張麗萍，董 雷，代 晴

(徐州市水利建筑設(shè)計研究院，江蘇 徐州 221000)

水閘、溢流堰等建筑物是水利工程中不可缺少的[1- 3]，作為上下游連接段的翼墻是上述建筑物的重要組成部分。在墻后會形成一定區(qū)域的填土，墻后的填土對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載稱為邊荷載[4]。

護(hù)坦位于泄水建筑物下游，用以保護(hù)河床免受水流沖刷或其他侵蝕破壞的剛性結(jié)構(gòu)設(shè)施。當(dāng)下泄水流采用底流消能時，護(hù)坦(或其一部分)常做成消力池型式，促使高速水流在消力池范圍內(nèi)產(chǎn)生水躍。由于護(hù)坦受力情況較復(fù)雜，又緊靠閘室或壩體，一旦破壞，直接影響閘壩安全[5- 7]。而邊荷載對底板結(jié)構(gòu)的影響較大[8]，因此有必要進(jìn)行邊荷載對護(hù)坦底板結(jié)構(gòu)設(shè)計影響的研究。

有限元法具有極大的通用性和靈活性，可以用來求解彈性力學(xué)中的各種復(fù)雜邊界條件。本文采用有限元法進(jìn)行模擬分析計算，能夠簡化繁瑣的計算過程，很簡便得到計算結(jié)果[9]。

采用有限元法進(jìn)行彈性力學(xué)分析時，首先需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，將計算區(qū)域劃分為有限個計算單元，單元之間只在結(jié)點(diǎn)上互相聯(lián)系，然后對計算單元進(jìn)行分析，根據(jù)基本方程和變分原理建立單元結(jié)點(diǎn)力和結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，最后整體計算分析，根據(jù)結(jié)點(diǎn)力平衡方程建立有限元方程，引進(jìn)邊界約束條件，解總體剛度方程求結(jié)點(diǎn)位移分量[10]。

1 模型構(gòu)建

1.1 模型構(gòu)建

本文研究邊荷載對護(hù)坦的影響，因此將護(hù)坦兩側(cè)的構(gòu)筑物簡化為邊荷載，地基土按照彈性地基考慮，為滿足計算精度，地基土深度取10m深。

因各工程地質(zhì)條件不同，邊荷載作用大小不同，本文僅定性研究邊荷載對護(hù)坦結(jié)構(gòu)的影響，相應(yīng)設(shè)計參數(shù)設(shè)置如下：地基土彈性模量為1×105kPa、泊松比為0.3，護(hù)坦彈性模量為2.8×107kPa、泊松比為0.167，邊荷載為100kPa。

1.2 單元劃分

將地基劃分為有限個三角形單元，三角形單元形狀應(yīng)盡量規(guī)則，內(nèi)角相差不應(yīng)太多。網(wǎng)格劃分越細(xì)，計算結(jié)果精度越高，但是到一定程度后對結(jié)果精度的影響不太明顯。綜合考慮精度和計算能力，靠近底板的計算區(qū)域網(wǎng)格宜密，遠(yuǎn)離底板的計算區(qū)域網(wǎng)格宜疏，并使相鄰分區(qū)單元的邊界節(jié)點(diǎn)重合。

1.3 邊界條件

地基計算區(qū)域兩側(cè)取X方向約束，地基計算區(qū)域底部取X、Y方向約束。

2 計算結(jié)果

2.1 分縫數(shù)量對護(hù)坦結(jié)構(gòu)的影響

采用護(hù)坦寬10m、荷載作用范圍10m作為基本模型，計算分縫數(shù)量對護(hù)坦結(jié)構(gòu)的影響。主要分為以下4種計算工況：護(hù)坦不分縫(工況1)；護(hù)坦之間分一道縫(工況2)；護(hù)坦之間分兩道縫(工況3)；護(hù)坦之間分三道縫(工況4)。分縫寬度為2cm。

