边荷载对某水闸结构应力影响的有限元分析

翁明皓，庄宝庆，张 浩，童琦媛，白少华，王福生

（1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安 223005；2.无锡市锡山区水利局，江苏无锡 214000；3.南京市六合区河道管理所，江苏南京 211500）

0 引言

水闸工程设计过程中涉及到一系列的荷载，如结构自重、静水压力、扬压力及土压力等，在这诸多荷载中，边荷载属于一类比较“特殊”的荷载。不同于其它直接作用于闸室上的荷载，边荷载[1]指的是闸室计算段两侧作用于地基上的荷载（一般由回填土或相邻闸室、岸墙引起），对闸室结构应力的影响十分复杂，需要予以重视。

目前，关于边荷载对水闸应力影响的研究[2-5]大多是以弹性地基梁理论为基础，研究底板的弯矩与配筋；现行的《水闸设计规范》[6]也规定采用弹性地基梁法分析底板内力时，根据不同情况采用不同的边荷载计算百分数；关淑萍等[7]采用有限元法分析了两种不同岸墙结构下的底板内力，解决了考虑边荷载时的底板结构计算问题，但由于没有分析不计边荷载的情况，故未能得出边荷载对闸室应力影响的具体表现方面。本文分别考虑不计边荷载与计入边荷载两种计算条件，采用有限元法分析闸室应力在计入边荷载前后的具体变化，对类似工程的设计具有一定的参考价值。

1 工程概况

某水闸工程主要功能为蓄水灌溉，灌溉面积约2万hm2，同时兼顾引调水、排涝，水闸为排水渠上永久性建筑物，设计流量为85 m3/s，属于3级水工建筑物。

考虑到挡水高度较高，水闸型式采用胸墙式，闸门采用平面直升门。全闸共设3孔，单孔净宽3 m；边墩、中墩厚度均为1 m，边墩直接挡土，回填土填筑至闸顶处；底板采用整体式平底板，厚度为1 m；闸室垂直水流方向总宽度为13 m，顺水流方向总长度为12 m。水闸闸室纵剖面图见图1，图中高程单位以m计，其余均以mm计。

图1 闸室纵剖面图

2 有限元计算模型

2.1 模型的建立

考虑到上部结构对闸室应力的影响，此次计算选取包含上部结构的整个闸室作为研究对象，采用GTSNX软件建立水闸整体三维有限元模型，包括底板、闸墩、交通桥、排架、工作桥及地基土体。计算模型采用笛卡尔直角坐标系，X方向为顺水流方向，指向下游；Y方向为垂直水流方向，指向左岸；Z方向为高度方向，竖直向上。在X，Y方向上，地基模型分别延伸2倍相应闸室的尺寸，计算模型X方向尺寸为60 m，Y方向尺寸为65 m；在Z方向上，地基模型深度取15 m。

采用GTSNX提供的混合网格生成器（六面体网格为主）对计算模型进行网格划分，生成的水闸整体模型网格节点总数为79 920个，单元总数为79 468个，闸室模型网格节点总数为10 022个，单元总数为9 658个。有限元模型示意图见图2。

图2 水闸有限元模型

2.2 计算参数及边界条件

此次计算中，闸室底板、闸墩及上部结构的材料为C30混凝土，采用线弹性模型进行模拟，弹性模量取3×104MPa，泊松比取0.167，容重取25 kN/m3；墙后回填土的摩擦角取30°，容重取19 kN/m3；地基土体自上而下可分为3层，采用摩尔库伦（Mohr-Coulomb）模型进行模拟。各层土体的计算参数见表1。

表1 地基土体计算参数

在闸室底板与地基土体之间设置接触对，接触主对象为底板，附属对象为地基土体，摩擦系数取0.5。同时，在地基模型底部施加固定约束，四周侧面施加水平法向链杆约束。

2.3 计算工况及荷载

由于该水闸的主要功能为蓄水灌溉，因此主要对完建与挡水两个工况下的水闸结构应力进行计算。各工况下的水位组合见表2。

表2 各工况水位组合表

为了研究边荷载对水闸结构应力的影响，此次计算针对上述工况分别考虑了不计边荷载与计入边荷载两种不同的计算情况，因此，将上述两种计算工况进一步细分为完建（不计边荷载）、完建（计入边荷载）、挡水（不计边荷载）及挡水（计入边荷载）4种计算情况。

计算中，由于不设岸墙，边墩直接挡土，故边荷载为闸室两侧回填土（边墩外侧8.2 m回填范围内）作用于地基上的荷载，即回填土重。边墩承受的土压力虽然由回填土引起，但其直接作用于闸室，因此不能作为边荷载考虑。各计算情况下的荷载组合见表3，表中“√”表示考虑该荷载。

