侍忠標(biāo) 蔡禹 韓廷超

摘 要：文章根據(jù)裝配式涵閘構(gòu)件的拆分原則和連接要求，將涵閘拆分為底板、翼墻、擋墻、平臺(tái)、閘門、箱體、墊板等構(gòu)件，采用螺栓和鍵槽連接方式，輔以橡膠止水墊，并通過有限元軟件ABAQUS構(gòu)建裝配式涵閘模型，在組合荷載多工況下分析涵閘整體及其構(gòu)件的應(yīng)力和位移變化，確保裝配式涵閘構(gòu)件拆分滿足穩(wěn)定性與使用要求。

關(guān)鍵詞：涵閘;裝配;有限元;穩(wěn)定分析

中圖分類號(hào)：TV66;S27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-1064（2021）07-007-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.004

傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)澆筑涵閘在設(shè)計(jì)、施工過程中呈現(xiàn)工程建設(shè)周期長(zhǎng)、環(huán)境污染嚴(yán)重、安全隱患較多等問題。裝配式涵閘能夠規(guī)避現(xiàn)場(chǎng)澆筑帶來的諸多難題。對(duì)裝配式涵閘結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理拆分，采用有限元仿真模擬涵閘結(jié)構(gòu)模型，分析整體及局部構(gòu)件應(yīng)力和位移，對(duì)確保裝配式涵閘結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性至關(guān)重要[1]。

1 裝配式涵閘構(gòu)件拆分與連接

1.1 裝配式涵閘拆分構(gòu)件

裝配式涵閘構(gòu)件拆分基于多方面因素：涵閘功能性和藝術(shù)性、結(jié)構(gòu)合理性、制作運(yùn)輸安裝環(huán)節(jié)的可行性和便利性等。拆分不僅是技術(shù)工作，也包含對(duì)約束條件的調(diào)查和經(jīng)濟(jì)分析。涵閘構(gòu)件拆分應(yīng)當(dāng)由建筑、結(jié)構(gòu)、預(yù)算、工廠、運(yùn)輸和安裝各個(gè)環(huán)節(jié)技術(shù)人員協(xié)作完成。裝配式涵閘立面設(shè)計(jì)要按照平面功能規(guī)劃，對(duì)于翼墻、擋墻等一系列構(gòu)件，拆分時(shí)以單元式加以設(shè)計(jì)[2]。

文章將涵閘依次拆分為上游底板、下游底板、上游擋墻、下游擋墻、上游翼墻、下游翼墻、墊板、箱體和平臺(tái)，具體如圖1、圖2所示。

1.2 裝配式涵閘構(gòu)件連接方式

文章從預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸、安裝、易操作性，以及安全和經(jīng)濟(jì)的角度考慮，綜合選用螺栓連接、鍵槽連接的連接方式。涵閘的上、下游底板在預(yù)制成型之前，預(yù)留翼墻與其裝配的鍵槽。裝配式鍵槽內(nèi)鋪設(shè)止水橡膠墊，以減輕混凝土的剛性接觸，防止水流滲漏;上、下游擋墻和底板的連接采用預(yù)埋螺栓連接，力學(xué)仿真模型設(shè)內(nèi)置螺栓，反映荷載傳遞規(guī)律，模型中將連接處理成螺栓連接和綁定連接，有效傳遞荷載;上、下游翼墻與擋墻在豎向鍵槽之間采用單排螺栓均布連接，在接頭連接處之間鋪設(shè)止水橡膠墊，并且留有一定的安裝調(diào)節(jié)距離;平臺(tái)與上游擋墻之間預(yù)埋兩個(gè)螺桿孔，用螺栓連接平臺(tái)和擋墻，確保閘門的升降;箱體與上、下游擋墻之間采用承插連接，在箱體與擋墻之間鋪設(shè)橡膠墊，減少滲漏。

