn)行分段分析，故取中央三孔建模分析。

建立的模型如圖3所示。

圖3 水閘總體圖

圖4 水閘分析部位圖

從水閘總體中提取的中部中間三孔如圖4所示，具體分為地基、閘室底板、閘墩、閘門、檢修橋、工作橋、支架、交通橋幾部分。由于水閘的分縫設(shè)計(jì)，此模型在建立時(shí)也采取的相同的分縫設(shè)計(jì)：分為兩側(cè)兩孔，中央三孔的設(shè)計(jì)。在分析時(shí)，為減輕計(jì)算量，可取中央三孔作為分析對(duì)象進(jìn)行分析。

模型上下游計(jì)算范圍為閘墩高度的二倍。模型左右前后施加相應(yīng)的約束，通過劃分單元尺寸來調(diào)節(jié)計(jì)算精度，可以通過修改命令流實(shí)現(xiàn)多次計(jì)算，找出計(jì)算效率與計(jì)算精度要求都適合的劃分方法。

建模過程如下。

(1)設(shè)置單元類型，設(shè)置相關(guān)參數(shù)；

(2)生成點(diǎn)、面、體(由于模型較復(fù)雜，采用對(duì)稱操作進(jìn)行建模)，分配模型屬性；

(3)設(shè)置劃分精度，劃分網(wǎng)格；

(4)施加荷載并求解；

(5)分析結(jié)果，若結(jié)果不符，則修改模型或荷載；若結(jié)果不準(zhǔn)確，則回到(3)重新設(shè)置精度，直到所得計(jì)算結(jié)果最為合適為止。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 計(jì)算所得結(jié)果

通過相應(yīng)的計(jì)算可以查看相應(yīng)的變形，以及內(nèi)部的應(yīng)力：如圖5—7顯示的是第一主應(yīng)力(拉應(yīng)力)和第三主應(yīng)力(壓應(yīng)力)的計(jì)算結(jié)果，前兩個(gè)圖為設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力分析結(jié)果；如圖7、8、11、12所示顯示相應(yīng)的位移計(jì)算結(jié)果，圖7—8為設(shè)計(jì)荷載下的位移計(jì)算結(jié)果，圖11—12為校核荷載下的位移計(jì)算結(jié)果。

圖5 設(shè)計(jì)第三主應(yīng)力應(yīng)力圖

圖6 設(shè)計(jì)z軸方向位移圖

圖7 設(shè)計(jì)第一主應(yīng)力應(yīng)力圖

圖8 設(shè)計(jì)y軸方向位移圖

圖9 校核第一主應(yīng)力應(yīng)力圖

圖10 校核第三主應(yīng)力應(yīng)力圖

圖11 校核z軸方向位移圖

圖12 校核y軸方向位移圖

4.2 設(shè)計(jì)洪水擋水期計(jì)算結(jié)果

應(yīng)力結(jié)果分析：對(duì)于第一主應(yīng)力而言，其應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在兩邊閘門底部。而對(duì)于第三主應(yīng)力，其應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在閘門正面的側(cè)邊與下邊緣，同時(shí)在閘門背面也存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，其中，中間閘門下邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯。其主要是由閘門的形變所引起。其次，應(yīng)力較大值主要集中在上下游閘墩與閘室底板的連接點(diǎn)處，數(shù)值大約在1.41MPa，主要是由于閘墩的形狀所導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處的混凝土澆筑必須要注意。

對(duì)于第三主應(yīng)力，最大壓應(yīng)力主要出現(xiàn)在上游閘門的底部。最大值位于下游中間閘門的底部。產(chǎn)生的原因同為鋼閘門的變形所引起。對(duì)于閘墩、閘室底板的混凝土建筑而言，應(yīng)力較大位置為閘墩與閘門連接部位的中間部分。

