基于ANSYS的不同工况对闸室结构应力影响分析

李 参，刘宗柏，李 娟，任泽俭，祁宝奎

( 1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109；2.水发工程咨询集团(山东)有限公司，山东 济南 250109)

水闸的安全稳定关乎下游人民的生命财产安全，在大多数的水闸失事中，一方面闸室的侧移和滑动是导致其发生破坏的原因，另一方面在不同工况下，尤其是非正常工况下，闸体结构应力的破坏也是导致水闸失事的关键原因。为了使不同工况下闸室结构都能满足结构应力的要求，同时为了尽可能的节省成本，需要采取合理的水闸结构设计。同时，在常规的计算中，为了得到某水闸结构部位的确切应力值，需要进行大量的运算，若是要寻找最可能的结构破坏点，则更是难上加难。在无法进行全面计算时，已有数据的准确性也大大下降，不利于水闸结构应力计算。因此，为了使水闸结构的安全性，可以通过计算不同的工况，通过Ansys软件对水闸结构应力进行综合理分析，指出不同工况对水闸结构安全的影响，为工程设计和施工提供理论依据。

1 计算原理

1.1 三维立体图形的创建

为防止水闸结构图在CAD中建模，然后将其导入ANSYS中会出现几何不协调等问题，本次水闸闸室的抗震应力复核模型在ANSYS中直接建立。通过创建并编号关键点，连接形成线，通过闭合的线形成面域，最后运用布尔操作等形成空间立体几何图形。

本次模型的建立所采用的坐标系为笛卡尔直角坐标系，取顺水流方向为X轴正方向，铅锤向上为Y轴正向，垂直水流方向指向右岸为Z轴正方向。根据相关的研究资料可知，地基尺寸的大小对于有限元计算结果有一定的影响，所以进行空间模型的建立时，应当在根据实际情况的基础上考虑如何使计算结果更加切合实际，从而选取合适的地基尺寸。

1.2 材料的选择及单元的创建

考虑到水闸闸室的组成部分较多以及闸室结构的空间复杂性较大，该有限元模型的网格剖分采用四面体网格。网格的剖分使用自由网格划分并通过使用Smartsize进行网格划分大小的控制，网格划分水平值设置为4。闸室上部结构和地基土体分别采用SOLID65和SOLID185单元。

2 有限元模型

2.1 基本资料

以淮河第二大支流上的DS枢纽工程的SK闸闸室为研究对象，SK闸闸室为直升门胸墙式结构，单孔净宽8m，共4孔，顺水流方向闸室长18m，闸身总长136m，闸底板高程26.54m，池底总长28m。消力池为钢筋混凝土结构。其具体结构如图1—2所示。依据地震动参数区划图，查得该枢纽工程区域所处的位置地震动峰值加速度增大为0.10g，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。

图1 SK闸闸室横剖面图

图2 SK闸闸室纵剖面图

该水闸各部分材料相关参数见表1。

表1 闸室材料相关物理参数表

2.2 模型及单元的创建

本次有限元模型中的地基尺寸选取的范围是闸室左右岸各延伸闸室垂直水流方向的长度，即各延伸22.3m；上下游方向各延伸闸室顺水流方向的长度，即18m；地基深度采用1.5倍闸墩高度，即14m。在有限元软件中建立的简化模型如图3所示。该三维模型共创建1411个关键点、39块实体结构、399个面、929条线。

图3 水闸闸室简化模型图

图4 有限元网格划分模型图

结合表1相关数据，可以主要设置3种材料，分别用于闸室底板及以上混凝土构件、地基土体以及闸门。模型共创建69381个节点，333653个单元。其中闸室包含63792个节点，306685个单元；地基包含5589个节点，26968个单元。该模型所受的约束主要有地基四周的法向链杆(水平面)约束，地基底部的全部约束。网格划分模型如图4所示。

2.3 计算荷载及工况

本次使用有限元软件进行水闸的抗震安全复核所采用的工况为组合工况：正常蓄水位(上游水位34.84m，下游水位26.34m)，加Ⅶ度地震(峰值加速度为0.10g)，该场地类别为二类，特征周期经过查规范确定为0.3s。

2.4 模态分析及反应谱求解

按照《水闸设计规范》(SL 265—2001)推荐的振型分解反应谱分析方法，通过兰索斯分块法提取并列出了前18阶的自振频率见表2，水闸闸室基频为2.716Hz，其自振周期为0.368。

该水闸枢纽抗震设防烈度为Ⅶ度，场地类别经查相关规范为Ⅱ类，地震加速度a=0.1g，特征周期为Tg = 0.3s，水闸的反应谱最大代表值βmax=2.25，阻尼比ζ=0.05。由第二节模态分析提取出的各阶频率计算出相应的周期，再按照规范给定的反应谱图进行计算，可以得到得出每阶的反应谱值。

表2 水闸前8阶自振频率

3 结果分析

闸室总体结构垂直河流向比顺河流向变形更为明显，但是基于地震方向未知，故分别考虑闸室结构受水平X向地震力(即顺河流向水平地震力)和水平Z向地震力(即垂直河流向水平地震力)的作用，各类地震加速度大小均为a=0.1g。将两次计算的结果及正常蓄水位的计算结果运用第一强度理论与混凝土的抗拉抗压规范允许值进行对比，得出应力复核结果；通过分析闸室各部分的总位移最大最小值以及出现的部位，判断是否满足规范要求从而得出位移复核结论。为便于整理数值，地震工况应力及位移仅取合并模态后前五阶有效振型的计算结果。正常工况及地震工况见表3—5。

4 结论

采用三维数值有限元的方法，建立水闸整体有限元模型，并进行正常蓄水位工况下和地震工况下的结构应力计算，结果表明：正常蓄水位工况下，闸室及上部结构应力较小，应力均满足规范要求。地震工况下，闸室顶部排架柱根部容易出现较大拉应力，但是考虑地震折减系数后，仍可以满足混凝土强度值。垂河向水平地震力对于闸室及上部结构会产生更大的影响，在条件允许情况下，应采取措施，尽量降低顶部排架柱高度或减少顶部载重以增强闸室及上部结构垂河向的刚度。

表3 闸室及上部结构应力计算表

表4 闸室及上部结构应力计算表(垂直水流方向)

表5 闸室及上部结构应力计算表(顺水流方向)