2 裝配式涵閘尺寸布置

水位確定：文章的裝配式涵閘應(yīng)用在農(nóng)田渠道中，上游水深取1.2m，下游水深取0.9m。

涵閘主要構(gòu)件尺寸圖如3、圖4所示。

3 涵閘荷載穩(wěn)定分析

3.1 荷載計(jì)算

文章所研究的涵閘承受的荷載，主要包括水壓力、土壓力、揚(yáng)壓力等。閘前水位1.2m，閘后水位0.9m。計(jì)算的具體情況如表1所示。

3.2 涵閘抗滑和抗滑穩(wěn)定計(jì)算

土基上沿閘室基底的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc和抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Kf，在基本荷載組合條件下，抗滑穩(wěn)定和抗浮穩(wěn)定滿足要求。

4 涵閘有限元模型結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力分析

4.1.1 完建無水期

圖5表明，完建期涵閘模型承受最大主拉應(yīng)力5.76MPa。在分離螺栓連接部件后，混凝土構(gòu)件所受最大主拉應(yīng)力1.404MPa。根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，C30混凝土容許拉應(yīng)力1.43MPa，Q235碳鋼屈服強(qiáng)度235MPa?；炷翗?gòu)件的最大拉應(yīng)力小于容許拉應(yīng)力，最大主拉應(yīng)力存在螺栓上，去除螺栓的混凝土構(gòu)件主拉應(yīng)力小于容許拉應(yīng)力，而螺栓構(gòu)件受拉力遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，故能夠滿足抗拉強(qiáng)度要求。涵閘容許壓應(yīng)力遠(yuǎn)高于計(jì)算承受的壓應(yīng)力，故涵閘結(jié)構(gòu)能滿足抗壓強(qiáng)度要求。

4.1.2 正常運(yùn)行期涵閘應(yīng)力圖

如圖6所示，翼墻、底板、擋墻承受拉應(yīng)力較小，在箱涵和擋墻連接處承受拉應(yīng)力較大。最大拉應(yīng)力在螺栓連接處，未達(dá)到Q235屈服強(qiáng)度，該螺栓連接滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。在正常運(yùn)行期，涵閘構(gòu)件分離螺栓后拉應(yīng)力為0.92MPa，能夠滿足抗拉強(qiáng)度要求。涵閘容許壓應(yīng)力遠(yuǎn)高于運(yùn)行期承受的壓應(yīng)力，故涵閘結(jié)構(gòu)能滿足抗壓強(qiáng)度要求。

4.2 位移分析

4.2.1 完建無水期

如圖7所示，完建無水期在靜荷載作用下，涵閘模型在順?biāo)鞣较虻淖畲笪灰茷?.71mm，豎直方向的最大位移在地基4.8cm處。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，構(gòu)件最大沉降差不宜超過50mm，故沉降能夠滿足要求。

4.2.2 正常運(yùn)行期

如圖8所示，涵閘模型在正常運(yùn)行期受土荷載和水荷載的綜合作用，涵閘模型在順?biāo)鞣较虻淖畲笪灰茷?.85mm，豎直方向的最大沉降位移在地基4.8cm處，能夠滿足地基沉降要求。涵閘整體結(jié)構(gòu)的空間位移在允許范圍之內(nèi)，故涵閘整體性較好。

5 結(jié)語(yǔ)

文章基于有限元法對(duì)裝配式涵閘進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。首先，從涵閘構(gòu)件的拆分和連接方式引入涵閘模型，在滿足構(gòu)件運(yùn)輸和安裝的要求下合理拆分構(gòu)件，有效連接構(gòu)件。其次，從涵閘的結(jié)構(gòu)布置和主要構(gòu)件的尺寸確定涵閘平面圖，計(jì)算涵閘在組合荷載條件下的狀態(tài)。最后，采用ABAQUS有限元分析計(jì)算涵閘結(jié)構(gòu)，通過建立涵閘模型，模擬完建和有水狀況下的涵閘構(gòu)件受力狀態(tài)，對(duì)其應(yīng)力和位移云圖進(jìn)行分析，確保裝配式涵閘的構(gòu)件能夠滿足其強(qiáng)度和位移要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓廷超.一種農(nóng)田水利新型裝配式涵閘的開發(fā)與應(yīng)用研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2019.

[2] 郭學(xué)明，李青山.裝配式混凝土建筑——建筑設(shè)計(jì)與集成設(shè)計(jì)200問[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[3] DL/T 5057-2009，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家能源局，2009.