淺談三維有限元法在水閘結構計算中的應用

揚州大學水利科學與工程學院 江蘇 揚州 225009

1 引言與工程概況

根據《水閘安全評價導則》(SL214－2015),水閘應在竣工驗收后5年內進行首次安全鑒定,以后應每隔10年進行一次全面安全鑒定。水閘安全鑒定一般由4個部分組成:水閘現狀調查分析、水閘現場檢測、水閘安全復核計算、水閘安全評價[1]。其中在水閘安全復核計算時,需要對水閘閘室的沉降,水閘的底板、閘墩、排架等結構進行結構強度計算,本文在傳統計算方法計算的基礎上,使用了三維有限元法,對水閘閘室的沉降和水閘各個部位的結構強度進行了安全復核計算。

該水閘工程于2016年11月竣工并投入使用,工程等別為Ⅲ等,主要建筑為3級水工建筑物。工程采用泵閘結合型式,水閘凈寬8m,閘首邊墩及中墩厚均為1．0m,隔墩厚度0．8m,水閘底板頂高程為▽－0．50m(上海吳淞高程,下同),底板厚1．0m,閘門門槽處底板厚1．50m。

2 原理與方法

有限元法是將連續體用網格劃分為有限數目個單元體,這些單元體之間在節點處相互鉸結,形成離散結構,用這些離散結構來代替原來的連續體結構,以分析應力和變形,將荷載移置作用于離散結構的節點上,成為節點荷載。應力—應變關系表示為:

式中:[D]為彈性矩陣。由虛位移原理和應力—應變關系,可建立節點荷載和節點位移之間的關系,即:

式中:[K],[δ],[R]分別為剛度矩陣,節點位移和節點荷載列陣。解方程可求得位移,進而可推出應變[ε]和應力[σ]的分布[4]。

3 閘室三維有限元計算模型

3．1 模型的建立 本次計算閘室的地基在順水流方向取93．0m,垂直水流方向取90m,深度取至高程▽－60．0m。為了提高網格的劃分質量,在不影響計算結果的前提下,對所建的模型做一定的簡化處理。由于考慮到了地基模型的尺寸范圍的選擇,故對地基采用全約束。坐標系取為:x軸順水流方向指向上游,y軸垂直水流方向,z軸垂直指向上方。閘室整體三維有限元模型見圖1,其中單元總數為93924個。

圖1 閘室整體三維有限元模型圖

3．2 材料性質和力學參數 工程結構采用線彈性材料模擬,土體為彈塑性材料,假定服從Mohr－Coulomb屈服準則,由于土體自重產生的變形已基本完成,故計算中不計入土體自重引起的應變。閘室結構與地基土材料計算參數見下:混凝土結構為C30混凝土,彈性模量為2．8×104MPa,泊松比為0．167,容重為25．0 k N/m3;地基土為淤泥質粉質粘土,彈性模量為15 MPa,泊松比為0．30,容重為18．0 k N/m3。

3．3 基本荷載和計算工況

(一)固定荷載

①結構自重;

②閘上的豎向荷載。

(二)回填土荷載。墻后水平土壓力按主動土壓力和垂直土重進行計算,其余按邊荷載考慮。

(三)水荷載。水荷載的加載情況:各個工況下的水位以及對于各水位同時考慮相應的揚壓力。正向擋水(蓄水)外河側水位2．0m,內河側水位2．8m;反向擋水(防洪)外河側水位3．87m,內河側水位2．6m。

4 計算結果分析

按照上述計算模型和參數,分別對該工程結構的兩種工況進行了空間有限元計算,從位移及應力角度對閘室結構進行分析[3]。

4．1 位移分析 各工況下的閘室豎向位移(沉降)計算成果見下。

正向擋水(蓄水)工況下沉降最大值為55．85mm,最小值為47．93mm,沉降差為7．92mm,最大值/最小值為1．17。

反向擋水(防洪)工況下沉降最大值為61．40mm,最小值為54．99mm,沉降差為6．41mm,最大值/最小值為1．12。

根據規范,地基最大沉降量不宜超過150mm[2],故地基沉降滿足要求。

4．2 最大主應力分析 各工況下的閘室最大主應力計算成果見下。

正向擋水(蓄水)工況下,閘室各構件最大主應力分別為:底板面層0．53MPa;底板底層1．91 MPa;邊墩1．82 MPa:隔墩1．37 MPa;排架0．52 MPa;泵房0．58 MPa。

反向擋水(防洪)工況下,閘室各構件最大主應力分別為:底板面層0．47MPa;底板底層1．73 MPa;邊墩1．41 MPa:隔墩1．28 MPa;排架0．60 MPa;泵房0．30 MPa。

由計算結果可知:各結構在各工況下水閘最大主應力主要分布在底板底層,最大值為1．82MPa,均小于C30混凝土軸心抗拉強度2．01MPa,故閘室強度滿足規范要求。

5 結語

本文利用商業有限元計算軟件ABAQUS,對該工程的整體沉降和結構內力進行復核計算,計算結果表明在各個工況下閘室的沉降、沉降差均符合規范要求,水閘底板、閘墩等結構的最大主應力在各工況均滿足強度要求。

同時,本文在研究分析中尚未考慮溫度、動力荷載的影響。從安全穩定的角度考慮,動力荷載的影響不可忽略,而且閘室結構靜力分析受地基模型、施工情況等多種因素影響,使得本文的結果與實際有所偏差,在后續工作會加強此方面的研究。