浅谈三维有限元法在水闸结构计算中的应用

扬州大学水利科学与工程学院 江苏 扬州 225009

1 引言与工程概况

根据《水闸安全评价导则》(SL214－2015),水闸应在竣工验收后5年内进行首次安全鉴定,以后应每隔10年进行一次全面安全鉴定。水闸安全鉴定一般由4个部分组成:水闸现状调查分析、水闸现场检测、水闸安全复核计算、水闸安全评价[1]。其中在水闸安全复核计算时,需要对水闸闸室的沉降,水闸的底板、闸墩、排架等结构进行结构强度计算,本文在传统计算方法计算的基础上,使用了三维有限元法,对水闸闸室的沉降和水闸各个部位的结构强度进行了安全复核计算。

该水闸工程于2016年11月竣工并投入使用,工程等别为Ⅲ等,主要建筑为3级水工建筑物。工程采用泵闸结合型式,水闸净宽8m,闸首边墩及中墩厚均为1．0m,隔墩厚度0．8m,水闸底板顶高程为▽－0．50m(上海吴淞高程,下同),底板厚1．0m,闸门门槽处底板厚1．50m。

2 原理与方法

有限元法是将连续体用网格划分为有限数目个单元体,这些单元体之间在节点处相互铰结,形成离散结构,用这些离散结构来代替原来的连续体结构,以分析应力和变形,将荷载移置作用于离散结构的节点上,成为节点荷载。应力—应变关系表示为:

式中:[D]为弹性矩阵。由虚位移原理和应力—应变关系,可建立节点荷载和节点位移之间的关系,即:

式中:[K],[δ],[R]分别为刚度矩阵,节点位移和节点荷载列阵。解方程可求得位移,进而可推出应变[ε]和应力[σ]的分布[4]。

3 闸室三维有限元计算模型

3．1 模型的建立 本次计算闸室的地基在顺水流方向取93．0m,垂直水流方向取90m,深度取至高程▽－60．0m。为了提高网格的划分质量,在不影响计算结果的前提下,对所建的模型做一定的简化处理。由于考虑到了地基模型的尺寸范围的选择,故对地基采用全约束。坐标系取为:x轴顺水流方向指向上游,y轴垂直水流方向,z轴垂直指向上方。闸室整体三维有限元模型见图1,其中单元总数为93924个。

图1 闸室整体三维有限元模型图

3．2 材料性质和力学参数 工程结构采用线弹性材料模拟,土体为弹塑性材料,假定服从Mohr－Coulomb屈服准则,由于土体自重产生的变形已基本完成,故计算中不计入土体自重引起的应变。闸室结构与地基土材料计算参数见下:混凝土结构为C30混凝土,弹性模量为2．8×104MPa,泊松比为0．167,容重为25．0 k N/m3;地基土为淤泥质粉质粘土,弹性模量为15 MPa,泊松比为0．30,容重为18．0 k N/m3。

3．3 基本荷载和计算工况

(一)固定荷载

①结构自重;

②闸上的竖向荷载。

(二)回填土荷载。墙后水平土压力按主动土压力和垂直土重进行计算,其余按边荷载考虑。

(三)水荷载。水荷载的加载情况:各个工况下的水位以及对于各水位同时考虑相应的扬压力。正向挡水(蓄水)外河侧水位2．0m,内河侧水位2．8m;反向挡水(防洪)外河侧水位3．87m,内河侧水位2．6m。

4 计算结果分析

按照上述计算模型和参数,分别对该工程结构的两种工况进行了空间有限元计算,从位移及应力角度对闸室结构进行分析[3]。

4．1 位移分析 各工况下的闸室竖向位移(沉降)计算成果见下。

正向挡水(蓄水)工况下沉降最大值为55．85mm,最小值为47．93mm,沉降差为7．92mm,最大值/最小值为1．17。

反向挡水(防洪)工况下沉降最大值为61．40mm,最小值为54．99mm,沉降差为6．41mm,最大值/最小值为1．12。

根据规范,地基最大沉降量不宜超过150mm[2],故地基沉降满足要求。

4．2 最大主应力分析 各工况下的闸室最大主应力计算成果见下。

正向挡水(蓄水)工况下,闸室各构件最大主应力分别为:底板面层0．53MPa;底板底层1．91 MPa;边墩1．82 MPa:隔墩1．37 MPa;排架0．52 MPa;泵房0．58 MPa。

反向挡水(防洪)工况下,闸室各构件最大主应力分别为:底板面层0．47MPa;底板底层1．73 MPa;边墩1．41 MPa:隔墩1．28 MPa;排架0．60 MPa;泵房0．30 MPa。

由计算结果可知:各结构在各工况下水闸最大主应力主要分布在底板底层,最大值为1．82MPa,均小于C30混凝土轴心抗拉强度2．01MPa,故闸室强度满足规范要求。

5 结语

本文利用商业有限元计算软件ABAQUS,对该工程的整体沉降和结构内力进行复核计算,计算结果表明在各个工况下闸室的沉降、沉降差均符合规范要求,水闸底板、闸墩等结构的最大主应力在各工况均满足强度要求。

同时,本文在研究分析中尚未考虑温度、动力荷载的影响。从安全稳定的角度考虑,动力荷载的影响不可忽略,而且闸室结构静力分析受地基模型、施工情况等多种因素影响,使得本文的结果与实际有所偏差,在后续工作会加强此方面的研究。