浯溪口水利枢纽厂房段安装间侧闸墩有限元分析

刘 振,翟泽冰

(1.江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工结构工程技术中心，江西 南昌 330029)

1 工程概况

浯溪口水利枢纽工程位于江西省蛟潭镇境内，距景德镇40km，是潘阳湖水系昌江干流中游一座防洪为主，兼顾城市供水、引水发电和生态旅游等功能为一体的大(2)型水利工程[1]。水库正常蓄水位56m，死水位45m，防洪限制水位50m，防洪高水位62.30m，总库容4.747×108m3，电站装机容量为32MW[2]。厂房段安装间侧闸墩结构体型为复杂的空间结构，为全面了解闸墩结构应力分布和变形性态，准确掌握方案设计中应解决的关键技术问题，确保整个闸墩结构在施工和运行中具有较高安全可靠性[3]。文章运用ANSYS有限元分析法，对安装间侧闸墩进行全面的应力和变形分析，掌握结构应力变形分布规律，验证闸墩结构型式的合理性，为结构配筋提供可靠数据依据，确保设计方案与工程实际具备良好匹配性。

2 有限元数值分析方法

有限单元法是一种近似的数值分析方法，通过结构体型的连续化离散化处理后，用结构(弹性)力学对各单元进行求解并耦合最终形成应力和位移分布规律网络图[3]。根据结构体型网络划分，将离散单元上的已知体力和面力经静力等效转移到网络结点上，形成网络控制结点的荷载。根据网络结点的应变矩阵[B]，利用弹性力学方程即可求得连续体结构的位移变化{δ}e，具体函数表达为[4]：

{ε}e=[B]{δ}e

(1)

式中，{δ}e—网络结点的未知位移分量。

通过式(1)求得网络结点的位移变化值后，结合连续体结构应力转换矩阵[S]和网络结点单元弹性矩阵[D]，即可推求用网络结点位移表达连续体的单元应力，即：

{σ}e=[D]{ε}e=[D][B]{δ}e=[S]{δ}e

(2)

结合单元刚度矩阵[k]e，根据最小势能原理即可用结点位移推求结点应力[5]，即：

{F}e=∭[B]T[D][B]dxdydz{δ}e=[k]e{δ}e

(3)

经逐个单元耦合叠即可获得结构刚度矩阵[K]、荷载列阵{F}和结构结点位移列阵{δ}，即所谓结构刚度方程[6]：

[K]{δ}={F}

(4)

3 有限元分析模型建立

3.1 物理力学参数

闸墩混凝土强度依据SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》[7]，闸墩采用C25，变形模量值Ec=2.8e4MPa，泊松比μc=0.167，密度采用2500kg/m3。闸墩机组侧扩展5m，模型总结点数为3832个，单元总数为16469个。闸墩底部采用全约束，安装间侧自由，机组侧约束水平向位移。闸墩止水前水位为校核洪水位64.30m，止水后外侧水位为22.60m。

3.2 有限元计算网格设置

根据浯溪口水利枢纽工程实际地质条件，有限元计算模型为厂房段安装间侧闸墩[8]。有限元计算坐标系定义：X轴：顺河向，由上游水平指向下游，0点为坝轴线；Y轴：横河向，沿坝轴线由左岸水平指向右岸，0点为闸墩外侧；Z轴：铅直向上，底板顶部高程22.605。按1∶1比尺，建立在自重及水力作用下的应力场及变形性态分析的有限元分析模型和约束布置网格图，如图1—2所示。

图1 闸墩有限元计算网格

图2 约束布置图

4 计算结果分析

4.1 闸墩应力变形仿真成果

在自重及水力作用下，计算了闸墩每个节点处的应力和位移值[9]。经ANSYS分析计算获得闸墩水压力、Z方向应力、第一主应力和位移变形，分别如图3—6所示。

图3 水压力图

图4 Z方向应力图

图5 第一主应力图

图6 总位移图

4.2 计算结果分析结论

闸墩顶部横向变形最大绝对值为4.38mm，基本不会影响弧形闸门的正常启/闭运行[10]。在闸墩底部很小区域内有2.13MPa剧烈变化的拉应力，属于局部应力，不会对闸墩结构安全稳定性带来较大影响，结构整体安全稳定性较高。闸墩特征点应力参数，见表1。

表1 闸墩特征点应力表

由表1可知，高程22.605m平面最大第一主应力为2.13MPa，Z向应力为1.66MPa，均出现在闸墩上部顶侧，但均未超过C25混凝土的极限抗拉强度，闸墩整体结构安全稳定。

5 结论

厂房段安装间侧闸墩结构体型有限元分析，不仅可以全面掌握闸墩结构的应力分布和变形位移数值，同时通过详实应力和位移图形分析，使设计人员能直观地认识闸墩结构应力和位移变化规律，准确掌握设计控制的关键点。从ANSYS有限元分析结果得出如下结论：

(1)浯溪口水利枢纽工程厂房段安装间侧闸墩结构体型和尺寸参数的拟定是合理的，能够确保结构施工和运行期具备较高安全稳定性。

(2)闸墩第一主应力、Z向应力均出现在上部顶侧，在体型设计和结构配筋时，应将自重条件下顶侧结构作为控制对象。

应力和变形分析是闸墩结构配筋研究的关键内容，也是工程施工期和运行期能否杜绝或减少结构裂缝的设计关键点。除此之外，在结构方案设计中还需考虑运行期等特殊工况的结构应力和变形分析，确保闸墩结构体型具备良好安全稳定性。