位移結(jié)果分析：關(guān)于z軸方向的位移，最大值出現(xiàn)在閘室底板與地基接觸的邊緣處，需要注意的是并非全部接觸面都會(huì)產(chǎn)生最大位移，僅僅在底板中央位置以及邊緣位置產(chǎn)生最大位移。同時(shí)，水閘后方的地基，也出現(xiàn)大面積的較大位移變化。y軸方向的位移，閘室整體的位移并不大，位移最大值出現(xiàn)在地基最底部，尤其是閘室正下方。主要的原因是由于閘室的自重以及地基的自重，地基最深的地方，其y軸方向的位移最大。由于閘室本體Y軸方向位移不大，故不會(huì)影響水閘的正常運(yùn)行。而地基最底部的最大位移并沒有超過150mm，滿足地基沉降的位移要求。

4.3 校核洪水擋水期計(jì)算結(jié)果

應(yīng)力結(jié)果分析：對(duì)第一主應(yīng)力進(jìn)行分析，其較大值出現(xiàn)在上游閘墩底部，以及下游閘墩底部。應(yīng)力大的主要原因?yàn)殚l墩本身的承重問題，對(duì)于上游，還存在水壓力的問題，最主要是由于應(yīng)力的集中現(xiàn)象使此處應(yīng)力達(dá)到最大值，為1.67MPa，故閘墩下端邊緣處在實(shí)際建設(shè)使需要著重進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)或者采取對(duì)應(yīng)的措施。其次，應(yīng)力較大位置還有排架的部分位置，主要是由于排架的承重問題，以及自身的形變產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，排架的底部尤其需要注意，應(yīng)該采取墊層等設(shè)計(jì)措施。最大值出現(xiàn)在閘門底部，為3.4MPa，主要原因是閘門的變形引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

第三主應(yīng)力方面，較大值產(chǎn)生的位置也位于閘門的不同部位，不同的是，壓應(yīng)力最大值位于閘門中央部位，其次是閘墩底部上下游邊緣處。故在對(duì)閘墩底部進(jìn)行處理時(shí)，尤其要注意邊墩下邊緣的強(qiáng)化處理。

位移結(jié)果分析：z軸方向的位移，最大值出現(xiàn)在上下游地基與閘室底板接觸處的中央處與邊緣處。需要注意的是，此處是地基的變形，而非閘體的變形。故此處地基可能產(chǎn)生較大問題，在實(shí)際設(shè)計(jì)與建設(shè)中，需要對(duì)此處地基進(jìn)行額外的加固處理。y軸方向的位移，校核期位移情況與設(shè)計(jì)期的位移情況近似，最主要的閘體本身會(huì)產(chǎn)生向下的位移，但是位移值并不大，滿足設(shè)計(jì)的要求。由圖可以看出，閘體所在位置的地基位移變化梯度明顯比其他位置的地基位移變化梯度大，而位移的最大值同樣出現(xiàn)在所建模型的地基最底部，原因是閘體整體的重力作用，不過對(duì)地基的影響也在設(shè)計(jì)允許的范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)地基本身產(chǎn)生大的破壞效果。

5 結(jié)語

本文使用了ANSYS軟件分析了水閘在其最危工況下的位移與應(yīng)力，可以得出較為準(zhǔn)確的結(jié)果。結(jié)合相應(yīng)的位移安全標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，可以初步評(píng)價(jià)閘體的安全水平。使用ANSYS命令流進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程會(huì)簡(jiǎn)便許多，方便修改，得到最好的設(shè)計(jì)方案。

ANSYS軟件對(duì)于水閘設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用性，所得結(jié)果具有一定參考性，結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)際建設(shè)計(jì)劃、當(dāng)?shù)靥赜械牡刭|(zhì)條件，得出最為正確的方案。

本文只對(duì)水閘最危工況的設(shè)計(jì)、校核兩種工況進(jìn)行了應(yīng)力、位移分析，并沒有考慮特殊情況，如溫度應(yīng)力的影響、地震荷載的影響。需要分別對(duì)此二者進(jìn)行分析，再將結(jié)果進(jìn)行疊加，可得出水閘的全面分析結(jié)果。