基于ABAQUS计算优化下沭阳闸除险加固结构方案设计参数分析研究

岳彬彬

(江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223001)

1 概 述

水利工程中，由于设计年代久远，或由于运营年限较长，亦或由于运营环境较恶劣等原因，原水工设计均无法满足安全运营要求，因而开展对水工建筑结构除险加固设计研究很有必要，特别是针对加固方案开展设计参数优化，对提升设计水平具有重要指导意义[1-3]。根据水利工程原型，孙洪亮等[4]、沈卫等[5]、陈斌等[6]设计室内物理模型方案，根据设计对比方案，开展实际工况下设计方案间差异性分析，为探讨最佳设计方案提供重要参考。此类物理模型试验在对比设计方案中成本较高，因而主要应用在前瞻式研究中，包括动荷载下水利设施的动力响应特性等[7-8]。还有一些专家与学者通过对加固结构材料的离散元分析，李文霞等[9]、朱小磊等[10]、侯英伟等[11]利用离散元计算方法，探讨微观与宏观下结构材料破坏特性，为加固结构参数设计提供数据支持，进而优化设计方案，此类研究包括颗粒流的离散元计算等。当然也有一些学者通过数值模拟建立计算模型，叶柏阳等[12]、杨川江[13]、袁洁等[14]根据不同的设计方案，进行参数优化调整，计算相应的结果，并对比设计方案间的结果差异性，为工程设计提供重要对比参考。本文根据沐阳水闸除险加固措施，对预应力锚索方案进行自由端长度、平面夹角参数优化，进而为工程确定最优设计方案提供支撑。

2 沭阳闸工程计算介绍

2.1 工程概况

沭阳闸位于淮沭河尾闾，闸身总宽288.15 m，共25孔，单孔净宽10 m，闸长180.3 m，设计通行流量3 000 m3/s。该水闸为多孔式设计，孔口断面为3.0 m×3.0 m，分为5组，分别为4孔、4孔、6孔、4孔、4孔，闸顶高程5.0 m，沭阳闸上下游包括消力池等其他辅助水利设施，全长356.8 m，宽为81.10 m。由于工程建设年限较长，部分泄流灌溉效率降低，特别是部分水工建筑物出现破损、碳化，结构稳定性显著降低，限制了水闸高效率运转。因此，对沐阳闸进行除险加固，主要包括通航孔改造、建筑物防渗处理、更新便桥栏杆、改造公路桥外侧防撞墩。特别是对水工设施中重要承重结构区域进行加固改造，提升沐阳水闸运营可靠性、水利功能、安全稳定。工程设计部门拟采用预应力锚索作为重要加固结构，对沐阳闸墩及承重结构进行加固，作为提升整体承载稳定性的重要举措。

2.2 工程仿真

所采用的预应力锚索支护结构是横纵分层性架设，设计闸墩与锚索间有垫块作为连接载体，且两者之间为接触式连接，降低预应力损失，拟采用预应力锚索初步设计平面图见图1。横锚索设计间距为120 mm，每排横锚索为双层锚筋，层间距为20 mm，锚筋直径为22 mm，设计横锚索张拉吨位为3 500 kN，每个断面上拟采用14根横锚索；纵锚索布设在横锚索垂直线上，间距为140 mm，亦为双层锚索铰束，设计张拉吨位为2 655 kN，初步确定单根锚索有6个铰束。垫块截面为正方形，边长为12 cm，采用预制钢筋混凝土结构，静动力稳定性均较佳。

图1 预应力锚索初步设计平面图

基于沐阳闸加固工程拟建方案及安全设计要求，采用ABAQUS数值计算平台对加固结构开展对比计算。由于加固结构方案中以锚索自由端长度L、锚索平面夹角θ还处于讨论设计中，因而本文主要对这两个参数开展设计优化研究。利用建模软件建立沐阳闸典型剖面整体模型，见图2，共获得单元网格156 825个，节点数135 628个。另一方面，对沐阳闸加固结构典型特征部位特殊网格加密处理，分别为水闸闸顶(1#部位)、锚块(2#部位)及锚固洞(3#部位)3个部位，见图3。其中，锚块独立模型划分出单元网格85 625个，节点数75 682个。在计算过程中设定X、Y、Z正向分别为闸右岸、下游水流、模型垂直上方。所施加边界荷载采用洪水位工况，荷载包括闸室自重、水扬压力及锚索预应力等，模型顶面设置为自由边界[15-16]。

