任小飛

（中工武大設計研究有限公司安徽分公司 合肥 230001）

1 前言

對閘站這樣一類復雜建筑物結構的結構計算，利用常規(guī)的結構應力分析法難以反映其實際工作狀況，同時，傳統(tǒng)的理論簡化結構計算對結構應力計算影響較大，利用三維有限元建立模型計算結構應力可以減小簡化對結果的影響。因此，有必要采用空間三維有限元軟件對其應力、位移進行研究分析。

2 計算原理

2.1 本構模型的選取

ABAQUS 是國際上功能最強的大型通用有限元軟件之一，包含十分豐富的單元模式、材料模型以及分析過程，提供了一系列模擬巖土的本構模型，包括Mohr-Coulomb 塑性模型、擴展的Druker-Prager 模型、Drucker-Prager蠕變模型、Duncan-Chang 模型等。ABAQUS 采用的本構模型是經(jīng)典Mohr-Coulomb 屈服準則的擴展，采用Mohr-Coulomb屈服函數(shù)，包括粘聚力的各向同性的硬化和軟化，但該模型的流動勢函數(shù)在子午面上的形狀為雙曲線，在π 平面上沒有尖角，因此勢函數(shù)完全光滑，確保了塑性流動方向的唯一性。

本次數(shù)值模擬的土體假定其服從Mohr-Coulomb塑性模型，Morh-Coulomb 塑性模型主要適用于在單調荷載下以顆粒結構為特征的材料。

2.2 接觸面處理

接觸問題是一類非線性問題，既非材料非線性也非幾何非線性，而是屬于邊界條件非線性問題。土與結構的共同耦合作用屬于接觸問題。接觸面之間的相互作用包含兩個部分：一是接觸面的法向作用，二是接觸面的切向作用。

此次計算采用硬接觸的法向模型。在本次的接觸模擬中使用單純主從接觸算法，在定義接觸對時，需要正確的選擇主從面，原則是：從面的網(wǎng)格應該比主面更精細；當主從面網(wǎng)格接近時，選擇材料剛度較大的平面作為主面；對于有限滑移，從面節(jié)點在分析過程中盡可能地不要落在主面之外。在定義接觸時，閘室底板作為主控接觸面，地基土體作為從屬接觸面。

3 實例分析

3.1 工程概況

侯閣閘站位于鄭集北支河銅山縣與沛縣交界處，是沛縣治理鄭集北支河的關鍵工程，是梯級河道蓄水、排澇、灌溉等多功能的水利樞紐控制工程，設計灌溉面積10 萬畝。侯閣閘站安裝900ZLB-100 軸流泵4臺，配用JSL4-10 型250kW 電動機4 臺，裝機容量1000kW，設計流量12m3/s，泵站設計揚程4.5m。

侯閣閘站采用新型閘站結合型式，將閘、站、跌水結合成一體，集泄洪、排澇和翻水灌溉于一身。泵室采用濕室型墩墻式結構，開敞式矩形進水池，開敞式出水池出水。站身為新型閘站一體鋼筋混凝土結構，由閘室、泵室和跌水組成，采用鋼筋混凝土四聯(lián)孔整體結構，底部為樁基基礎，底板為“Z”字型梯型結構。

3.2 計算模型及材料性質

本次計算侯閣閘站工程的地基在順水流方向取9.5m，垂直水流方向取16.0m。為了提高網(wǎng)格的劃分質量，在不影響計算結果的前提下，對所建的模型作了一定的簡化處理。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。

侯閣閘站工程結構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變。

侯閣閘站工程整體三維有限元模型見圖1，其中八節(jié)點六面體單元總數(shù)為32226 個，節(jié)點總數(shù)為45297 個。站身三維有限元模型見圖2。

圖1 工程整體三維有限元模型圖

圖2 站身三維有限元模型圖

3.3 基本荷載和計算工況

3.3.1 閘室固定荷載

① 結構自重；② 閘上的豎向荷載（包括交通橋、廠房等上部結構），作用在閘墩上。

3.3.2 泵室固定荷載

（1）底板荷載

泵室底板所受的荷載除地基反力外還有：① 上部廠房及水下墻通過壁柱傳給底板；② 土壓力、水壓力及地面活荷載對水下墻底部產(chǎn)生的彎矩傳至底板；③ 泵房周圍地下水對底板產(chǎn)生的浮托力；④ 泵內設備自重；⑤ 底板自重。

