基于有限元的某节制闸安全复核

董永超

(和田鼎晟工程试验检测有限公司，新疆 和田 848000)

1 概 述

水工结构安全复核是一项十分重要的工作内容，快速评价其稳定性可对水工结构除险加固工程提供参考[1-3]。有限元数值模拟是一种极为常用的研究方法，在水利工程、岩土工程等领域取得较多的应用。有许多学者使用数值模拟方法对其研究的内容进行复核，或者直接采用数值模拟方法分析结构的稳定性[4-5]。经过多位学者的经验总结，应用数值模拟方法研究水工结构安全是可行的，具有建模简单、计算速度快、计算结果可视化效果好等优势。

2 工程概况

某枢纽由一座2×16 m节制闸和一座100 m3/s的排涝泵站组成，其主要功能是防洪、除涝和改善城市水环境。

主要建筑物为节制闸、泵站、厂房、进出水池、内外河侧翼墙、管理房(含副厂房)等。节制闸布置在河道北岸，泵站、安装间等紧邻节制闸布置在河道南岸，管理房(含副厂房)布置在南岸。节制闸为2孔，单孔净宽16 m，采用下卧式平面钢闸门，液压启闭机操作。节制闸为整体坞式结构，门槛高程为0.00 m，底板面高程-1.50 m，闸墩顶高程6.80 m。

3 有限元分析原理

有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)是利用数学近似的方法，对真实物理系统(几何和载荷工况)进行仿真模拟。基于能量极值及近似分割的原理，将连续体结构离散划分为有限个单元体，求解方程中，可看做由有限个划分好的单元体组合的整体，可由单元上节点的求解值，用以整个单元有效的平均值。

为了对该工程整体结构的受力状态有一个比较全面的了解，有必要采用三维有限元软件ANSYS WORKBENCH对其整体强度和稳定性进行研究分析，并对其安全性进行评价。

有限元法应力-应变关系表示为：

[σ]=[D][ε]

(1)

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：

[K][δ]=[R]

(2)

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 水闸三维有限元计算模型

4.1 水闸结构计算模型

计算水闸模型的地基在顺水流、垂直水流方向设计为130和100.14 m，深度取至高程▽-33.6 m。地基采用全约束边界条件。坐标系取为：X轴逆水流方向指向下游，Y轴垂直水流方向左，Z轴垂直指向上方。水闸整体三维有限元模型见图1，水闸与地基整体三维有限元模型见图2。其中，单元总数为218 569个，节点总数为397 483个。

图1 水闸整体三维模型

图2 水闸与地基整体模型图

4.2 材料性质和力学参数

节制闸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。本次复核计算的材料强度值应选取原设计强度等级与检测结果中的较小值。节制闸结构与地基土材料计算参数见表1。

表1 节制闸结构材料计算参数表

4.3 基本荷载和计算工况

4.3.1 固定荷载

1)结构自重。

2)闸上的竖向荷载。

4.3.2 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。

4.3.3 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。

4.3.4 地震荷载

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)附录A和附录D，节制闸工程所处场地的地震动峰值加速度为0.1 g。见表2。

表2 计算工况水位组合

4.4 计算结果分析

根据建立的数值模拟模型及计算参数，来计算结果。主要从位移和应力两个方面对节制闸的变形和受力情况进行分析。

4.4.1 位移分析

根据计算结果的位移云图进行分析，位移云图见图3。 节制闸竖向位移计算成果见表3。

图3 竖向位移云图

表3 节制闸竖向位移计算成果

由图3及表3可知，各工况下闸室地基沉降差较小，最大沉降差为1.3 mm，闸室地基沉降的最大值与最小值的比值约为1.04～1.06。闸室地基沉降量最大值为21.5 mm，根据规范，地基最大沉降量不宜超过150 mm，故地基沉降值满足规范要求。

4.4.2 应力分析

根据计算结果的应力云图进行分析，具体计算的各工况下的闸室最大主拉应力云图见图4。各工况下节制图结构最大主应力成果见表4。

图4 主拉应力分布图

表4 各工况下节制闸结构最大主应力成果表

由图4及表4可知，各结构在各工况下节制闸最大主拉应力主要分布在底板面层门槛、墩墙与闸门连接处，最大值为2.71 MPa。最大主拉应力大于混凝土抗拉强度允许值，需进行配筋计算复核。

4.5 结构配筋复核

依据表3的应力计算成果，对节制闸结构配筋进行计算。计算时考虑碳化的影响，应用实测保护层厚度。见表5。

表5 节制闸结构配筋计算成果表

由表5可知，节制闸底板闸墩等结构的最大主拉应力在各工况下的配筋满足强度要求。

综上可知，节制闸地基的沉降量满足要求，闸室整体稳定性较好，节制闸结构强度均满足要求。

5 结 论

1)通过数值模拟分析计算，各工况下闸室地基沉降差较小，最大沉降差为1.3 mm，闸室地基沉降的最大值与最小值的比值约为1.04～1.06。闸室地基沉降量最大值为21.5 mm，地基沉降值满足要求。

2)节制闸最大主拉应力主要分布在底板面层门槛、墩墙与闸门连接处，最大值为2.71 MPa。最大主拉应力大于混凝土抗拉强度允许值，需进行配筋计算复核。复核结果表明，配筋满足要求。