表3 荷载组合表

3 计算结果及对比分析

3.1 闸室应力分析

根据有限元计算结果，对4种计算情况下的闸室主拉应力展开分析。由于闸室模型与承受荷载在垂直水流方向上是对称的，因此整个闸室的主拉应力在该方向上呈对称分布。完建（不计边荷载）情况下的闸室最大主拉应力发生在胸墙与边墩连接处，最大值为0.456 MPa，计入边荷载后的最大主拉应力发生在底板下游齿墙靠近边墩处，为0.390 MPa；挡水（不计边荷载）情况下的闸室主拉应力分布规律与完建（不计边荷载）基本保持一致，主拉应力最大值为0.413 MPa，考虑边荷载后，由于上游水位较高，最大主拉应力出现在底板上游齿墙处，最大值为0.402 MPa。。

C30混凝土的抗拉强度设计值为1.430 MPa，上述4种计算情况下的主拉应力最大值均未超过这一数值，说明结构不会因拉应力过大发生破坏，然而在计入边荷载的情况下，闸室的主拉应力最大值往往发生在底板上，尽管此次计算中结构未发生受拉破坏的情况，但在实际设计时应予以注意。上述分析表明，边荷载对闸室结构应力存在直接的影响，这是由于考虑边荷载后，地基在闸室两侧回填土重的影响下反作用于底板，导致底板的应力发生变化。

3.2 底板应力分析

由于底板应力受边荷载的影响较为明显，因此需要针对底板应力展开分析。考虑到挡水工况下闸室上、下游水位差异较大，需要分别考虑底板上、下游两侧的应力分布情况，因此，在底板上截取X=4 m（上游侧）和X=9 m（下游侧）两个平面，并在面层、底层选取一系列典型点，分别研究底板面层与底层在Y方向（垂直水流方向）的应力分布规律及变化情况。根据有限元计算结果，完建、挡水工况下的底板Y方向应力分布横断面图见图3、图4。

当考虑边荷载的情况下，比较图3、图4中计入边荷载前后的底板应力分布情况，能够发现：完建期，考虑边荷载前后的底板应力分布规律总体上保持一致，但在靠近中墩处发生变化；前后的应力大小有明显的变化，大部分面层底板的压应力有所减小，中孔处甚至出现一定的拉应力，底层底板压应力有所增大，主要受压，仅在两侧边孔靠近边墩处受拉。挡水期，计入边荷载后的上游底板应力分布规律产生较大的差异，而下游底板的应力分布仍呈现“总体一致，局部变化”的规律；底板面层大部分区域的压应力减小，中孔及边孔出现拉应力，底板底层仅在两侧边墩附近有一定的拉应力，中孔及大部分边孔普遍受压，压应力增大，其中部分区域由之前的受拉转为受压。

图3 完建工况下底板Y方向应力分布横断面图

图4 挡水工况下底板Y方向应力分布横断面图

同时，以挡水工况下的上游底板为例（其余工况分析方法类似），选取底板上的5个典型部位，进一步研究底板不同部位对边荷载的敏感性。表4为该工况下上游底板各典型部位应力的变化情况（表中“不计”与“计入”表示边荷载的计入与否），可以看出，底板中孔位置处对边荷载的敏感性最强，受力状态从本质上发生了变化，应力变化值也最大，而边孔处的应力变化相对较小；与面层相比，由于底板底层直接与地基接触，因此，该部位对边荷载的敏感性总体上更强。

表4 挡水工况上游底板应力变化

综合上述分析，计入边荷载后的底板压（拉）应力大小、受压（受拉）状态均可能与不计边荷载时的结果有所出入，建议在比较重要的水闸工程设计中采用考虑边荷载影响的有限元方法来分析闸室结构应力，从而使得应力分析结果更加符合实际情况，避免结构破坏或建筑材料过度浪费现象的发生。

4 结论

1）各工况下，不计边荷载时的闸室主拉应力最大值出现在胸墙与边墩连接处，计入边荷载后的主拉应力最大值出现在底板齿墙附近，主拉应力最大值未超过混凝土抗拉强度，结构没有发生受拉破坏。

2）底板Y方向应力分析表明，边荷载对底板应力的影响十分明显。与不计边荷载相比，各工况计入边荷载时的底板面层压应力减小，中孔由受压转为受拉，底层底板的两侧存在一定范围受拉区，底板中孔及底层位置处受边荷载的影响最为明显。水闸设计阶段中，应分析清楚边荷载对闸室应力的具体影响方式，并在重大水闸工程设计时予以考虑。