（2）水泵梁荷載

對于墩墻式的泵房水泵梁多屬單跨梁，根據(jù)其與墩墻的剛度，按兩端固結進行復核。水泵梁上的荷載：① 水泵梁自重；② 水泵泵體部件重量，包括喇叭口、導葉體、彎管等；③ 倒轉時的水平?jīng)_擊力。

（3）電機梁荷載

① 電機梁自重；② 由電機梁承受的樓板重；③ 樓板傳至電機梁的荷載（包括人群及工具設備等）；④ 電機重量、轉子及傳動裝置重量；⑤ 作用在水泵葉輪上的軸向水壓力；⑥ 電動機扭矩產(chǎn)生的切向水平力。

（4）側墻荷載

側墻承受自重、上部磚墻（包括屋面系統(tǒng)及吊車系統(tǒng)及風載）傳遞下來的垂直力、彎矩及剪力。3.3.3 回填土荷載根據(jù)《水工建筑物荷載設計規(guī)范》（SL744-2016），墻后水平土壓力按主動土壓力和垂直土重進行計算，其余按邊荷載考慮。

3.3.4 水荷載

水荷載的加載工況見表1。

表1 計算水位組合表

3.3.5 地震荷載

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015）附錄A 和附錄D，侯閣閘站所處場地的地震動峰值加速度為0.1g，根據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》（GB 51247-2018）及《泵站設計規(guī)范》（GB 50265-2010），本次復核計算需考慮地震影響。

3.4 計算結果分析

按照上述計算模型和參數(shù)，分別對侯閣閘站身結構的各種工況進行了空間有限元計算。求出了各種工況下站身結構在荷載作用下的各點位移、應力。由此可對站身的穩(wěn)定和強度安全性進行評價。

3.4.1 位移分析

根據(jù)計算結果的位移云紋圖進行分析，站身整體結構豎向位移（沉降）計算成果見表2，站身整體結構水平位移（順水流方向）計算成果見表3。

表2 站身整體結構豎向位移（沉降）計算成果表

表3 站身整體結構水平位移（順水流方向）計算成果表

由表2 可知：站身整體結構最大沉降位移發(fā)生在校核期下的左邊墩下游端，沿鉛直方向整個結構發(fā)生向下的位移，最大沉降量為10.4mm，最大沉降差為1.6mm。根據(jù)規(guī)范，地基最大沉降量不宜超過150mm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過50.0mm，故地基沉降滿足要求。

由表3 可知：各種工況荷載作用下，結構在水平方向的位移都比較小。順水流向水平位移的最大值發(fā)生校核期下的站墩頂部，沿順水流方向從上游向下游發(fā)生位移，最大值為Uxmax=4.81mm。灌注樁樁頂最大水平位移為4.5mm，而灌注樁樁頂不可恢復的水平位移值宜控制不超過5.0mm，故灌注樁水平位移滿足要求。

3.4.2 應力分析

根據(jù)計算結果的應力云紋圖進行分析，泵站站身結構最大主拉應力計算成果見表4；最大主壓應力計算成果見表5。

由計算結果的應力云圖及表4、表5 可知：在各工況下站身底板的最大主拉應力主要分布在上游段底板中部面層，最大值為0.70MPa，最大主壓應力主要分布在底板下游段中部底層，最大值為1.97MPa；站墩的最大主拉應力主要分布在邊墩與底板連接處，最大值為1.03MPa，最大主壓應力主要分布在中部面層，最大值為2.18MPa；水泵梁的最大主拉應力主要分布在中間底層，最大值為1.62MPa，最大主壓應力主要分布在中部面層，最大值為2.40MPa；電機梁的最大主拉應力主要分布在中間底層，最大值為1.76MPa，最大主壓應力主要分布在中部面層，最大值為2.61MPa。

表4 站身結構最大主拉應力計算成果表

表5 站身結構最大主壓應力計算成果表

4 結論

（1）通過侯閣閘站的位移場分析，在各計算工況下，站身各結構的位移均較小，不影響泵站的正常運行，同時灌注樁樁頂?shù)乃轿灰凭闯^允許值，站身整體的穩(wěn)定性較好。

（2）通過侯閣閘站的應力場分析，能很直觀地反映閘站在各工況下，站身每個部位的最大主拉（壓）應力值，能準確反映工程的空間受力狀況。

（3）對于結構復雜的水工建筑物，采用理論方法計算較復雜，可采用ABAQUS 三維空間有限元進行數(shù)值模擬，全面了解結構的應力應變場及位移場，這樣才能更有效、合理地對結構的安全性態(tài)進行評價