基于COMSOL分析下沭新闸加固后闸门静力特征分析研究

宋 峰

(江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223005)

闸门结构体系是水闸等水利控制枢纽工程中必不可少的水利设施，开展闸门结构运营评价分析对提升水利工程的安全设计具有重要意义[1-2]。闸门在长期运营过程中需要加固设计，而设计方案的优选性分析是确定最佳方案的重要基础[3-4]。一些专家与学者利用物理模型试验方法，设计有不同设计方案的水工模型，分析水闸、坝体或溢洪道等水工建筑在模型试验中水力特征[5-7]，进而比选获得最优设计方案。相比物理模型试验成本较高的特点，一些水利工程中在施工建设时就已安装有相关监测设备，根据工程运营过程中数据监测分析，亦可为拟建工程的设计提供相关参照[8-9]。不论是物理模型试验抑或是数据监测，其计算或分析效率均较低，因而数值仿真方法在一些水工结构设计优化中得到广泛应用，时静[10]、沈志平[11]、葛万明等[12]利用ANSYS、ABAQUS等平台计算分析了水闸、水工挡土墙或其他水工建筑的设计方案，以静力特征下应力或变形参数为评判对象，为工程设计提供重要参考。本文根据沐新水闸的闸门加固设计方案，提出增设压杆支撑结构体系，对比分析了原有闸门与压杆式闸门的静力特征，获得了压杆式闸门静力特征下的应力、变形安全可靠性，为沐新闸门加固设计提供了重要依据。

1 工程概况

沐新闸是淮河上游地区水资源控制重要枢纽，承担着沐新干渠渠首流量控制任务，设计干渠渠首流量最大为0.8 m3/s，该水闸同时也是新沂河防洪北干堤重要泄洪设施，最大泄流量为100 m3/s。沐新干渠全长超过100 km，采用U型防渗混凝土砌块作为渠基础，渠边坡受上游水闸控制流量影响，最大渗透坡降不超过0.2；新沂河防洪干堤涉及有多座中小型水闸，组成防洪排涝重要水利枢纽，而其中沐新闸乃是北干堤上排涝中转站，配备有3座泵站，水利功能性多样。沐新水闸设计为多孔断面形式，总净宽为3 m，底板设置有钢加固结构，确保整体结构应力、变形满足设计要求，运营监测表明，上游泄流量为 850 m3/s 时，底板钢结构最大拉应力为1.1 MPa；另在水闸两侧设置有挡土边墙，采用预制拼装式挡土墙结构，顶、底板厚度为1.2 m、0.8 m，箱涵内可承受最大土压力超过8 MPa，整体抗滑移、抗倾覆性较好。沐新水闸整体设施在修建运营15年 后已采用加固墩形式作为结构增强刚度方案，墩厚为1.6 m，且各墩间布设有横、纵联系梁，梁截面均为半圆弧型，根据目前所获得数据表明联系梁上最大拉应力不超过0.6 MPa，而各向最大变形仍较小，垂向沉降变形满足设计安全要求，可满足上游最大泄洪流量8600 m3/s。该水闸过流断面设置有一弧形钢闸门，直径为4.8 m，高度为3.6 m，乃是沐新闸重要水利控制设施，闸门的安全运营关乎着水闸过流断面流量控制精确度，也与下游渠首输水效率密切相关，因而，不可忽视沐新闸门的安全设计。根据目前调研得知，沐新闸门局部锈蚀变形，液压启闭机动能减弱、闸门开度控制精准度降低，水闸运营效率显著降低，因而工程设计部门考虑对沐新水闸开展病危加固重修设计，拟考虑在原有弧形闸门后端支撑结构体系中增设一压杆加固结构，且根据闸门尺寸设计有4个支撑压杆，形成新的压杆式沐新闸门，已有闸门与新式压杆型闸门结构设计方案如图1所示。为确保重设加固的压杆式闸门能够实质性发挥作用，在修建前对其设计方案进行仿真计算，并结合已有沐新闸门开展对比分析，评判压杆式闸门结构形式的安全可靠性。

