基于ABAQUS的水闸加固设计钢结构的应用仿真研究

田 涛

(中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120)

水利枢纽工程中水工建筑的除险加固设计关乎工程长期安全稳定运营[1-3]，最优化的设计方案对水工结构发挥最大化功能和保障安全运营具有重要作用，故开展相应的水工结构除险加固设计分析很有必要。刘芷妍等[4]、李凤滨等[5]、孙益松等[6]引入模型试验与实际工程相复制的原理，并结合相似材料与复制比尺理论关系，对室内模型方案开展监测分析，研究水工结构水力特征与设计参数关系，丰富结构设计成果。当然，工程的监测以及已有工程的设计参考性，对工程最优方案比较等均具有重要价值，利用监测参数变化预判设计方案的利弊性，对已有工程运营分析，对拟除险加固工程的设计方案进行改进，提升工程设计水平[7-9]。数值计算作为一种高效研究手段，可针对性解决不同设计方案下工程静力场特征，对比各设计方案间参数的改变，对工程稳定性的影响，从而确定最优设计方案[10-12]。文章根据淮安联圩枢纽工程泄洪水闸除险加固的工程背景，以其中7#水闸作为加固方案优化对象，分析型钢加固结构下设计参数对结构静力场影响性，从而确定工程最优设计方案。

1 工程仿真

1.1 工程概况

为提升苏北淮安联圩工程防洪能力，对该联圩枢纽工程所涉及的水闸、大坝等水工建筑开展除险加固，主要为分析水工结构静力稳定性、渗流场活跃性等，为淮安联圩工程的运营稳定性提供重要保障。联圩工程包括有多座大中型水闸，闸顶高程为85m，底板厚度为1.4m，采用多孔式泄流设计，孔宽为8m，共有6孔，单孔泄流流量设计为855m3/s，闸门以液压式启闭机作为控制枢纽，确保闸门开度与上游流量相匹配。沿线坝体分为南、北两侧，轴线长度为3358m，坝顶高程为91～96m，采用混凝土堆石坝设计，坝身设置有止水面板，据当前蓄水工况下的渗流场计算结果可知，浸润线高度不超过75m，水头压力基本与水位一致，坝顶处设置有高度为4.6m的防浪墙，坝体监测传感器表明最大水能仍控制在安全允许值范围内，坝体受水力冲刷影响较小，坝身渗透坡降最大不超过0.28，最大坡降位于坝肩部位，正常蓄水位工况下坝体最大沉降不超过10mm，沿坝轴线方向上最大位移为4.8mm。由地震动力模拟计算结果可知坝体振型以组合型为主，加速度响应值最大为1.5m/s2，位于坝体K1+226段，最大拉应力超过1.9MPa，压应力较低，动力荷载响应下坝体在坝趾部位受张拉应力影响较大。另一方面，根据除险加固调查得知，泄流水闸静力工况下计算得到最大沉降已达18mm，拉应力集中在闸室底板部位，上游泄流能力损耗严重，最大泄流流量控制在558m3/s；而且在地震动力荷载下，该水闸沉降位移显著高于坝体动力响应值，最大加速度响应值相比防洪堤坝增大了7.9%，自振频率在高阶次下较大；不论是静力工况还是地震荷载，水闸抗震能力以及静力抗倾覆、抗滑移性能均受到较大削弱，这极大影响了水闸对流量的控制性能，因而针对性研究泄流水闸除险加固设计方案很有必要，工程设计部门考虑将加固重点放在闸墩，泄流水闸墩设计剖面图如图1所示，采用型钢网架结构作为闸墩加固措施。为此，文章以淮安联圩枢纽工程南线防洪堤坝K1+226～K1+258区段内7#泄流水闸除险加固设计为典型案例，分析加固方案设计参数对结构静力场影响。

图1 泄流水闸墩设计剖面图(单位：mm)

