基于有限元计算的装配式涵闸结构分析

侍忠标 蔡禹 韩廷超

摘 要：文章根据装配式涵闸构件的拆分原则和连接要求，将涵闸拆分为底板、翼墙、挡墙、平台、闸门、箱体、垫板等构件，采用螺栓和键槽连接方式，辅以橡胶止水垫，并通过有限元软件ABAQUS构建装配式涵闸模型，在组合荷载多工况下分析涵闸整体及其构件的应力和位移变化，确保装配式涵闸构件拆分满足稳定性与使用要求。

关键词：涵闸;装配;有限元;稳定分析

中图分类号：TV66;S27文献标识码：A文章编号：1674-1064（2021）07-007-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.004

传统的现场浇筑涵闸在设计、施工过程中呈现工程建设周期长、环境污染严重、安全隐患较多等问题。装配式涵闸能够规避现场浇筑带来的诸多难题。对装配式涵闸结构进行合理拆分，采用有限元仿真模拟涵闸结构模型，分析整体及局部构件应力和位移，对确保装配式涵闸结构的强度和稳定性至关重要[1]。

1 装配式涵闸构件拆分与连接

1.1 装配式涵闸拆分构件

装配式涵闸构件拆分基于多方面因素：涵闸功能性和艺术性、结构合理性、制作运输安装环节的可行性和便利性等。拆分不仅是技术工作，也包含对约束条件的调查和经济分析。涵闸构件拆分应当由建筑、结构、预算、工厂、运输和安装各个环节技术人员协作完成。装配式涵闸立面设计要按照平面功能规划，对于翼墙、挡墙等一系列构件，拆分时以单元式加以设计[2]。

文章将涵闸依次拆分为上游底板、下游底板、上游挡墙、下游挡墙、上游翼墙、下游翼墙、垫板、箱体和平台，具体如图1、图2所示。

1.2 装配式涵闸构件连接方式

文章从预制构件的运输、安装、易操作性，以及安全和经济的角度考虑，综合选用螺栓连接、键槽连接的连接方式。涵闸的上、下游底板在预制成型之前，预留翼墙与其装配的键槽。装配式键槽内铺设止水橡胶垫，以减轻混凝土的刚性接触，防止水流渗漏;上、下游挡墙和底板的连接采用预埋螺栓连接，力学仿真模型设内置螺栓，反映荷载传递规律，模型中将连接处理成螺栓连接和绑定连接，有效传递荷载;上、下游翼墙与挡墙在竖向键槽之间采用单排螺栓均布连接，在接头连接处之间铺设止水橡胶垫，并且留有一定的安装调节距离;平台与上游挡墙之间预埋两个螺杆孔，用螺栓连接平台和挡墙，确保闸门的升降;箱体与上、下游挡墙之间采用承插连接，在箱体与挡墙之间铺设橡胶垫，减少渗漏。

2 装配式涵闸尺寸布置

水位确定：文章的装配式涵闸应用在农田渠道中，上游水深取1.2m，下游水深取0.9m。

涵闸主要构件尺寸图如3、图4所示。

3 涵闸荷载稳定分析

3.1 荷载计算

文章所研究的涵闸承受的荷載，主要包括水压力、土压力、扬压力等。闸前水位1.2m，闸后水位0.9m。计算的具体情况如表1所示。

3.2 涵闸抗滑和抗滑稳定计算

土基上沿闸室基底的抗滑稳定安全系数Kc和抗浮稳定安全系数Kf，在基本荷载组合条件下，抗滑稳定和抗浮稳定满足要求。

4 涵闸有限元模型结果分析

4.1 应力分析

4.1.1 完建无水期

图5表明，完建期涵闸模型承受最大主拉应力5.76MPa。在分离螺栓连接部件后，混凝土构件所受最大主拉应力1.404MPa。根据《水工混凝土结构设计规范》[3]，C30混凝土容许拉应力1.43MPa，Q235碳钢屈服强度235MPa。混凝土构件的最大拉应力小于容许拉应力，最大主拉应力存在螺栓上，去除螺栓的混凝土构件主拉应力小于容许拉应力，而螺栓构件受拉力远小于其屈服强度，故能够满足抗拉强度要求。涵闸容许压应力远高于计算承受的压应力，故涵闸结构能满足抗压强度要求。

4.1.2 正常运行期涵闸应力图

如图6所示，翼墙、底板、挡墙承受拉应力较小，在箱涵和挡墙连接处承受拉应力较大。最大拉应力在螺栓连接处，未达到Q235屈服强度，该螺栓连接满足强度标准。在正常运行期，涵闸构件分离螺栓后拉应力为0.92MPa，能够满足抗拉强度要求。涵闸容许压应力远高于运行期承受的压应力，故涵闸结构能满足抗压强度要求。

4.2 位移分析

4.2.1 完建无水期

如图7所示，完建无水期在静荷载作用下，涵闸模型在顺水流方向的最大位移为0.71mm，竖直方向的最大位移在地基4.8cm处。根据《水闸设计规范》，构件最大沉降差不宜超过50mm，故沉降能够满足要求。

4.2.2 正常运行期

如图8所示，涵闸模型在正常运行期受土荷载和水荷载的综合作用，涵闸模型在顺水流方向的最大位移为0.85mm，竖直方向的最大沉降位移在地基4.8cm处，能够满足地基沉降要求。涵闸整体结构的空间位移在允许范围之内，故涵闸整体性较好。

5 结语

文章基于有限元法对装配式涵闸进行结构分析。首先，从涵闸构件的拆分和连接方式引入涵闸模型，在满足构件运输和安装的要求下合理拆分构件，有效连接构件。其次，从涵闸的结构布置和主要构件的尺寸确定涵闸平面图，计算涵闸在组合荷载条件下的状态。最后，采用ABAQUS有限元分析计算涵闸结构，通过建立涵闸模型，模拟完建和有水状况下的涵闸构件受力状态，对其应力和位移云图进行分析，确保装配式涵闸的构件能够满足其强度和位移要求。

参考文献

[1] 韩廷超.一种农田水利新型装配式涵闸的开发与应用研究[D].扬州：扬州大学，2019.

[2] 郭学明，李青山.装配式混凝土建筑——建筑设计与集成设计200问[M].北京：机械工业出版社，2018.

[3] DL/T 5057-2009，水工混凝土结构设计规范[S].北京：中华人民共和国国家能源局，2009.