董永超

(和田鼎晟工程試驗(yàn)檢測有限公司，新疆 和田 848000)

1 概 述

水工結(jié)構(gòu)安全復(fù)核是一項(xiàng)十分重要的工作內(nèi)容，快速評價其穩(wěn)定性可對水工結(jié)構(gòu)除險加固工程提供參考[1-3]。有限元數(shù)值模擬是一種極為常用的研究方法，在水利工程、巖土工程等領(lǐng)域取得較多的應(yīng)用。有許多學(xué)者使用數(shù)值模擬方法對其研究的內(nèi)容進(jìn)行復(fù)核，或者直接采用數(shù)值模擬方法分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4-5]。經(jīng)過多位學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究水工結(jié)構(gòu)安全是可行的，具有建模簡單、計算速度快、計算結(jié)果可視化效果好等優(yōu)勢。

2 工程概況

某樞紐由一座2×16 m節(jié)制閘和一座100 m3/s的排澇泵站組成，其主要功能是防洪、除澇和改善城市水環(huán)境。

主要建筑物為節(jié)制閘、泵站、廠房、進(jìn)出水池、內(nèi)外河側(cè)翼墻、管理房(含副廠房)等。節(jié)制閘布置在河道北岸，泵站、安裝間等緊鄰節(jié)制閘布置在河道南岸，管理房(含副廠房)布置在南岸。節(jié)制閘為2孔，單孔凈寬16 m，采用下臥式平面鋼閘門，液壓啟閉機(jī)操作。節(jié)制閘為整體塢式結(jié)構(gòu)，門檻高程為0.00 m，底板面高程-1.50 m，閘墩頂高程6.80 m。

3 有限元分析原理

有限元分析(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)是利用數(shù)學(xué)近似的方法，對真實(shí)物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進(jìn)行仿真模擬?；谀芰繕O值及近似分割的原理，將連續(xù)體結(jié)構(gòu)離散劃分為有限個單元體，求解方程中，可看做由有限個劃分好的單元體組合的整體，可由單元上節(jié)點(diǎn)的求解值，用以整個單元有效的平均值。

為了對該工程整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有一個比較全面的了解，有必要采用三維有限元軟件ANSYS WORKBENCH對其整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析，并對其安全性進(jìn)行評價。

有限元法應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表示為：

[σ]=[D][ε]

(1)

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(diǎn)荷載和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，即：

[K][δ]=[R]

(2)

式中：[K]、[δ]、[R]分別為剛度矩陣、節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)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 水閘三維有限元計算模型

4.1 水閘結(jié)構(gòu)計算模型

計算水閘模型的地基在順?biāo)鳌⒋怪彼鞣较蛟O(shè)計為130和100.14 m，深度取至高程▽-33.6 m。地基采用全約束邊界條件。坐標(biāo)系取為：X軸逆水流方向指向下游，Y軸垂直水流方向左，Z軸垂直指向上方。水閘整體三維有限元模型見圖1，水閘與地基整體三維有限元模型見圖2。其中，單元總數(shù)為218 569個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為397 483個。

圖1 水閘整體三維模型

圖2 水閘與地基整體模型圖

4.2 材料性質(zhì)和力學(xué)參數(shù)

節(jié)制閘結(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。本次復(fù)核計算的材料強(qiáng)度值應(yīng)選取原設(shè)計強(qiáng)度等級與檢測結(jié)果中的較小值。節(jié)制閘結(jié)構(gòu)與地基土材料計算參數(shù)見表1。

表1 節(jié)制閘結(jié)構(gòu)材料計算參數(shù)表

4.3 基本荷載和計算工況

4.3.1 固定荷載

1)結(jié)構(gòu)自重。

2)閘上的豎向荷載。

4.3.2 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。

4.3.3 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(yáng)壓力。

4.3.4 地震荷載

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)附錄A和附錄D，節(jié)制閘工程所處場地的地震動峰值加速度為0.1 g。見表2。

表2 計算工況水位組合

4.4 計算結(jié)果分析

根據(jù)建立的數(shù)值模擬模型及計算參數(shù)，來計算結(jié)果。主要從位移和應(yīng)力兩個方面對節(jié)制閘的變形和受力情況進(jìn)行分析。

4.4.1 位移分析

根據(jù)計算結(jié)果的位移云圖進(jìn)行分析，位移云圖見圖3。 節(jié)制閘豎向位移計算成果見表3。

圖3 豎向位移云圖

表3 節(jié)制閘豎向位移計算成果

由圖3及表3可知，各工況下閘室地基沉降差較小，最大沉降差為1.3 mm，閘室地基沉降的最大值與最小值的比值約為1.04～1.06。閘室地基沉降量最大值為21.5 mm，根據(jù)規(guī)范，地基最大沉降量不宜超過150 mm，故地基沉降值滿足規(guī)范要求。

4.4.2 應(yīng)力分析

根據(jù)計算結(jié)果的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，具體計算的各工況下的閘室最大主拉應(yīng)力云圖見圖4。各工況下節(jié)制圖結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力成果見表4。

圖4 主拉應(yīng)力分布圖

表4 各工況下節(jié)制閘結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力成果表

由圖4及表4可知，各結(jié)構(gòu)在各工況下節(jié)制閘最大主拉應(yīng)力主要分布在底板面層門檻、墩墻與閘門連接處，最大值為2.71 MPa。最大主拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度允許值，需進(jìn)行配筋計算復(fù)核。

4.5 結(jié)構(gòu)配筋復(fù)核

依據(jù)表3的應(yīng)力計算成果，對節(jié)制閘結(jié)構(gòu)配筋進(jìn)行計算。計算時考慮碳化的影響，應(yīng)用實(shí)測保護(hù)層厚度。見表5。

表5 節(jié)制閘結(jié)構(gòu)配筋計算成果表

由表5可知，節(jié)制閘底板閘墩等結(jié)構(gòu)的最大主拉應(yīng)力在各工況下的配筋滿足強(qiáng)度要求。

綜上可知，節(jié)制閘地基的沉降量滿足要求，閘室整體穩(wěn)定性較好，節(jié)制閘結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足要求。

5 結(jié) 論

1)通過數(shù)值模擬分析計算，各工況下閘室地基沉降差較小，最大沉降差為1.3 mm，閘室地基沉降的最大值與最小值的比值約為1.04～1.06。閘室地基沉降量最大值為21.5 mm，地基沉降值滿足要求。

2)節(jié)制閘最大主拉應(yīng)力主要分布在底板面層門檻、墩墻與閘門連接處，最大值為2.71 MPa。最大主拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度允許值，需進(jìn)行配筋計算復(fù)核。復(fù)核結(jié)果表明，配筋滿足要求。