1.2 工程建模

文章利用ABAQUS仿真计算平台开展建模计算[13-14]，钢结构设计方案如图2所示，钢截面均为H型，钢结构高度为5.6m，而截面腹板高厚比为37。根据实际工程现状，建立如图3所示的计算模型，图中标注出闸墩顶部、墩底上游面、闸墩加固点三个特征部位。经有限元软件划分计算网格后，特别在型钢部位处加密划分，微单元体获得26552个。计算模型中X、Y、Z正向分别为水流方向、结构自重应力反方向以及闸首右向。以闸门全闭工况开展计算，经施加边界荷载后，对不同加固设计方案开展最优化分析。

图2 闸墩型钢加固结构方案图(单位：mm)

图3 闸墩有限元模型及关键部位

为确定钢结构中型钢布设数量参数对结构静力场特征影响，按照型钢布设规范，设定型钢布设数量分别为1(单型钢、A方案)、3(B方案)、5(C方案)、7(D方案)、9(E方案)、11(F方案)，型钢布设形式为扇形，在保证其他设计参数一致的前提下，仅改变型钢布设数量，研究该设计参数对结构位移、裂纹扩展、应力等影响，典型三型钢B方案加固设计图如图4所示。

图4 三型钢B方案加固设计图

2 钢结构设计参数对结构应力影响

2.1 拉应力特征

经计算获得钢结构设计参数与水闸拉应力特征关系，如图5所示。从图中可知，墩底上游面的拉应力最大，相同D方案中墩顶、闸墩加固点拉应力与墩底相比分别减少了90%、63.8%，墩底上游面受水力冲刷与自重荷载耦合作用，造成该部位处拉应力较为集中，对结构具有张拉破坏效应。由型钢数量影响拉应力的变化过程可知，闸墩顶部与闸墩加固点拉应力随型钢数量均呈递减变化，而墩底上游面拉应力在型钢数量为5根后发生递增变化，单型钢设计方案下，墩顶部位最大拉应力为0.78MPa，而五型钢、九型钢、十一型钢方案中该部位最大拉应力较之分别减少了74.6%、79.5%、79.6%，表明型钢数量愈多，对墩顶部位张拉应力抑制效果最显著；同理，在闸墩加固点五型钢、十一型钢方案中最大拉应力较单型钢下分别降低了43.6%、50.8%。从降幅变化来看，型钢数量为1～5时，墩顶与闸墩加固点拉应力参数在各方案间分别可损失48.7%、24.6%，而型钢数量超过5根后，其降幅减缓，两部位最大拉应力降幅仅为6.3%、4.4%，故控制型钢数量在合适区间值即可，一方面可节省成本，另一方面可提升结构体系抗拉能力。墩底上游面在单型钢到五型钢区间内拉应力稳定在1.5MPa左右，低于结构材料允许值，但型钢数量超过5根后，其拉应力具有增长态势，七型钢、十一型钢该部位下最大拉应力相比五型钢时分别增长了7.9%、40.2%，该部位最大拉应力逐步上升到结构体系中最危险面，不利于闸墩结构抗拉，与加固结构“降拉升压”效益相反[15-16]。因而，笔者认为，为更好保障闸墩结构抗拉效果，控制型钢数量为5根时方案最优。

图5 型钢布设数量与结构拉应力特征关系

2.2 压应力特征

与此同时，从应力特征中亦可获得最大压应力随型钢布设数量参数变化特征，如图6所示。从图中可看出，结构最大压应力受型钢布设数量参数影响变化具有转折节点，各方案中压应力最大均为五型钢设计，以墩顶部位为例，单型钢、九型钢、十一型钢方案中最大压应力较五型钢下分别减少了30.6%、15.7%、27%，墩顶部位在型钢数量为1～5时，各方案间平均增幅为20.1%，而在型钢数量为5～11时，降幅为9.9%。针对墩底上游面与闸墩加固点两个部位，其压应力变化特征基本与墩顶一致，型钢数量为1～5时，这两个部位的增幅分别为17.7%、28.3%，而在型钢数量为5～11时，压应力降幅分别为10.4%、12.2%。从结构预压效果来看，控制压应力处于结构允许值，且预压状态最好，设计方案最优，而文章中五型钢设计方案下的压应力特征为最佳方案。