各工況中結(jié)合工程實際考慮了翼墻與護(hù)坦之間是否留2cm沉降縫，分為兩個子模型。計算結(jié)果如圖1—2所示。

圖2 分縫數(shù)量對護(hù)坦彎矩值影響分布圖

圖1 護(hù)坦最大彎矩值與分縫數(shù)量關(guān)系圖

通過圖1兩條趨勢線對比可知，護(hù)坦和翼墻之間留2cm縫可有效降低邊荷載對護(hù)坦的影響，可以看出降低幅度約為50%；通過對兩根趨勢線中不分縫的最大彎矩值與其他工況最大彎矩值對比可知，邊荷載對分縫護(hù)坦的影響程度明顯低于對不分縫護(hù)坦的影響。

對圖2中四個工況圖形對比可知，邊荷載對離荷載最近的一塊護(hù)坦彎矩影響最大，對于分縫護(hù)坦，最大彎矩值變化不大，且最大彎矩均出現(xiàn)在距邊荷載最近的一塊護(hù)坦上，對于分兩道以上縫的護(hù)坦，處于中間部位的護(hù)坦，其彎矩值與鄰近邊荷載護(hù)坦上的彎矩值相比可忽略不計。因此以下針對邊荷載對不分縫和分一道縫護(hù)坦的影響作進(jìn)一步研究。

2.2 邊荷載對不分縫護(hù)坦的影響

根據(jù)工程一般需要，將護(hù)坦寬度分為8、10、12、14、16m五組，根據(jù)邊荷載的作用范圍對護(hù)坦應(yīng)力影響不同，結(jié)合已有研究[11]，將邊荷載作用范圍分為5、10、15、20m四個系列。計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不分縫護(hù)坦最大彎矩值趨勢圖

經(jīng)上述計算分析，邊荷載對不分縫護(hù)坦最大彎矩值的影響隨著護(hù)坦寬度的增加，先增大再減小，在護(hù)坦寬度10～12m時達(dá)到最大值。同時從計算結(jié)果可看出，邊荷載作用范圍超過10m后，作用范圍對護(hù)坦的彎矩影響幾乎沒有差別。

2.3 邊荷載對分一道縫護(hù)坦的影響

可將邊荷載對中間分一道縫的護(hù)坦的影響視作單邊荷載對臨近護(hù)坦的影響。將護(hù)坦寬度從12～32m，每間隔2m為一組，共11組，根據(jù)邊荷載的作用范圍對護(hù)坦應(yīng)力影響不同，將邊荷載作用范圍分為5、10、15、20m四個系列。計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 分一道縫護(hù)坦最大彎矩趨勢圖

計算結(jié)果表明：護(hù)坦分一道縫的工況下，隨著護(hù)坦寬度的增加，最大彎矩值先變大，在護(hù)坦總寬度大于22m后逐漸趨于平緩。從計算結(jié)果可看出，在本模型條件下分縫后的護(hù)坦的彎矩值均未超過50kN·m；邊荷載作用范圍超過10m后，作用范圍對護(hù)坦的彎矩影響幾乎沒有差別。

3 結(jié)論

(1)翼墻與護(hù)坦之間留2cm的沉降縫，不僅能減少不均勻沉降帶來的危害，同時也能有效地減少邊荷載對護(hù)坦結(jié)構(gòu)的影響程度。

(2)邊荷載僅對鄰近邊荷載的護(hù)坦有顯著影響，對中間護(hù)坦幾乎無影響。

(3)護(hù)坦不分縫時，邊荷載對護(hù)坦最大彎矩值的影響隨著護(hù)坦寬度增加先增加再減小，在護(hù)坦寬度10～12m時達(dá)到最大值。

(4)單邊荷載對護(hù)坦最大彎矩值的影響規(guī)律是隨著護(hù)坦寬度的增加先增加后區(qū)域平緩。

(5)邊荷載作用范圍超過10m后，作用范圍的大小對護(hù)坦影響的差異很小。