郭樹華,王江
(上??睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海200050)
水閘安全評價(jià)是對水閘結(jié)構(gòu)安全檢查并進(jìn)行安全類別評價(jià),是水閘工程進(jìn)行維修、改建的決策依據(jù)[1]。相對于新建水閘的工程設(shè)計(jì),水閘安全評價(jià)工作針對性更強(qiáng)、目的更明確、研究深度更深、精度要求更高[2]。同時(shí)還是一個(gè)系統(tǒng)過程,里面涉及面廣,內(nèi)容比較復(fù)雜,包括土建、金結(jié)、量測、電氣、機(jī)械設(shè)備等。在安全評價(jià)中,復(fù)核計(jì)算分析是必不可少的步驟,通過復(fù)核計(jì)算分析可知水閘防洪標(biāo)準(zhǔn)、抗震安全、金屬結(jié)構(gòu)安全性,并給出安全復(fù)核評價(jià)級別[3]。本文采用數(shù)值模擬方法對水閘閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核分析,為水閘安全評價(jià)復(fù)核計(jì)算提供新的方法。
川東港閘下移工程于2010年1月開工建設(shè),2010年10月完成水下工程驗(yàn)收,2013年2月完成土建施工及安裝工程驗(yàn)收工程。該閘在發(fā)揮擋潮、防洪、排澇、蓄淡灌溉等方面發(fā)揮了巨大效益,為沿海大開發(fā)、服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供重要保障。
川東閘閘身總凈寬100m,每孔凈寬10m,共10孔。通航孔單獨(dú)一聯(lián),呈“U”字形結(jié)構(gòu)布置于左岸,泄洪孔每兩孔一聯(lián),每聯(lián)呈“山”字形結(jié)構(gòu),剩余一孔泄洪孔單獨(dú)一聯(lián),布置于右岸,共6聯(lián)。閘身順?biāo)飨蜷L16.5m,垂直水流向長117.7m,閘底板面高程為-2.5m,底板厚1.5m。
為了對川東港閘整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行全面了解,應(yīng)采用三維有限元軟件ABAQUS對其整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析。
根據(jù)川東港閘工程的結(jié)構(gòu)特征和受力特點(diǎn),將地基、閘室、閘墩等一起建模,考慮它們之間的相互作用。各種結(jié)構(gòu)離散成四面體單元等參單元,單元之間通過有限個(gè)結(jié)點(diǎn)連接起來。所考慮的荷載按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行處理。
川東港閘基礎(chǔ)順?biāo)鞣较蜷L49.5m,垂向?yàn)?53.1m,深度為高程-20.1m。為提高計(jì)算精度,對模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡化處理。根據(jù)地基模型的尺寸因素,對地基采用全約束。川東港閘三維有限元模型單元總數(shù)為57 051個(gè),結(jié)點(diǎn)總數(shù)為102 535個(gè)。
川東港閘結(jié)構(gòu)采用線彈性材料模擬,土體為彈性材料,由于土體自重產(chǎn)生的變形已基本完成,故計(jì)算中不計(jì)入土體自重引起的應(yīng)變。本次復(fù)核計(jì)算的材料強(qiáng)度值應(yīng)選取原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級與檢測結(jié)果中的較小值。結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度等級取C30,彈性模量3.0×104MPa,泊松比0.167,重度25.0kN/m3。地基土為重粉質(zhì)砂壤土,壓縮模量6.94MPa,泊松比0.3。
基本荷載和計(jì)算工況如下:(1)固定荷載:閘室結(jié)構(gòu)自重。(2)回填土荷載:根據(jù)SL 744—2016《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》,墻后水平土壓力按主動(dòng)土壓力和垂直土重進(jìn)行計(jì)算,其余按邊荷載考慮。(3)水荷載:水荷載的加載工況如表1所示。
表1復(fù)核計(jì)算水位組合表
按照上述計(jì)算模型和參數(shù),分別對川東港閘閘室結(jié)構(gòu)的各種工況進(jìn)行了空間有限元計(jì)算,求出各種工況下站身結(jié)構(gòu)在荷載作用下的各結(jié)點(diǎn)應(yīng)力。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析,各工況下泄洪孔單聯(lián)閘室底板的最大主拉應(yīng)力主要分布在上、下游面層,最大值為2.43MPa,泄洪孔單聯(lián)閘室底板的最大主壓應(yīng)力主要分布在上、下游底層,最大值為2.81MPa;泄洪孔雙聯(lián)閘室底板的最大主拉應(yīng)力主要分布在上、下游面層,最大值為1.54MPa,泄洪孔雙聯(lián)閘室底板的最大主壓應(yīng)力主要分布在上、下游底層,最大值為2.06MPa;通航孔閘室底板的最大主拉應(yīng)力主要分布在上、下游面層,最大值為2.14MPa,通航孔閘室底板的最大主壓應(yīng)力主要分布在上、下游底層,最大值為3.04MPa;邊墩最大主拉應(yīng)力為0.87MPa,最大主壓應(yīng)力為3.49MPa;中墩最大主拉應(yīng)力為1.09MPa,最大主壓應(yīng)力為3.22MPa;縫墩最大主拉應(yīng)力為1.15MPa,最大主壓應(yīng)力為3.53MPa。
根據(jù)規(guī)范要求,混凝土強(qiáng)度等級C30容許拉應(yīng)力0.572MPa、容許壓應(yīng)力9.295MPa。
閘室底板底層、面層、閘墩的最大主拉應(yīng)力均超過了混凝土的允許拉應(yīng)力,故底板底層、面層、閘墩混凝土的抗拉強(qiáng)度均不滿足要求,最大主壓應(yīng)力未超過混凝土的允許壓應(yīng)力,故混凝土的抗壓強(qiáng)度滿足要求。
閘室結(jié)構(gòu)承載能力復(fù)核計(jì)算應(yīng)考慮混凝土強(qiáng)度檢測值,若該部位混凝土強(qiáng)度等級大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級時(shí),混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)用設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級;若該部位混凝土強(qiáng)度等級小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級時(shí),混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)用檢測的混凝土強(qiáng)度等級。計(jì)算時(shí)考慮碳化的影響,混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)用實(shí)測保護(hù)層厚度進(jìn)行計(jì)算。閘室結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算成果如表2~表3所示。
經(jīng)過配筋后泄洪孔單聯(lián)、泄洪孔雙聯(lián)以及通航孔閘室底板、閘墩、交通橋等結(jié)構(gòu)承載能力均滿足要求。
表2泄洪孔單聯(lián)閘室結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算成果表
表3通航孔閘室結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算成果表
本文通過三維有限元軟件對川東閘復(fù)核分析計(jì)算,得出了以下結(jié)論:底板底層、面層、閘墩混凝土的抗拉強(qiáng)度均不滿足要求,混凝土的抗壓強(qiáng)度滿足要求;泄洪孔單聯(lián)、泄洪孔雙聯(lián)以及通航孔閘室底板、閘墩等結(jié)構(gòu)承載能力均滿足要求。
通過三維有限元軟件進(jìn)行復(fù)核分析計(jì)算,高精度,高效率,可應(yīng)用于各種復(fù)雜的水閘結(jié)構(gòu)型式,為以后的類似工程提供有益參考。