图6 最大压应力随型钢布设数量参数变化特征

3 钢结构设计参数对结构位移影响

根据对不同型钢布设数量设计方案下静力场计算结果，获得型钢布设数量影响下各向最大位移变化特征，如图7所示。从图中可知，各向位移中闸墩最大位移为Y向，其在各设计方案中为11.1～17.6mm，当型钢数量为3根时，Y向最大位移为13.6mm，相同设计方案下的X、Z向位移较前者分别降低了33%、53.2%，即闸墩Z向位移值最小，在加固设计时应重点关注Y向位移，各设计方案中Y向位移与Z向位移间差幅为85%～134%，以E方案差幅最小。分析表明，泄流水闸墩在蓄水运营工况下，即使布设有型钢加固结构，但受自重荷载以及水力冲刷作用影响，闸墩变形主要发生在X、Y向上，即以沉降变形与顺水流方向变形为主，此乃是结构滑移失稳趋势的重要根源。对比不同设计方案中位移变化特征可知，各向位移随型钢数量呈先减后增变化，位移值最低均为五型钢(C方案)，X向位移在该方案下为7.36mm，而型钢数量增长至7、11后，X向位移较之分别增长了19.5%、66.2%，从增幅区间来看，在型钢数量为5～11时，X向位移平均增幅达18.5%，结构失稳滑移潜在趋势加大；而另一方面，当型钢数量低于5时，X向位移随型钢数量为递减变化，该区间内平均降幅为25.3%。同时，Y向位移变化特征与X向基本一致，且其在五型钢设计方案前后区间内的变化幅度显著增大，型钢数量为1～5、5～11时，Y向位移分别降幅20.4%与增幅12.7%。Z向位移变化幅度无X、Y向显著，但其变化趋势与之基本一致，各设计方案中位移变化波动幅度较小，各方案间最大波动幅度为13.3%，属A～B方案，型钢数量增幅区间内的幅度亦仅为7.6%。由此可见，控制型钢布设数量乃是抑制闸墩失稳滑移的重要举措，而型钢数量控制在5根时，闸墩各向位移均处于最低，滑移潜在趋势最弱，对结构运营安全性最可靠。

图7 型钢布设数量影响下各向最大位移变化特征

根据对五型钢设计方案下的静力场分布特征计算，获得X、Y向位移与拉应力分布特征，如图8所示。从图中可知，X向位移最大区域位于闸墩加固点，而Y向位移最大值位于墩底上游面区域，整体式位移分布状态较合理，体系位移最大值亦未超过允许值。闸墩上最大拉应力位于墩体侧面，靠近墩底上游面附近，结构体系拉应力分布以0.07～0.31MPa为主，稳定性较佳。从方案优化选择考虑，五型钢从应力与位移的分布、变化特征，该加固设计方案最适宜。

图8 X、Y向位移与拉应力分布特征

4 结论

(1)墩底上游面拉应力最大；闸墩顶部与闸墩加固点拉应力随型钢数量均为递减变化，但降幅为减小态势，而墩底上游面拉应力在五型钢方案后为递增。

(2)关键部位最大压应力随型钢数量呈先增后减变化，墩顶、墩底上游面与闸墩加固点在型钢数量为1～5时的平均增幅分别为20.1%、17.7%、28.3%，而在数量为5～11时，降幅分别为9.9%、10.4%、12.2%。

(3)闸墩最大位移为Y向；三向位移随型钢数量呈先减后增变化，以Z向位移受影响敏感最弱。

(4)对比各方案静力特征，五型钢加固方案对该泄流水闸最为适宜。