張京娥

摘要：在高水頭船閘中，運用襯砌式混合結(jié)構(gòu)閘室墻結(jié)構(gòu)作為船閘閘室墻的比較少，對于這種結(jié)構(gòu)閘室墻在高水頭情況下運用的有限元法進行設(shè)計還沒有形成完整的理論，本文通過對這種結(jié)構(gòu)特點進行分析，闡述了有限元法在混合式閘室墻結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：船閘、混合結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

船閘是用水力直接提升船舶過壩以克服航道上集中水位差而設(shè)置的一種通航建筑物，根據(jù)船閘所處的地質(zhì)條件，選擇不同的閘室墻結(jié)構(gòu)，而混合式閘室墻一般用于開挖巖石山體中，當巖面處于墻高的中部時，就可采用混合式閘室墻結(jié)構(gòu)，混合式閘室墻上部為重力式結(jié)構(gòu)，下部采用襯砌式結(jié)構(gòu)。目前在工程設(shè)計中，一般假設(shè)上部重力墻和下部襯砌墻為獨立結(jié)構(gòu)，分別進行穩(wěn)定性、強度和地基承載力驗算，但是對于不同地質(zhì)條件下上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間的作用力、地基和周圍巖體與墻體結(jié)構(gòu)之間的作用力尚不完全明確，因此基于有限元軟件針對不同“接觸”非線性問題，有許多功能強大、靈活多變的接觸面模擬功能，相較于傳統(tǒng)的分析方法在解決復(fù)雜接觸問題時具有更多的優(yōu)勢。

1 船閘閘室結(jié)構(gòu)有限元模型

船閘結(jié)構(gòu)全部或者部分埋置在土中，受到很大的水壓力作用，周圍巖土體對船閘結(jié)構(gòu)具有約束作用。在兩者相互作用下，其結(jié)構(gòu)的響應(yīng)不同于地面上的自由結(jié)構(gòu)。而混合式閘室墻一般采用整體式結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)方法計算中是將空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題，按固定于底板上的的懸臂梁進行計算并且計算高度不大于25m，一般按材料力學偏心受壓公式計算內(nèi)力；運用有限元法進行混合式船閘閘室墻結(jié)構(gòu)計算，可將采用非線性有限元方法，借助大型有限元軟件建立回填土-船閘閘墻結(jié)構(gòu)-巖基整體有限元模型，分析不同工況下混合式船閘閘墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特征，并對數(shù)據(jù)進行分析整理，得出相應(yīng)結(jié)論，為高邊坡混合式船閘閘墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供科學的依據(jù)。

2 船閘結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響因子

通過有限元法建立船閘閘室的計算模型，首先考慮不同工況下作用于閘室墻結(jié)構(gòu)上的荷載作用，同時要分析閘室墻與巖基之間的接觸應(yīng)力，選擇必要和合理的有限元計算范圍，對于巖基與閘室之間的作用區(qū)域如何將其荷載準確地擬合在有限元模型上對于計算結(jié)果是非常重要的。同時在混合式閘室墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可能會運用廣義Hooke定律；土體材料本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulormb模型等，因此在因地制宜地采取不同的結(jié)構(gòu)形式時，對于不同的結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的變化對有限元模型計算結(jié)果的影響。例如：閘墻背與垂直線的夾角α；填土的內(nèi)摩擦角φ，閘墻背與土的摩擦角δ，填土表面與水平面所成夾角等?？梢詮纳鲜龅膮?shù)考慮不同的參數(shù)對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及地基的承載力的影響。

3 有限元法計算的荷載及邊界

混合式船閘在計算時主要計算正常運行工況、完建工況，檢修工況、設(shè)計洪水工況、校核洪水工況的荷載組合，各個工況下施加于于有限元模型的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、土體自重、土體土壓力，上部荷載的土壓力，閘室內(nèi)的靜水壓力，閘室底板上的浮托力以及通過船閘船舶的系纜力，在有限元法計算時根據(jù)不同的工況將相應(yīng)的荷載模擬在有限元模型上，并根據(jù)應(yīng)力及應(yīng)變云圖得出不同工況下閘室墻結(jié)構(gòu)斷面各個部位的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，通過對各個工況下計算結(jié)果進行比較，可得出應(yīng)力應(yīng)變的最大及最小值點，根據(jù)以往工程實踐以及有限元方法建立模型的計算可知正常運行及完建工況比較有代表性。正常工況下墻后回填料易發(fā)生不均勻沉降，因此在設(shè)計和施工過程中要注意對回填料的壓實強夯，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在擋墻前趾及底板上且應(yīng)力值偏大，考慮配筋或加大截面尺寸解決解決。完建工況與正常工況相似。

混合式結(jié)構(gòu)閘室墻下部為襯砌式結(jié)構(gòu)，由于錨桿的作用，需要研究其和巖石相互作用以及不同錨固長度、自由長度、錨筋數(shù)量、錨筋排列方式、錨桿和巖體及混凝土的作用力等對閘室墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，在用有限元法進行計算時，可將錨桿作為桿件單元，同時要準確地定義彈性模量E，泊松比ν等材料參數(shù)，同時也應(yīng)根據(jù)所建有限元模型建立適合于本模型的材料庫。

結(jié)語

通過以上論述可知對于高邊坡的混合式船閘，運用有限元法進行結(jié)構(gòu)計算具有以下優(yōu)點：

對于混合式閘室墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)和地質(zhì)情況比較復(fù)雜，有限元方法能很好地反映閘室墻結(jié)構(gòu)各個部分的受力特征，根據(jù)有限元法計算的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果有助于結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化，為工程帶來更大地經(jīng)濟效益。與傳統(tǒng)的解析法相比，有限元法能更好地反應(yīng)出局部應(yīng)力應(yīng)變分布情況，為結(jié)構(gòu)局部配筋提供依據(jù)。

一般結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，應(yīng)力分布會比之前更加均勻。而且結(jié)構(gòu)尺寸會比之前更小，不僅節(jié)省材料，提高經(jīng)濟效益，而且加快了施工進度。

由于閘室墻所處的環(huán)境，周圍巖體的滲流對閘室墻的作用在所難免，嚴重影響著構(gòu)筑物的安全與造價，傳統(tǒng)的有限元法較難確定浸潤面的位置，例如運用ABAQUS/Standard非飽和土力學理論，將整個區(qū)域用固定網(wǎng)格求解，具有很大的簡便性及精度。

另外通過大量的有限元結(jié)構(gòu)計算表明，與其它結(jié)構(gòu)形式相比，襯砌式結(jié)構(gòu)可以節(jié)省大量建設(shè)費用，施工也相對簡單，在工程地質(zhì)條件適宜的地區(qū)宜優(yōu)先考慮！

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