【摘 要】本文主要研究的是某蓄水閘的靜力分析。通過對(duì)該工程模型參數(shù)確定，采用ANSYS軟件三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬計(jì)算并對(duì)水閘進(jìn)行整體建模及網(wǎng)格劃分。通過對(duì)基本荷載及計(jì)算工況的計(jì)算，得出水閘最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力。水閘各個(gè)工況下的拉壓應(yīng)力以及位移沉降，均在安全范圍內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】水閘；模型；靜力；分析

1、工程基本資料

1.1 工程概況

某蓄水閘設(shè)計(jì)流量為為182.7立方米/秒，校核流量365立方米/秒，設(shè)計(jì)水深為4m，校核水深為6m，正常蓄水位為29.4m，閘底板高程25.4m，校核水位31.4m。閘室長10m，閘室總寬25m，共3孔，每孔凈寬7m。閘墩均為1米厚，鋼筋混凝土底板厚1.2m，閘室上游設(shè)三跨交通橋，橋長24m，橋?qū)?.1m，閘室下游設(shè)三跨機(jī)架橋，橋長25m，橋?qū)?.4m，兩橋均為鋼筋混凝土預(yù)制T梁。

本地區(qū)屬地震基本烈度7度區(qū)，按抗震規(guī)范，場內(nèi)不存在液化土層。場地地基土無軟弱夾層和下臥層，作為基礎(chǔ)持力層。閘址處地基承載力較高，一般在120～130kPa。據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203-97）的規(guī)定，水閘及其他主要建筑物設(shè)計(jì)烈度為VII度。

1.2 模型參數(shù)確定

（1）地基基礎(chǔ)。在ANSYS有限元分析中，采用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬計(jì)算，閘室采用線彈性模型，地基用彈塑性模型、Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則涉及的力學(xué)參數(shù)有：材料的變形模量 為25Mpa、泊松比 為0.35、容重 為19.0 、摩擦角φ為14度、凝聚力 為0.6 和膨脹角 為19度。

（2）閘首混凝土。閘室混凝包括閘墩底板等采用C20混凝土，因此取彈性模量 為26GPa，泊松比 為0.167，混凝土容重 為24.0 。

1.3 模型建立及網(wǎng)格劃分

采用ANSYS有限元軟件對(duì)水閘進(jìn)行整體建模。坐標(biāo)X軸順?biāo)髦赶蛳掠?，Y軸豎直向上，Z軸垂直水流指向右岸。采用無質(zhì)量地基模型，地基厚度取1.5倍閘室高度15m，閘室兩端及上下游側(cè)地基延伸長度為1倍閘室寬度10m。水閘閘底板及閘墩采用C20混凝土，采用SOLID65單元進(jìn)行單元?jiǎng)澐?。地基采用SOLID45單元進(jìn)行網(wǎng)格化分。該有限元模型共有21128個(gè)單元， 24906個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算中閘墩外側(cè)部分為自由端，不施加約束，地基底面施加豎向約束，兩側(cè)及上下游側(cè)地基施加鏈桿約束。機(jī)架橋等上部設(shè)備作為附加質(zhì)量施加在閘墩上。

1.4 基本荷載及計(jì)算工況

進(jìn)行水閘的靜力分析，首先要了解作用在閘室上的各項(xiàng)荷載，以及荷載的大小方向和作用位置。

1.固定荷載

（1）結(jié)構(gòu)自重；

（2）閘上部的豎向荷載（包括交通橋、工作橋、閘門和啟閉設(shè)備），其中交通橋總重為47825kg，交通橋重為65117kg，閘門及啟閉設(shè)備重量為27548 3kg。

2.水荷載

（1）正常運(yùn)行期：上游水位為29.9米，下游水位為29.8米；

（2）校核洪水期：上游水位為31.23米，下游水位為30.90米。

根據(jù)上述情況，本次研究選用以下三種控制工況進(jìn)行靜力分析：

工況一（完建期）：只考慮結(jié)構(gòu)自重；

工況二（運(yùn)行期正常水深），考慮荷載有自重、揚(yáng)壓力和水壓力；

工況三（校核期校核水深），考慮荷載有自重、揚(yáng)壓力和水壓力。

2、靜力計(jì)算成果分析

2.1 位移

該水閘建于軟土地基上，工程完工以后會(huì)產(chǎn)生較大的地基沉降，完建期地基的最大沉降為1.32cm。關(guān)于水閘的沉降量的容許值，目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于整體式鋼筋混凝土底板，一般最大沉降量可達(dá)10-15cm，最大沉降差容許達(dá)到3-5cm。由于閘底板采用整體式結(jié)構(gòu)沉降均勻，地基沉降在水閘規(guī)定的允許范圍內(nèi)，不會(huì)給閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生過大影響。水閘不同工況下的地基沉降位移列于表1：

限于篇幅有限，以下列出了正常運(yùn)行情況下的沉降位移圖：

由以上位移云圖可見，閘室垂直于水流方向沉降均勻。順?biāo)鞣较蜷l室上游沉降量略大于下游沉降差為6-8mm，在允許范圍內(nèi)。水閘正常運(yùn)行期閘門襠水高度為4.0m，水平推力作用于閘門產(chǎn)生向下游傾斜的趨勢(shì)，閘室在Z向產(chǎn)生1.8mm的位移。

2.2 應(yīng)力

水閘不同工況下的三個(gè)方向和第一、第三主應(yīng)力分別列于下表2

水閘完建期處于無水狀態(tài)，只承受結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載以及自身自重，閘墩處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為2.14MPa，小于混凝土的抗壓強(qiáng)度。底板由于承受上部荷載略有不同，在底板底部及兩邊孔側(cè)底板上部有較小拉應(yīng)力，其最大值為0.4MPa，小于混凝土的抗拉強(qiáng)度。邊墩兩端與底板連接處