揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 揚州 225009

1 引言與工程概況

根據(jù)《水閘安全評價導(dǎo)則》(SL214－2015),水閘應(yīng)在竣工驗收后5年內(nèi)進(jìn)行首次安全鑒定,以后應(yīng)每隔10年進(jìn)行一次全面安全鑒定。水閘安全鑒定一般由4個部分組成:水閘現(xiàn)狀調(diào)查分析、水閘現(xiàn)場檢測、水閘安全復(fù)核計算、水閘安全評價[1]。其中在水閘安全復(fù)核計算時,需要對水閘閘室的沉降,水閘的底板、閘墩、排架等結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算,本文在傳統(tǒng)計算方法計算的基礎(chǔ)上,使用了三維有限元法,對水閘閘室的沉降和水閘各個部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了安全復(fù)核計算。

該水閘工程于2016年11月竣工并投入使用,工程等別為Ⅲ等,主要建筑為3級水工建筑物。工程采用泵閘結(jié)合型式,水閘凈寬8m,閘首邊墩及中墩厚均為1．0m,隔墩厚度0．8m,水閘底板頂高程為▽－0．50m(上海吳淞高程,下同),底板厚1．0m,閘門門槽處底板厚1．50m。

2 原理與方法

有限元法是將連續(xù)體用網(wǎng)格劃分為有限數(shù)目個單元體,這些單元體之間在節(jié)點處相互鉸結(jié),形成離散結(jié)構(gòu),用這些離散結(jié)構(gòu)來代替原來的連續(xù)體結(jié)構(gòu),以分析應(yīng)力和變形,將荷載移置作用于離散結(jié)構(gòu)的節(jié)點上,成為節(jié)點荷載。應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表示為:

式中:[D]為彈性矩陣。由虛位移原理和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,可建立節(jié)點荷載和節(jié)點位移之間的關(guān)系,即:

式中:[K],[δ],[R]分別為剛度矩陣,節(jié)點位移和節(jié)點荷載列陣。解方程可求得位移,進(jìn)而可推出應(yīng)變[ε]和應(yīng)力[σ]的分布[4]。

3 閘室三維有限元計算模型

3．1 模型的建立 本次計算閘室的地基在順?biāo)鞣较蛉?3．0m,垂直水流方向取90m,深度取至高程▽－60．0m。為了提高網(wǎng)格的劃分質(zhì)量,在不影響計算結(jié)果的前提下,對所建的模型做一定的簡化處理。由于考慮到了地基模型的尺寸范圍的選擇,故對地基采用全約束。坐標(biāo)系取為:x軸順?biāo)鞣较蛑赶蛏嫌?y軸垂直水流方向,z軸垂直指向上方。閘室整體三維有限元模型見圖1,其中單元總數(shù)為93924個。

圖1 閘室整體三維有限元模型圖

3．2 材料性質(zhì)和力學(xué)參數(shù) 工程結(jié)構(gòu)采用線彈性材料模擬,土體為彈塑性材料,假定服從Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則,由于土體自重產(chǎn)生的變形已基本完成,故計算中不計入土體自重引起的應(yīng)變。閘室結(jié)構(gòu)與地基土材料計算參數(shù)見下:混凝土結(jié)構(gòu)為C30混凝土,彈性模量為2．8×104MPa,泊松比為0．167,容重為25．0 k N/m3;地基土為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,彈性模量為15 MPa,泊松比為0．30,容重為18．0 k N/m3。

3．3 基本荷載和計算工況

(一)固定荷載

①結(jié)構(gòu)自重;

②閘上的豎向荷載。

(二)回填土荷載。墻后水平土壓力按主動土壓力和垂直土重進(jìn)行計算,其余按邊荷載考慮。

(三)水荷載。水荷載的加載情況:各個工況下的水位以及對于各水位同時考慮相應(yīng)的揚壓力。正向擋水(蓄水)外河側(cè)水位2．0m,內(nèi)河側(cè)水位2．8m;反向擋水(防洪)外河側(cè)水位3．87m,內(nèi)河側(cè)水位2．6m。

4 計算結(jié)果分析

按照上述計算模型和參數(shù),分別對該工程結(jié)構(gòu)的兩種工況進(jìn)行了空間有限元計算,從位移及應(yīng)力角度對閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[3]。

4．1 位移分析 各工況下的閘室豎向位移(沉降)計算成果見下。

正向擋水(蓄水)工況下沉降最大值為55．85mm,最小值為47．93mm,沉降差為7．92mm,最大值/最小值為1．17。

反向擋水(防洪)工況下沉降最大值為61．40mm,最小值為54．99mm,沉降差為6．41mm,最大值/最小值為1．12。

根據(jù)規(guī)范,地基最大沉降量不宜超過150mm[2],故地基沉降滿足要求。

4．2 最大主應(yīng)力分析 各工況下的閘室最大主應(yīng)力計算成果見下。

正向擋水(蓄水)工況下,閘室各構(gòu)件最大主應(yīng)力分別為:底板面層0．53MPa;底板底層1．91 MPa;邊墩1．82 MPa:隔墩1．37 MPa;排架0．52 MPa;泵房0．58 MPa。

反向擋水(防洪)工況下,閘室各構(gòu)件最大主應(yīng)力分別為:底板面層0．47MPa;底板底層1．73 MPa;邊墩1．41 MPa:隔墩1．28 MPa;排架0．60 MPa;泵房0．30 MPa。

由計算結(jié)果可知:各結(jié)構(gòu)在各工況下水閘最大主應(yīng)力主要分布在底板底層,最大值為1．82MPa,均小于C30混凝土軸心抗拉強(qiáng)度2．01MPa,故閘室強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本文利用商業(yè)有限元計算軟件ABAQUS,對該工程的整體沉降和結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行復(fù)核計算,計算結(jié)果表明在各個工況下閘室的沉降、沉降差均符合規(guī)范要求,水閘底板、閘墩等結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力在各工況均滿足強(qiáng)度要求。

同時,本文在研究分析中尚未考慮溫度、動力荷載的影響。從安全穩(wěn)定的角度考慮,動力荷載的影響不可忽略,而且閘室結(jié)構(gòu)靜力分析受地基模型、施工情況等多種因素影響,使得本文的結(jié)果與實際有所偏差,在后續(xù)工作會加強(qiáng)此方面的研究。