图2 沐阳水闸整体模型

图3 锚索加固结构特征部位计算模型

3 锚索自由端长度参数优化分析

根据锚索参数设计优化要求，设计锚索自由端长度L为研究变量，其他设计参数均保持一致，包括锚索层间距、锚索直径以及布设形式等，均为相同，荷载工况均保持一致。研究对象锚索自由端长度参数分别设定为3 m(A方案)、4 m(B方案)、5 m(C方案)、6 m(D方案)、7 m(E方案)、8 m(F方案)。

3.1 拉应力特征

根据不同锚索自由端长度参数设计方案，获得锚索自由端长度与沐阳水闸加固结构特征部位最大拉应力关系，见图4。

图4 锚索自由端长度与特征部位最大拉应力关系

从图4中拉应力变化可知，各设计方案中拉应力最大位置是锚固洞截面。在锚索自由端长度5 m方案中，锚固洞(3#部位)最大拉应力可达2.365 MPa，而1#、2#特征部位处最大拉应力相比前者分别降低70.2%、30.1%。从加固结构危险面来看，以锚固洞受张拉威胁最大，其应重点加固防护，采取包括钢筋网加密在内的多项举措。自由端长度参数增大，除1#部位最大拉应力为降低，其他特征部位均为递增，特别是以锚固洞最大拉应力涨幅最大；在自由端长度为3 m时，锚固洞最大拉应力为2.026 MPa，而长度为5、7和8 m时的最大拉应力相比前者分别增长16.7%、38%和51.6%，各方案中自由端长度增大1 m，锚固洞上最大拉应力平均可增大8.7%；而在锚块2#部位上最大拉应力随自由端长度增大1 m，可上涨8.6%；表明锚固洞与锚块拉应力涨幅基本接近，均是加固结构中最危险面，设计时应重点关注。另一方面，闸顶1#部位的最大拉应力与自由端长度参数为负相关关系，长度为5、7和8 m时的最大拉应力相比长度3m时分别减少40.4%、66.8%和73.5%，自由端长度增大1 m，闸顶处最大拉应力平均可减少23%，即自由端长度参数愈大，愈可显著闸顶拉应力发展，降低沐阳水闸顶部张拉破坏。具体分析锚索自由端长度对闸顶拉应力抑制关系可知，在长度3～6 m区间内，闸顶最大拉应力降幅最大可达34.9%，平均每增长1 m长度，最大拉应力降低26.8%；而在长度6～8 m区间内，最大拉应力降幅显著降低，平均每增长1 m长度，拉应力仅降低16.3%。由此可知，闸顶拉应力受锚索自由端长度的抑制影响为逐步减弱。

3.2 压应力特征

与拉应力相对应，锚索自由端长度参数对加固结构特征部位压应力影响变化关系见图5。从图5中可知，1#-3#这3个特征部位最大压应力随锚索自由端长度参数均为递增关系。以锚块为例分析，其在长度3 m时最大压应力为10.4 MPa，长度为5、7和8 m时的最大拉应力相比长度3 m时分别增大13.8%、27%和28.5%，自由端长度增大1 m，锚块最大压应力平均可增长5.2%。而在闸顶与锚固洞上，最大压应力分别平均可增大3.4%、6.2%，即以锚固洞上压应力涨幅最为显著，承压效果对降低预应力损失具有较大正面作用。从压应力涨幅可知，在3～6 m区间内，1#-3#特征部位随锚索自由端长度参数增长1 m，分别平均可增长4.2%、7.3%和6.8%，而在6～8 m区间内，最大压应力又分别平均增大2.2%、2%和3.3%。综合拉压应力特征可知，为确保水闸较佳加固支护效果，且降低工程成本，当水闸预应力锚索自由端长度为6 m时，最大拉应力控制在合理区间，且此时压应力所产生的预压效果最为显著。

图5 锚索自由端长度与特征部位最大压应力关系

3.3 拟设计方案应力分布

图6为锚索自由端长度参数6 m时的拟设计方案中水闸加固结构锚固洞拉压应力分布特征。从图6中可知，锚固洞是最大张拉应力发展区域，集中于洞顶、底面等部位，而最大压应力是洞侧面区域，表明锚固洞各截面上应力还控制在较为分散状态，有利于加固结构对水闸设施的安全保护。

