王 潔

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

·水利工程·

一帆河閘工程應(yīng)力有限元分析研究★

王 潔

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

以一帆河閘工程為例，采用三維有限元軟件ABAQUS，分析了閘室結(jié)構(gòu)在各荷載作用下所產(chǎn)生的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在各類各工況下，閘室結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力均超出了規(guī)范規(guī)定的混凝土拉應(yīng)力值上限，需要作配筋處理，結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力均小于混凝土允許壓應(yīng)力值，最后指出三維有限元分析能較直觀、準(zhǔn)確反映水閘工程的應(yīng)力狀況，是解決復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)問(wèn)題的有效方法。

閘室，ABAQUS，結(jié)構(gòu)應(yīng)力，計(jì)算模型

1 工程概況

漣水縣一帆河閘位于響水縣響城鎮(zhèn)西村與灌南縣交界處，始建于1967年，擔(dān)負(fù)著漣水、灌南和響水三縣的一帆河流域623 m2的排澇、擋潮、灌溉和航運(yùn)交通任務(wù)，原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為十年一遇，設(shè)計(jì)流量420 m2/s。淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院于2001年5月進(jìn)行一帆河拆建工程。新閘設(shè)計(jì)流排澇流量仍按一帆河十年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流量為491 m2/s，按10孔設(shè)計(jì)，閘孔總凈寬64 m。一帆河工程閘室為開(kāi)敞式平底板結(jié)構(gòu)，共10孔，兩邊孔為通航孔，凈寬8.0 m，中間8孔為非通航孔，每孔凈寬6.0 m，閘孔總凈寬64.0 m。閘室底板頂高程為▽-3.00 m，分為3塊，邊塊3孔一聯(lián)，中塊4孔一聯(lián)，底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)16.0 m。

2 計(jì)算模型

一帆河工程的地基，順?biāo)鞣较蛉?9 m，垂直水流方向取227.38 m，深度取至高程▽-23.0 m。在確保計(jì)算精度的前提下，對(duì)模型做一定簡(jiǎn)化處理，以提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。鑒于需對(duì)地基模型的尺寸范圍進(jìn)行考慮[1]，對(duì)地基采用全約束。圖1為閘室結(jié)構(gòu)空間有限元網(wǎng)格圖，其八節(jié)點(diǎn)六面體單元的總數(shù)為8 848個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為14 363個(gè)。閘室與地基整體三維有限元模型見(jiàn)圖1。

2.1 材料性質(zhì)和力學(xué)參數(shù)

一帆河閘工程材料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，表2。

表1 地基土材料計(jì)算參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)材料計(jì)算參數(shù)表

2.2 基本荷載和計(jì)算工況

1)固定荷載。

水閘結(jié)構(gòu)自重[2]。

2)水荷載。

對(duì)各水位同時(shí)考慮相應(yīng)的揚(yáng)壓力[3]。

水荷載的加載工況見(jiàn)表3。

表3 復(fù)核計(jì)算水位組合表 m

3)車道荷載。

車道荷載按照J(rèn)TG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[4]的方法進(jìn)行計(jì)算，車道荷載由均布荷載和集中荷載組成，本次復(fù)核將其簡(jiǎn)化成集中力作用在閘墩上，該工程交通橋汽車荷載按汽—20，掛—100復(fù)核。

3 計(jì)算結(jié)果分析

按照上述計(jì)算模型和參數(shù)，對(duì)各類工況下一帆河閘工程的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行空間有限元計(jì)算，求出閘室結(jié)構(gòu)在荷載作用下各點(diǎn)的應(yīng)力狀況，由此可對(duì)閘室的穩(wěn)定安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)所得的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，受篇幅所限，本文僅列出正向水位云圖，閘室最大主拉應(yīng)力云圖分別見(jiàn)圖2，圖3，最大主壓應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4，圖5。

工程主要結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，主壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 閘室結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力計(jì)算成果表

在各工況下通航孔邊墩的最大主拉應(yīng)力主要分布在臨水側(cè)下游底部，最大值為2.33 MPa，最大主壓應(yīng)力主要分布在岸墻側(cè)下游底部，最大值為3.64 MPa；中墩的最大主拉應(yīng)力主要分布在下

游側(cè)底部，最大值為2.21 MPa，最大主壓應(yīng)力主要分布在下游端底部，最大值為2.08 MPa；縫墩的最大主拉應(yīng)力主要分布在臨水側(cè)底部，最大值為2.83 MPa，最大主壓應(yīng)力主要分布在背水側(cè)底部，最大值為2.80 MPa；胸墻的最大主拉應(yīng)力主要分布在上游側(cè)底部，最大值為2.96 MPa，最大主壓應(yīng)力主要分布在下游側(cè)底部，最大值為2.10 MPa；沉井橫隔墻最大主拉應(yīng)力為1.92 MPa，最大主壓應(yīng)力為2.55 MPa；縱隔墻最大主拉應(yīng)力為2.13 MPa，最大主壓應(yīng)力為4.13 MPa；橫隔壁最大主拉應(yīng)力為1.60 MPa，最大主壓應(yīng)力為2.13 MPa。

表5 閘室結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力計(jì)算成果表

各類混凝土的容許拉、壓應(yīng)力值見(jiàn)表6。

表6 混凝土容許拉應(yīng)力與容許壓應(yīng)力值表

對(duì)比表6中的數(shù)據(jù)可知，在各類工況下，通航孔的閘墩及沉井結(jié)構(gòu)的最大主拉應(yīng)力均超過(guò)了C25混凝土的允許拉應(yīng)力值，故不滿足抗拉強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)需配筋；最大主壓應(yīng)力均小于C25混凝土的允許壓應(yīng)力，故滿足抗壓強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)一帆河閘的應(yīng)力場(chǎng)分析，在各計(jì)算工況下，結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件的拉應(yīng)力均超過(guò)混凝土允許拉應(yīng)力，需要配筋，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的最大主拉應(yīng)力小于混凝土允許壓應(yīng)力。

2)運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)一帆河閘室進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，得出其結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)分布圖，便于分析比較，可為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)提供依據(jù)。

[1] 李 君,鄭 彬,婁一青.基于MARC的水槽地基有限元靜動(dòng)力分析[J].水利與建設(shè)工程學(xué)報(bào)，2008，6(2)：100-102．

[2] DL 5077—1997，水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 馬永法,陳平龍,曹邱林.樁基礎(chǔ)水閘閘室結(jié)構(gòu)分析研究[J].水利與建設(shè)工程學(xué)報(bào)，2011，9(4)：42-45．

[4] JTG D60—2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

Analysis and research on stress of Yifanhe sluice project using FEM★

Wang Jie

(CollegeofHydraulic,EnergyandPowerEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China)

Taking the engineering of Yifanhe sluice project for example, the 3D FEM software(ABAQUS) is used here to analyze the tensile stress and compressive stress of the lock chamber structure under each load combination. According to the calculation results, it is found that under various working conditions, the tensile stress of the structure floor is more than that of the concrete, thus it is needed to be reinforced. The compressive stress of the structure floor is less than that of the concrete. The analysis indicates that the 3D FEM is the effective way to solve complex space structure problems, which could reflect the stress of the sluice engineering intuitively and accurately.

sluice, ABAQUS, structural stress, computational model

1009-6825(2017)05-0218-02

2016-12-06★：江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

王 潔(1993- )，女，在讀碩士

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