郭樹(shù)華，王江

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200050）

1 引言

水閘安全評(píng)價(jià)是對(duì)水閘結(jié)構(gòu)安全檢查并進(jìn)行安全類(lèi)別評(píng)價(jià)，是水閘工程進(jìn)行維修、改建的決策依據(jù)[1]。相對(duì)于新建水閘的工程設(shè)計(jì)，水閘安全評(píng)價(jià)工作針對(duì)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(guò)程，里面涉及面廣，內(nèi)容比較復(fù)雜，包括土建、金結(jié)、量測(cè)、電氣、機(jī)械設(shè)備等。在安全評(píng)價(jià)中，復(fù)核計(jì)算分析是必不可少的步驟，通過(guò)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(píng)價(jià)級(jí)別[3]。本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)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(píng)價(jià)復(fù)核計(jì)算提供新的方法。

2 工程概況及理論分析

2.1 工程概況

川東港閘下移工程于2010年1月開(kāi)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(kāi)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?jī)煽滓宦?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L(zhǎng)16.5m，垂直水流向長(zhǎng)117.7m，閘底板面高程為-2.5m，底板厚1.5m。

2.2 理論分析

為了對(duì)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(duì)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(guò)有限個(gè)結(jié)點(diǎn)連接起來(lái)。所考慮的荷載按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行處理。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 閘室復(fù)核分析計(jì)算模型

川東港閘基礎(chǔ)順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)49.5m，垂向?yàn)?53.1m，深度為高程-20.1m。為提高計(jì)算精度，對(duì)模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理。根據(jù)地基模型的尺寸因素，對(duì)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)。

3.2 材料性質(zhì)和力學(xué)參數(shù)

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(jí)與檢測(cè)結(jié)果中的較小值。結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度等級(jí)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。

3.3 基本荷載和計(jì)算工況

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

4 復(fù)核計(jì)算結(jié)果分析

按照上述計(jì)算模型和參數(shù)，分別對(duì)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。

4.1 應(yīng)力分析

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(jí)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(guò)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(guò)混凝土的允許壓應(yīng)力，故混凝土的抗壓強(qiáng)度滿足要求。

4.2 閘室結(jié)構(gòu)承載能力復(fù)核

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(cè)值，若該部位混凝土強(qiáng)度等級(jí)大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)；若該部位混凝土強(qiáng)度等級(jí)小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)用檢測(cè)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)。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(cè)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(guò)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

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)三維有限元軟件對(duì)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(guò)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(lèi)似工程提供有益參考。