图6 加固结构锚固洞拉压应力分布特征

4 锚索平面夹角参数优化分析

同理，对锚索平面夹角参数进行设计优化。在保持其他参数均为一致前提下，设定锚索平面夹角θ分别为30°、40°、50°、60°和70°，加固结构荷载工况均保持一致，锚索自由端长度参数设定为6 m，进行锚索平面夹角参数影响下特征分析。

4.1 拉应力特征

对锚索平面夹角参数各设计方案进行应力计算，获得平面夹角影响下各特征部位拉应力变化特征，见图7。

图7 锚索平面夹角与特征部位最大拉应力关系

从图7中可看出，锚固洞以及锚块最大拉应力均随夹角参数增大而递增，夹角30°时锚固洞最大拉应力为1.58 MPa，而在夹角为50°、70°时最大拉应力相比提升了23.5%、54%，表明夹角参数愈大，加固结构锚固洞与锚块愈接近其张拉强度，夹角每增大10°，可提升锚固洞最大拉应力11.5%；而锚块最大拉应力受平面夹角影响敏感度不及锚固洞，其在各设计方案中基本呈线性递增，夹角为50°、70°时最大拉应力相比夹角30°时增长16.5%、43.7%，夹角每增大10°，其最大拉应力涨幅为9.5%。与前两特征部位不同的是，闸顶1#特征部位处最大拉应力随平面夹角为递减关系，其最大拉应力亦是3个特征部位中最低值，在夹角40°时最大拉应力为0.892 MPa，相比之2#、3#特征部位分别降低26.7%、48.9%；当夹角为50°、70°时最大拉应力相比30°时分别降低66.8%、88.5%，平均每10°夹角可造成其最大拉应力损失40.8%，表明平面夹角参数愈大，对闸顶处拉应力具有抑制效应。分析3个特征部位最大拉应力变幅变化可知，在平面夹角30°～60°区间内，锚固洞与锚块最大拉应力涨幅还处于可控较低区间，分别是每10°夹角，最大拉应力涨幅分别为8.6%、11.5%；而在夹角60°～70°区间后，最大拉应力分别增大13.5%、17.4%，表明夹角60°以下时锚固洞与锚块拉应力处于涨幅较缓阶段。而对于闸顶，其在平面夹角60°后拉应力基本处于较为平缓，下降趋势较小，故可认为锚索平面夹角60°是最有利于加固结构拉应力控制的方案。

4.2 压应力特征

图8为3个特征部位最大压应力与平面夹角变化关系。从图8中可看出，3个特征部位最大压应力随平面夹角参数均为递减关系，其中尤以锚固洞、锚块递减趋势更为显著。锚固洞夹角为50°、70°时，最大拉应力相比夹角30°时减少9.8%、15.6%，平均夹角增大10°，可导致锚固洞上夹角降低4.1%，而在锚块上此幅度为6.6%。闸顶最大压应力在夹角60°前基本维持稳定不变，后在70°时发生一定降幅，幅度约为2.8%，表明闸顶处最大压应力仅在平面夹角60°后才具有显著响应。而对于锚块、锚固洞，其最大压应力分布在合适区间内即可，因而笔者认为，当锚索平面夹角参数为60°时，对加固结构压应力安全稳定性是有益的，这一点可从闸顶处应力特征可知。综合拉压应力特征认为，平面夹角60°更能确保加固结构运营安全可靠性。

图8 锚索平面夹角与特征部位最大压应力关系

5 结 论

1) 拉应力最大位置是锚固洞部位；锚固洞、锚块最大拉应力与自由端长度均为正相关关系，自由端长度增大1 m，锚固洞、锚块上最大拉应力分别平均可增大8.7%、8.6%；闸顶最大拉应力随自由端长度为递减关系，且以长度3～6 m区间拉应力降幅最大，该区间内每增长1 m长度，最大拉应力降低26.8%。

2) 锚固洞、锚块最大拉应力均随夹角参数增大而递增，夹角每增大10°，可分别提升锚固洞、锚块最大拉应力11.5%、9.5%，且夹角超过60°后拉应力涨幅最大；闸顶最大拉应力随夹角参数为减小，平均每10°夹角可造成其最大拉应力损失40.8%。

3) 3个特征部位最大压应力随锚索自由端长度参数均为递增关系，但随平面夹角均为递减关系；以锚固洞最大压应力受自由端长度影响更为显著，闸顶最大压应力在夹角60°后才较显著。

4) 综合应力影响变化特征，锚索自由端长度为6 m、锚索平面夹角参数为60°时，更有利于加固结构安全稳定运营。