基于有限元的某節制閘安全復核

董永超

(和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆 和田 848000)

1 概 述

水工結構安全復核是一項十分重要的工作內容，快速評價其穩定性可對水工結構除險加固工程提供參考[1-3]。有限元數值模擬是一種極為常用的研究方法，在水利工程、巖土工程等領域取得較多的應用。有許多學者使用數值模擬方法對其研究的內容進行復核，或者直接采用數值模擬方法分析結構的穩定性[4-5]。經過多位學者的經驗總結，應用數值模擬方法研究水工結構安全是可行的，具有建模簡單、計算速度快、計算結果可視化效果好等優勢。

2 工程概況

某樞紐由一座2×16 m節制閘和一座100 m3/s的排澇泵站組成，其主要功能是防洪、除澇和改善城市水環境。

主要建筑物為節制閘、泵站、廠房、進出水池、內外河側翼墻、管理房(含副廠房)等。節制閘布置在河道北岸，泵站、安裝間等緊鄰節制閘布置在河道南岸，管理房(含副廠房)布置在南岸。節制閘為2孔，單孔凈寬16 m，采用下臥式平面鋼閘門，液壓啟閉機操作。節制閘為整體塢式結構，門檻高程為0.00 m，底板面高程-1.50 m，閘墩頂高程6.80 m。

3 有限元分析原理

有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)是利用數學近似的方法，對真實物理系統(幾何和載荷工況)進行仿真模擬。基于能量極值及近似分割的原理，將連續體結構離散劃分為有限個單元體，求解方程中，可看做由有限個劃分好的單元體組合的整體，可由單元上節點的求解值，用以整個單元有效的平均值。

為了對該工程整體結構的受力狀態有一個比較全面的了解，有必要采用三維有限元軟件ANSYS WORKBENCH對其整體強度和穩定性進行研究分析，并對其安全性進行評價。

有限元法應力-應變關系表示為：

[σ]=[D][ε]

(1)

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：

[K][δ]=[R]

(2)

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 水閘三維有限元計算模型

4.1 水閘結構計算模型

計算水閘模型的地基在順水流、垂直水流方向設計為130和100.14 m，深度取至高程▽-33.6 m。地基采用全約束邊界條件。坐標系取為：X軸逆水流方向指向下游，Y軸垂直水流方向左，Z軸垂直指向上方。水閘整體三維有限元模型見圖1，水閘與地基整體三維有限元模型見圖2。其中，單元總數為218 569個，節點總數為397 483個。

圖1 水閘整體三維模型

圖2 水閘與地基整體模型圖

4.2 材料性質和力學參數

節制閘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。本次復核計算的材料強度值應選取原設計強度等級與檢測結果中的較小值。節制閘結構與地基土材料計算參數見表1。

表1 節制閘結構材料計算參數表

4.3 基本荷載和計算工況

4.3.1 固定荷載

1)結構自重。

2)閘上的豎向荷載。

4.3.2 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。

4.3.3 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。

4.3.4 地震荷載

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306-2015)附錄A和附錄D，節制閘工程所處場地的地震動峰值加速度為0.1 g。見表2。

表2 計算工況水位組合

4.4 計算結果分析

根據建立的數值模擬模型及計算參數，來計算結果。主要從位移和應力兩個方面對節制閘的變形和受力情況進行分析。

4.4.1 位移分析

根據計算結果的位移云圖進行分析，位移云圖見圖3。 節制閘豎向位移計算成果見表3。

圖3 豎向位移云圖

表3 節制閘豎向位移計算成果

由圖3及表3可知，各工況下閘室地基沉降差較小，最大沉降差為1.3 mm，閘室地基沉降的最大值與最小值的比值約為1.04～1.06。閘室地基沉降量最大值為21.5 mm，根據規范，地基最大沉降量不宜超過150 mm，故地基沉降值滿足規范要求。

4.4.2 應力分析

根據計算結果的應力云圖進行分析，具體計算的各工況下的閘室最大主拉應力云圖見圖4。各工況下節制圖結構最大主應力成果見表4。

圖4 主拉應力分布圖

表4 各工況下節制閘結構最大主應力成果表

由圖4及表4可知，各結構在各工況下節制閘最大主拉應力主要分布在底板面層門檻、墩墻與閘門連接處，最大值為2.71 MPa。最大主拉應力大于混凝土抗拉強度允許值，需進行配筋計算復核。

4.5 結構配筋復核

依據表3的應力計算成果，對節制閘結構配筋進行計算。計算時考慮碳化的影響，應用實測保護層厚度。見表5。

表5 節制閘結構配筋計算成果表

由表5可知，節制閘底板閘墩等結構的最大主拉應力在各工況下的配筋滿足強度要求。

綜上可知，節制閘地基的沉降量滿足要求，閘室整體穩定性較好，節制閘結構強度均滿足要求。

5 結 論

1)通過數值模擬分析計算，各工況下閘室地基沉降差較小，最大沉降差為1.3 mm，閘室地基沉降的最大值與最小值的比值約為1.04～1.06。閘室地基沉降量最大值為21.5 mm，地基沉降值滿足要求。

2)節制閘最大主拉應力主要分布在底板面層門檻、墩墻與閘門連接處，最大值為2.71 MPa。最大主拉應力大于混凝土抗拉強度允許值，需進行配筋計算復核。復核結果表明，配筋滿足要求。