基于有限元計算的裝配式涵閘結構分析

侍忠標 蔡禹 韓廷超

摘 要：文章根據裝配式涵閘構件的拆分原則和連接要求，將涵閘拆分為底板、翼墻、擋墻、平臺、閘門、箱體、墊板等構件，采用螺栓和鍵槽連接方式，輔以橡膠止水墊，并通過有限元軟件ABAQUS構建裝配式涵閘模型，在組合荷載多工況下分析涵閘整體及其構件的應力和位移變化，確保裝配式涵閘構件拆分滿足穩定性與使用要求。

關鍵詞：涵閘;裝配;有限元;穩定分析

中圖分類號：TV66;S27文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2021）07-007-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.004

傳統的現場澆筑涵閘在設計、施工過程中呈現工程建設周期長、環境污染嚴重、安全隱患較多等問題。裝配式涵閘能夠規避現場澆筑帶來的諸多難題。對裝配式涵閘結構進行合理拆分，采用有限元仿真模擬涵閘結構模型，分析整體及局部構件應力和位移，對確保裝配式涵閘結構的強度和穩定性至關重要[1]。

1 裝配式涵閘構件拆分與連接

1.1 裝配式涵閘拆分構件

裝配式涵閘構件拆分基于多方面因素：涵閘功能性和藝術性、結構合理性、制作運輸安裝環節的可行性和便利性等。拆分不僅是技術工作，也包含對約束條件的調查和經濟分析。涵閘構件拆分應當由建筑、結構、預算、工廠、運輸和安裝各個環節技術人員協作完成。裝配式涵閘立面設計要按照平面功能規劃，對于翼墻、擋墻等一系列構件，拆分時以單元式加以設計[2]。

文章將涵閘依次拆分為上游底板、下游底板、上游擋墻、下游擋墻、上游翼墻、下游翼墻、墊板、箱體和平臺，具體如圖1、圖2所示。

1.2 裝配式涵閘構件連接方式

文章從預制構件的運輸、安裝、易操作性，以及安全和經濟的角度考慮，綜合選用螺栓連接、鍵槽連接的連接方式。涵閘的上、下游底板在預制成型之前，預留翼墻與其裝配的鍵槽。裝配式鍵槽內鋪設止水橡膠墊，以減輕混凝土的剛性接觸，防止水流滲漏;上、下游擋墻和底板的連接采用預埋螺栓連接，力學仿真模型設內置螺栓，反映荷載傳遞規律，模型中將連接處理成螺栓連接和綁定連接，有效傳遞荷載;上、下游翼墻與擋墻在豎向鍵槽之間采用單排螺栓均布連接，在接頭連接處之間鋪設止水橡膠墊，并且留有一定的安裝調節距離;平臺與上游擋墻之間預埋兩個螺桿孔，用螺栓連接平臺和擋墻，確保閘門的升降;箱體與上、下游擋墻之間采用承插連接，在箱體與擋墻之間鋪設橡膠墊，減少滲漏。

2 裝配式涵閘尺寸布置

水位確定：文章的裝配式涵閘應用在農田渠道中，上游水深取1.2m，下游水深取0.9m。

涵閘主要構件尺寸圖如3、圖4所示。

3 涵閘荷載穩定分析

3.1 荷載計算

文章所研究的涵閘承受的荷載，主要包括水壓力、土壓力、揚壓力等。閘前水位1.2m，閘后水位0.9m。計算的具體情況如表1所示。

3.2 涵閘抗滑和抗滑穩定計算

土基上沿閘室基底的抗滑穩定安全系數Kc和抗浮穩定安全系數Kf，在基本荷載組合條件下，抗滑穩定和抗浮穩定滿足要求。

4 涵閘有限元模型結果分析

4.1 應力分析

4.1.1 完建無水期

圖5表明，完建期涵閘模型承受最大主拉應力5.76MPa。在分離螺栓連接部件后，混凝土構件所受最大主拉應力1.404MPa。根據《水工混凝土結構設計規范》[3]，C30混凝土容許拉應力1.43MPa，Q235碳鋼屈服強度235MPa。混凝土構件的最大拉應力小于容許拉應力，最大主拉應力存在螺栓上，去除螺栓的混凝土構件主拉應力小于容許拉應力，而螺栓構件受拉力遠小于其屈服強度，故能夠滿足抗拉強度要求。涵閘容許壓應力遠高于計算承受的壓應力，故涵閘結構能滿足抗壓強度要求。

4.1.2 正常運行期涵閘應力圖

如圖6所示，翼墻、底板、擋墻承受拉應力較小，在箱涵和擋墻連接處承受拉應力較大。最大拉應力在螺栓連接處，未達到Q235屈服強度，該螺栓連接滿足強度標準。在正常運行期，涵閘構件分離螺栓后拉應力為0.92MPa，能夠滿足抗拉強度要求。涵閘容許壓應力遠高于運行期承受的壓應力，故涵閘結構能滿足抗壓強度要求。

4.2 位移分析

4.2.1 完建無水期

如圖7所示，完建無水期在靜荷載作用下，涵閘模型在順水流方向的最大位移為0.71mm，豎直方向的最大位移在地基4.8cm處。根據《水閘設計規范》，構件最大沉降差不宜超過50mm，故沉降能夠滿足要求。

4.2.2 正常運行期

如圖8所示，涵閘模型在正常運行期受土荷載和水荷載的綜合作用，涵閘模型在順水流方向的最大位移為0.85mm，豎直方向的最大沉降位移在地基4.8cm處，能夠滿足地基沉降要求。涵閘整體結構的空間位移在允許范圍之內，故涵閘整體性較好。

5 結語

文章基于有限元法對裝配式涵閘進行結構分析。首先，從涵閘構件的拆分和連接方式引入涵閘模型，在滿足構件運輸和安裝的要求下合理拆分構件，有效連接構件。其次，從涵閘的結構布置和主要構件的尺寸確定涵閘平面圖，計算涵閘在組合荷載條件下的狀態。最后，采用ABAQUS有限元分析計算涵閘結構，通過建立涵閘模型，模擬完建和有水狀況下的涵閘構件受力狀態，對其應力和位移云圖進行分析，確保裝配式涵閘的構件能夠滿足其強度和位移要求。

參考文獻

[1] 韓廷超.一種農田水利新型裝配式涵閘的開發與應用研究[D].揚州：揚州大學，2019.

[2] 郭學明，李青山.裝配式混凝土建筑——建筑設計與集成設計200問[M].北京：機械工業出版社，2018.

[3] DL/T 5057-2009，水工混凝土結構設計規范[S].北京：中華人民共和國國家能源局，2009.