图1 闸门结构设计方案

2 仿真建模

采用COMSOL仿真平台对沐新闸门进行建模，简化闸门侧向不影响结构稳定性构件，并对闸门进行网格划分[13-14]，获得闸门有限元仿真模型，总共获得单元节点数96 863个，单元数126 862个，所采用的微单元体为杆件单元，其节点几何图如图2所示。原有闸门与新型压杆式闸门结构均为钢材料，因而结构仿真计算时相关材料物理力学参数均保持一致，例如密度均为7.85 g/cm3。以正常运营水位时荷载状态为研究工况，该工况下闸门底部为无自由度，两侧亦为0自由度，仅在顶部具有法向约束。为分析方便，本文计算模型中设定X、Y、Z正向分别为水流上游向、竖直向上、水闸右岸向。根据沐新水闸运营状态以及闸门安全设计要求可知，不论是传统已有闸门，抑或是改良压杆式闸门，其最大变形不可超过跨度的1/800，而本文中跨度为8000 mm，因而结构允许最大变形为10 mm。

图2 微单元体节点几何图

3 闸门变形特征

3.1 位移变化特征

为分析方便，本文以闸门结构上的面板、横、纵梁三个关键部位为主要分析对象，经计算获得两种不同形式闸门结构的三个关键部位上X、Y、Z向变形对比结果，如图3所示。

从图3中对比可知，三个关键部位中位移最大值位于面板，在传统原有闸门结构中面板Y向最大位移为9.992 mm，而相同闸门设计方案中横、纵梁整体Y向位移较前者分别降低了48.7%、46.0%，而在X、Z向上仅横梁位移就较之减小了47.0%，表明面板部位为闸门上承受水荷载威胁最大破坏面，结构设计时应重点加密配筋，提升面板部位刚度。与之同时，新型压杆式闸门中横、纵梁部位相比面板处X、Y、Z向位移亦分别有平均降幅52.1%、54.8%、72.9%，其中以Z向位移差距最为显著。从各方向位移最大值亦可知，原有闸门的各部位位移值均高于压杆式闸门，最大降幅差距可达88.7%，属纵梁在Z向上。对比不同方向上位移可知，两种闸门形式位移最大均为Y向，原有闸门的纵梁部位处Y向位移为6.392 mm，而在X、Z向纵梁位移较之分别降低了1.4%、5.5%；同理在改良压杆式闸门的纵梁上亦有降幅，降幅为3.4%、81.8%；表明闸门结构中变形产生仍以竖向沉降为主，即竖向自重应力仍然是闸门结构体系中最为关键应力，其对结构影响超过上游水力荷载。在面板部位上，各方向位移上降幅为8.2%～18.3%，其中以X向位移差距最为明显，而横、纵梁上位移降幅分别为24.8%～37.0%、41.3%～88.7%，均以Z向位移差距为最大。当闸门增设压杆结构后，其抗滑移能力得到提升，压杆结构可削弱一部分水力荷载对闸门的冲击作用，进而表现在闸门各方向上位移降低特征。在计算结果中各方向最大位移值均低于10 mm，但不可忽视原有闸门的面板在Y向上位移值逼近安全允许临界值，达9.992 mm，极易发生闸门倾覆破坏，因而从位移安全有效性考虑，压杆式改良闸门结构形式合理可靠。

图3 闸门结构关键部位各向变形对比结果

3.2 位移分布特征

在计算闸门结构位移变化特征时，也可获得闸门上位移分布特征，图4为两种闸门设计形式关键部位位移分布特征结果。从图中可知，两种闸门形式的面板部位位移分布特征基本一致，最大位移均位于面板顶部区域，且最大位移方向为顺水流下游向；另一方面，两种闸门设计方案的面板X向位移分布具有对称性，原有闸门面板中部X向位移以3.304～5.174 mm为主，而压杆式新型闸门面板在该区域位移分布为2.710～4.379 mm，即在原有闸门基础增设压杆支撑体系后，对面板位移分布影响较小，仅影响位移量值。两种闸门设计形式的纵梁Z向上位移值最大分布区域一致，纵梁Z向正位移仅出现在闸门背水侧，而纵梁大部分区域均以指向水闸左向位移为主。两种闸门设计形式的横梁位移分布具有相似性，差距性仅在位移量值，比如原有闸门的横梁最大位移值为5.01 mm，位于横梁靠近闸门底部部位，而压杆式闸门最大位移值亦在该部位，量值为3.77 mm。总结上述三个典型位移分布对比图可知，增设压杆支撑结构体系后，不影响闸门位移分布形式，压杆结构体系对位移影响仅在量值上，压杆式闸门结构形式有利于控制结构位移，增强结构抗滑移能力。

