三维有限元方法在赵家套拦河闸工程安全鉴定中的应用

马 路

(本溪泓源供水有限责任公司，辽宁 本溪 117000)

水闸工程作为一种常见的水工建筑物，其正常安全运行可以充分发挥工程防洪、蓄水、养鱼、旅游等社会效益，在国民经济发展中起到重要作用。根据水闸安全鉴定管理办法，水闸实行定期安全鉴定制度，新建水闸应于竣工后5年内进行首次安全鉴定，之后每10年进行一次。

在安全鉴定过程中，需要对水闸闸室、挡墙等混凝土结构和钢闸门等金属结构进行复核计算[1]，以往计算往往采用经典的理论方法或者基于理论计算方法编制的程序和软件进行，其特点是简单、直观，但缺点是由于经典计算方法为了求解方便，对工程实际进行了一系列简化，不能很好地考虑结构各部分之间的空间关系和相互间影响[2-3]，这样得到的计算结果与结构真实受力情况存在一定偏差，影响了计算结果的精确性。有限元方法作为一种数值计算方法，在近年的水闸工程设计、复核计算中得到越来越多的应用[4-7]，通过大型有限元软件ANSYS对水闸工程中闸室混凝土结构、钢闸门金属结构进行三维有限元模拟，可以综合考虑结构各部件间的影响[8-10]，分析结构应力和变形情况，为水闸安全鉴定中结构安全复核提供科学的理论依据。

1 工程概况

赵家套拦河闸位于辽宁省新民市前当堡镇赵家套村，坐落在浑河干流新开河上，原工程始建于1986年，设计洪水标准为10年一遇，相应设计泄洪流量为469m3/s。2009年2月安全鉴定认为工程存在严重安全问题，运用指标达不到设计标准，属四类闸，建议赵家套拦河闸报废重建。赵家套拦河闸除险加固后主体工程部分由闸室、上游段、下游段以及两岸连接建筑物组成。河岸防护范围为闸轴线下游200m范围内的两侧河岸；连接堤防防护范围为蒲河右岸大堤至白西山套堤之间的堤连接段，防护总长度为207m，其中右侧连接堤长度90m，左侧连接堤长度117m。

2 拦河闸闸室段结构稳定复核

2.1 基本资料及设计参数

赵家套闸闸室前沿宽度80.84m，分11孔，每孔净宽6.0m。边联闸段采用4孔一联整体框架式结构，中联闸段采取3孔一联整体框架式结构。边联闸段闸孔每孔净宽6.0m，边墩厚1.0m，2个中墩厚1.2m，缝墩厚1.62m，总宽29.4m、中联闸段闸孔每孔净宽6.0m，2个中墩厚1.2m，总宽22m。闸室顺水流方向长10m，顶面高程18.10m，公路桥布置在墩顶下游部位，桥面高程23.50m，总宽4.0m。工作闸门检修平台高程23.5m，启闭机房平台高程30.5m。

闸室结构采用ANSYS进行建模分析，网格划分时采用板壳单元，地基采用温克尔模型进行计算，分别对中联和边联闸室段进行整体结构稳定复核。

2.2 计算工况

计算工况见表1。

表1 拦河闸荷载组合

工况1基本组合：正常蓄水位20.30m，下游无水。

工况2特殊组合：校核洪水位22.50m，下游22.23m。

2.3 计算结果及分析

中联闸室段有限元三维模型见图1，闸室底板弯矩见图2、图3。

图1 中联闸室段有限元三维模型

图2 工况1中联闸室段底板垂直水流方向弯矩分布(Mmax=181.5kN·m，Mmin=-149.5kN·m)

图3 工况2中联闸室段底板垂直水流方向弯矩分布(Mmax=184.0kN·m，Mmin=-151.3kN·m)

计算结果表明，赵家套拦河闸中联闸室段底板弯矩较大，下游处存在最大弯矩。底板对称受力，跨中位置顶面受拉应力，边跨受力较大，中跨受力为小。经复核计算，工程选用的中联闸室段闸底板、顶板、配筋率均满足安全要求。

边联闸室段有限元三维模型见图4，闸室底板弯矩见图5、图6。

图4 边联闸室段有限元三维模型

图5 工况1边联闸室段底板垂直水流方向弯矩分布(Mmax=226.5kN·m，Mmin=-157.7kN·m)

图6 工况2边联闸室段底板垂直水流方向弯矩分布(Mmax=227.5kN·m，Mmin=-158.6kN·m)

计算结果表明，赵家套拦河闸边联闸室段底板弯矩较大，下游处存在最大弯矩。底板不对称受力，跨中位置顶面受拉应力，边跨受力较大，中跨受力为小。经复核计算，工程选用的中联闸室段闸底板、顶板、配筋率均满足安全要求。

3 拦河闸工作闸门设计复核

3.1 基本资料及设计参数

赵家套拦河闸设有11孔，其上设有11扇平面滑动闸门，孔口型式为露顶式，孔口尺寸6.0m×2.5m，设计水头2.2m，闸门选用2×80kN/2×40kN液压启闭机启闭。

3.2 工作闸门结构设计

闸门整节制造、运输、安装，闸门主要材料为Q235B碳素结构钢，采用上游止水方式，侧止水和底止水均为“Ⅰ”形橡皮。闸门采用双吊点平面钢闸门，动水启闭操作，滑动支承。工作闸门采用Ⅰ型门槽，闸门门叶和主梁等主要材料为Q235碳素结构钢。

工作闸门计算采用ANSYS三维实体有限元模型，使用solid45单元体，共划分长9053个单元。闸门网格划分见图7。

图7 ANSYS中闸门网格划分

结构尺寸按实际检测数值选取，边梁下游侧翼缘处采用固定支撑，闸门底部受到铅垂方向的支撑约束。计算载荷主要考虑在闸门上的静水压力和闸门自重，计算水头选取2.2m。

3.3 计算结果及分析

工作闸门总体及主要构件应力与变形计算成果见表2，总体仿真结果见图8、图9。

表2 工作闸门总体及主要构件应力与变形计算成果

图8 闸门整体当量应力分布云图

图9 闸门整体变形分布云图

按照《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL 74—2013)，闸门门叶和主梁等主要材料为Q235碳素结构钢，其许用应力为160MPa(Q235，δ≤16mm)。经本次鉴定分析，闸门主要构件，包括面板、主横梁、内边柱、外边柱、纵梁、肋板、加强板等的最大当量应力值均小于各自材料的校核许用应力值，且最大变形值也小于规范的许用刚度值，闸门各主要构件受力均满足设计要求。

4 结 语

对赵家套拦河闸闸室和钢闸门进行的有限元分析研究表明，三维有限元法能够更加直观、准确地反映闸室和钢闸门的受力情况，计算结果更加精确，后期数据分析形象便捷，可为实际工程的安全鉴定提供科学的指导作用。