于 浩

(江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 江門 529000)

1 大型水閘結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析

1.1 水閘結(jié)構(gòu)分析概述

土基上開敞式水閘閘室底板的應(yīng)力分析可采用反力直線分布法或彈性地基梁法。巖基上開敞式水閘閘室底板的應(yīng)力分析可按基床系數(shù)法計(jì)算。

開敞式水閘閘室底板的應(yīng)力可按閘門門檻的上下游分別進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)入閘門門檻切口處分配于閘墩和底板的不平衡剪力。開敞式或胸墻與閘墩簡(jiǎn)支連接的胸墻式水閘，其閘墩應(yīng)力分析方法應(yīng)根據(jù)閘門形式確定。平面閘門閘墩應(yīng)力分析可采用材料力學(xué)方法，弧形閘門閘墩的應(yīng)力分析宜采用彈性力學(xué)方法。涵洞式、雙層式或胸墻與閘墩固支連接的胸墻式水閘，其閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力可按彈性地基上的整體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算[1]。

受力條件復(fù)雜的大型水閘閘室結(jié)構(gòu)宜視為整體結(jié)構(gòu)采用空間有限元法進(jìn)行應(yīng)力分析，必要時(shí)應(yīng)經(jīng)結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析方法比較

水閘底板應(yīng)力分析中的反力直線分布法和彈性地基梁法，把水閘的空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面問題，采用“截板成梁”的方法進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算方法忽略了各閘墩處變位不等的重要因素，誤差較大，因而不宜在大中型水閘設(shè)計(jì)中采用[2]。

平面閘門閘墩的受力條件主要是偏心受壓，可假定閘墩固定于底板上的懸臂梁，其應(yīng)力狀況可采用材料力學(xué)的方法進(jìn)行分析，弧形閘門閘墩的受力條件比較復(fù)雜，不只是偏心受拉，而且還受扭，是一塊一邊固定、三邊自由的彈性矩形板，其應(yīng)力狀況宜采用彈性力學(xué)的方法進(jìn)行分析。因此，對(duì)于大型水閘弧形閘門閘墩，宜按閘門支座作用力的實(shí)際位置，加大閘門支座處的閘墩厚度并考慮閘底板的約束作用等邊界條件采用有限單元法進(jìn)行應(yīng)力分析。

1.3 靜力學(xué)分析平衡方程

靜力分析適用于緩慢加載的情況，如果完成加載時(shí)間遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的被激活振動(dòng)周期，則認(rèn)為是緩慢加載，此種情況結(jié)構(gòu)的響應(yīng)慢，不會(huì)產(chǎn)生震蕩，慣性力可以忽略不計(jì)。且遵循如下平衡方程式(1)：

[K]{u}={F}

(1)

式中：[K]為剛度矩陣；{u}為位移矩陣；{F}為荷載列矩陣。

1.4 動(dòng)力學(xué)分析平衡方程

動(dòng)力學(xué)分析適用于快速加載、沖擊碰撞的情況，這種情況下慣性力和阻尼的影響不能忽略。動(dòng)力學(xué)分析需要考慮結(jié)構(gòu)的慣性，所以材料參數(shù)必須定義密度及材料的彈性模量、泊松比。動(dòng)力學(xué)問題遵循如下平衡方程式(2)：

[M]{ü}+[C]{ü}+[K]{u}={F(t)}

(2)

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[M]{ü}反映了慣性效應(yīng)；[C]為阻尼矩陣，[C]{ü}反映了阻尼效應(yīng)，t為時(shí)間列矩陣；F(t)為行載時(shí)間函數(shù)矩陣。

2 某大型水閘閘室體型結(jié)構(gòu)

某水利樞紐由土石壩、泄洪閘、河床式水電站等建筑物組成。泄洪閘采用平底寬頂堰，堰體建基面高程1062.3 m(最低的齒槽處高程為1060.3 m)，閘頂前部高程1078.7 m、后部高程1079.8 m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)40.0 m。

泄洪閘閘室布置采用兩孔一聯(lián)，單孔凈寬14.0 m，中墩厚3.0 m，縫墩厚2.5 m，每聯(lián)長(zhǎng)度36.0 m，閘底板厚度2.7 m?；⌒伍l門前、后設(shè)檢修閘門。閘墩頂部設(shè)交通橋與壩頂公路相連?；A(chǔ)為深厚砂礫石層[3-7]。

2.1 閘室荷載及組合

設(shè)計(jì)荷載如下：結(jié)構(gòu)自重和永久設(shè)備重、水重；上、下游及縫間靜水壓力(水庫(kù)正常蓄水位：1076 m，正常尾水為：1065.02)；揚(yáng)壓力；浪壓力；地震荷載。

基本荷載組合包括：完建工況、正常擋水工況。

特殊荷載組合包括：檢修工況、正常擋水+地震工況。

由于完建工況、正常擋水工況和檢修工況的結(jié)構(gòu)計(jì)算都屬于靜力分析且過程相似。本文只對(duì)正常擋水工況下水閘的靜力特性進(jìn)行有限元分析。