图4 关键部位位移分布特征

4 闸门应力特征

4.1 应力变化特征

同理，基于COMSOL计算获得两种闸门设计方案中关键部位应力变化特征，本文为分析方便，结合等效应力理论， 以闸门各关键部位等效应力、剪切应力作为对比分析对象，如图5所示。从图中可知，原有闸门结构中等效应力值最大位于纵梁部位，达183.5 MPa，而横梁、面板上最大等效应力值相比前者分别降低了70.8%、12.0%；但不同的是压杆式闸门最大等效应力位于面板，达143.0 MPa，两个闸门设计形式中等效应力最小值均为横梁，在压杆式闸门设计方案中横梁等效应力值相比面板减少了71.0%，仅为41.5 MPa。分析认为，当增加压杆体系后，闸门上纵梁所承受的应力有所“缓和”，进而减弱结构体系中拉应力对横、纵支撑梁的张拉威胁，此即为压杆结构带来的“拉压平衡”效应[15-16]。对比两种闸门设计形式可知，压杆式闸门各部位中等效应力值较之降幅达11.5%～26.0%，以横、纵梁上等效应力值降低最为显著，其平均降幅可达24.2%。

图5 闸门结构关键部位应力对比结果

对比闸门各部位剪切应力可知，其应力特征与等效应力值有所类似，原有闸门剪切应力稳定在21.7～84.3 MPa，以纵梁上剪切应力为最大；压杆式闸门各部位剪切应力较原闸门降低了10.1%～36.4%，分别为13.8～63.6 MPa，最大降幅出现在纵梁部位，有利于结构抗剪切性能。从等效应力值与剪切应力变化特征可知，压杆式闸门稳定性得到显著增强，应力安全性提升，闸门结构抗拉、抗剪切性能较强。

4.2 应力分布特征

基于COMSOL仿真计算获得压杆支撑加固前、后应力分布特征，如图6。从图中可看出，面板上等效应力从顶部至闸门底部为递增特征，此种趋势在两种闸门设计方案中均是一致；原有闸门与压杆式闸门方案的纵梁部位中最大等效应力所处区域均一致，但等效应力最小值所处区域有所差异性，压杆式闸门纵梁的最小等效应力位于边梁区域，另纵梁上等效应力分布特征具有相似性；横梁等效应力在两种闸门方案中基本保持相似性，量值存在差距，压杆式闸门横梁上的大等效应力值分布区域有所减小。从等效应力分布特征结果来看，选择压杆式加固闸门方案，各关键部位等效应力均低于材料安全值，且无显著应力集中效应，方案应力安全性优势较大，故而采用该方案较合理。

图6 关键部位应力分布特征

5 结 论

(1)闸门上位移最大值位于面板，原有闸门中横、纵梁整体Y向位移较前者分别降低了48.7%、46%；闸门位移最大均为Y向，竖向自重应力仍是闸门结构体系中最关键应力；原有闸门位移值均高于压杆式闸门，以X、Z向位移差距为最大。

(2)两种闸门形式的位移分布特征基本一致，仅量值存在较大差异，压杆支撑体系不影响闸门位移分布特征；面板X向位移分布具有对称性，纵梁Z向正位移仅出现在闸门背水侧，压杆式闸门结构形式对结构体系位移控制较好。

(3)原有闸门与压杆式闸门的等效应力值最大分别位于纵梁、面板部位，而等效应力最小值均为横梁；压杆结构有助于应力“拉压平衡”效应，压杆式闸门与原有闸门各部位等效应力值、剪切应力值降幅分别达11.5%～26.0%、10.1%～36.4%。

(4)应力分布特征表明压杆式闸门无显著应力集中，相比原有闸门应力安全性优势较大，设计合理。