2.2 荷載及模型的簡(jiǎn)化處理

由于計(jì)算關(guān)心的是閘底板和閘墩的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，可忽略交通橋、檢修橋支座處的局部應(yīng)力，為方便地建立有限元模型及施加荷載，有效地控制單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)目，需要對(duì)模型及荷載進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

模型簡(jiǎn)化處理：為方便單元?jiǎng)澐职验l墩上的臺(tái)階簡(jiǎn)化為斜面，把弧形墩頭按矩形處理，不考慮交通橋、檢修橋的局部支座?？p面處的兩道止水合并按一道考慮，弧形門槽按直線近似處理，不考慮下游檢修門槽。

荷載的簡(jiǎn)化處理：弧形閘門自重折算為線荷載作用在閘底板頂面；弧形閘門水推力根據(jù)劃分的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)折算為表面壓力和節(jié)點(diǎn)力施加在牛腿上；橋梁自重及相關(guān)荷載按作用在閘墩上的面荷載進(jìn)行折算；油泵房的荷載折算為面荷載施加在中墩頂中部；對(duì)揚(yáng)壓力做適當(dāng)簡(jiǎn)化，把底板底面沿水流方向分成14個(gè)面，每個(gè)表面施加表面壓力來(lái)模擬揚(yáng)壓力。

基礎(chǔ)簡(jiǎn)化：基礎(chǔ)為深厚砂礫石基礎(chǔ)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，上、下游方向以及深度方向取15 m范圍，垂直水流方向與閘室同寬。

坐標(biāo)系設(shè)置：采用平面直角坐標(biāo)系，閘底板頂面Y坐標(biāo)值為0，其他高程相應(yīng)折減，尺寸單位按米計(jì)。

3 結(jié)果與分析

運(yùn)行Autodesk Simulation Mechanical程序，執(zhí)行CAD實(shí)體模型數(shù)據(jù)交換，分析類型設(shè)置為線性靜力分析。采用8節(jié)點(diǎn)三維塊體單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分。基礎(chǔ)部分視為彈性基礎(chǔ)，其自重引起的變形忽略不計(jì)，質(zhì)量密度不賦予數(shù)值；閘室材料屬性為C25混凝土，密度為2400 kg/m3，泊松比為0.167，彈性模量為28 GPa。基礎(chǔ)底面為固定約束，基礎(chǔ)上游面、下游面X向約束，基礎(chǔ)沿壩軸線方向的兩個(gè)面Z向約束，閘室底面和基礎(chǔ)的接觸采用黏合處理。

交通橋、檢修橋、油泵房相關(guān)荷載折算為面荷載施加在閘墩頂部，面荷載數(shù)值見表1。

表1 墩頂面荷載 kN·m-2

對(duì)底板底面的14個(gè)面域施加揚(yáng)壓力，每個(gè)面域?qū)?yīng)的揚(yáng)壓力值見表2，底板底面面域的劃分見圖1。

表2 底板底面每個(gè)區(qū)域揚(yáng)壓力值 kN·m-2

圖1 閘室底板面域的劃分

弧形閘門的重力折算80 kN施加到底板對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上?；⌒伍l門的水推力傳遞到一個(gè)牛腿的推力為6309 kN，牛腿受力面積為3.64 m2，折算為表面壓力1733 kN/m2施加到牛腿表面。

由線性靜力分析結(jié)果可知，由于閘墩固結(jié)于底板，牛腿固結(jié)于閘墩，閘墩與底板的銜接處、閘墩與牛腿的連接處呈現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。但最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力均小于混凝土的強(qiáng)度運(yùn)行范圍內(nèi)[8]。

將靜力分析的水閘數(shù)值模型分析類型設(shè)置為荷載剛化固有頻率分析，模態(tài)數(shù)量為10，固有頻率分析結(jié)果見表3。

表3 水閘固有頻率分析結(jié)果

將靜力分析的水閘數(shù)值模型分析類型設(shè)置為響應(yīng)譜分析，單元?jiǎng)澐帧⒉牧?、約束條件、荷載等與靜力分析相同，受到Z向和Y向的地震荷載作用，地震加速度頻譜數(shù)據(jù)見表4。

表4 地震加速度響應(yīng)頻譜

由線性動(dòng)力分析結(jié)果可知，增加水閘的階數(shù)，固有頻率隨之增加，水閘的自振特性于一般規(guī)律相符。水閘在Z和Y兩向荷載作用下，峰值位移及峰值應(yīng)力均為超過規(guī)范的允許值。

4 結(jié) 論

本文以某大型水閘實(shí)例為研究對(duì)象，通過Autodesk Simulation Mechanical三維有限元分析軟件，構(gòu)建三維數(shù)值模型，對(duì)水閘結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值分析。以期了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)，為水閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供合理、可靠的理論依據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位加大配筋或優(yōu)化結(jié)構(gòu)減少應(yīng)力集中。