基于Autodesk Simulation Mechanical大型水闸结构静动力特性数值分析

于 浩

(江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东 江门 529000)

1 大型水闸结构静动力分析

1.1 水闸结构分析概述

土基上开敞式水闸闸室底板的应力分析可采用反力直线分布法或弹性地基梁法。岩基上开敞式水闸闸室底板的应力分析可按基床系数法计算。

开敞式水闸闸室底板的应力可按闸门门槛的上下游分别进行计算，并计入闸门门槛切口处分配于闸墩和底板的不平衡剪力。开敞式或胸墙与闸墩简支连接的胸墙式水闸，其闸墩应力分析方法应根据闸门形式确定。平面闸门闸墩应力分析可采用材料力学方法，弧形闸门闸墩的应力分析宜采用弹性力学方法。涵洞式、双层式或胸墙与闸墩固支连接的胸墙式水闸，其闸室结构应力可按弹性地基上的整体框架结构进行计算[1]。

受力条件复杂的大型水闸闸室结构宜视为整体结构采用空间有限元法进行应力分析，必要时应经结构模型试验验证。

1.2 水闸结构应力分析方法比较

水闸底板应力分析中的反力直线分布法和弹性地基梁法，把水闸的空间结构简化为平面问题，采用“截板成梁”的方法进行计算，这种计算方法忽略了各闸墩处变位不等的重要因素，误差较大，因而不宜在大中型水闸设计中采用[2]。

平面闸门闸墩的受力条件主要是偏心受压，可假定闸墩固定于底板上的悬臂梁，其应力状况可采用材料力学的方法进行分析，弧形闸门闸墩的受力条件比较复杂，不只是偏心受拉，而且还受扭，是一块一边固定、三边自由的弹性矩形板，其应力状况宜采用弹性力学的方法进行分析。因此，对于大型水闸弧形闸门闸墩，宜按闸门支座作用力的实际位置，加大闸门支座处的闸墩厚度并考虑闸底板的约束作用等边界条件采用有限单元法进行应力分析。

1.3 静力学分析平衡方程

静力分析适用于缓慢加载的情况，如果完成加载时间远大于结构的被激活振动周期，则认为是缓慢加载，此种情况结构的响应慢，不会产生震荡，惯性力可以忽略不计。且遵循如下平衡方程式(1)：

[K]{u}={F}

(1)

式中：[K]为刚度矩阵；{u}为位移矩阵；{F}为荷载列矩阵。

1.4 动力学分析平衡方程

动力学分析适用于快速加载、冲击碰撞的情况，这种情况下惯性力和阻尼的影响不能忽略。动力学分析需要考虑结构的惯性，所以材料参数必须定义密度及材料的弹性模量、泊松比。动力学问题遵循如下平衡方程式(2)：

[M]{ü}+[C]{ü}+[K]{u}={F(t)}

(2)

式中：[M]为质量矩阵；[M]{ü}反映了惯性效应；[C]为阻尼矩阵，[C]{ü}反映了阻尼效应，t为时间列矩阵；F(t)为行载时间函数矩阵。

2 某大型水闸闸室体型结构

某水利枢纽由土石坝、泄洪闸、河床式水电站等建筑物组成。泄洪闸采用平底宽顶堰，堰体建基面高程1062.3 m(最低的齿槽处高程为1060.3 m)，闸顶前部高程1078.7 m、后部高程1079.8 m，顺水流方向长40.0 m。

泄洪闸闸室布置采用两孔一联，单孔净宽14.0 m，中墩厚3.0 m，缝墩厚2.5 m，每联长度36.0 m，闸底板厚度2.7 m。弧形闸门前、后设检修闸门。闸墩顶部设交通桥与坝顶公路相连。基础为深厚砂砾石层[3-7]。

2.1 闸室荷载及组合

设计荷载如下：结构自重和永久设备重、水重；上、下游及缝间静水压力(水库正常蓄水位：1076 m，正常尾水为：1065.02)；扬压力；浪压力；地震荷载。

基本荷载组合包括：完建工况、正常挡水工况。

特殊荷载组合包括：检修工况、正常挡水+地震工况。

由于完建工况、正常挡水工况和检修工况的结构计算都属于静力分析且过程相似。本文只对正常挡水工况下水闸的静力特性进行有限元分析。

2.2 荷载及模型的简化处理

由于计算关心的是闸底板和闸墩的结构应力，可忽略交通桥、检修桥支座处的局部应力，为方便地建立有限元模型及施加荷载，有效地控制单元划分数目，需要对模型及荷载进行简化处理。

模型简化处理：为方便单元划分把闸墩上的台阶简化为斜面，把弧形墩头按矩形处理，不考虑交通桥、检修桥的局部支座。缝面处的两道止水合并按一道考虑，弧形门槽按直线近似处理，不考虑下游检修门槽。

荷载的简化处理：弧形闸门自重折算为线荷载作用在闸底板顶面；弧形闸门水推力根据划分的网格节点折算为表面压力和节点力施加在牛腿上；桥梁自重及相关荷载按作用在闸墩上的面荷载进行折算；油泵房的荷载折算为面荷载施加在中墩顶中部；对扬压力做适当简化，把底板底面沿水流方向分成14个面，每个表面施加表面压力来模拟扬压力。

基础简化：基础为深厚砂砾石基础，根据工程经验，上、下游方向以及深度方向取15 m范围，垂直水流方向与闸室同宽。

坐标系设置：采用平面直角坐标系，闸底板顶面Y坐标值为0，其他高程相应折减，尺寸单位按米计。

3 结果与分析

运行Autodesk Simulation Mechanical程序，执行CAD实体模型数据交换，分析类型设置为线性静力分析。采用8节点三维块体单元进行网格剖分。基础部分视为弹性基础，其自重引起的变形忽略不计，质量密度不赋予数值；闸室材料属性为C25混凝土，密度为2400 kg/m3，泊松比为0.167，弹性模量为28 GPa。基础底面为固定约束，基础上游面、下游面X向约束，基础沿坝轴线方向的两个面Z向约束，闸室底面和基础的接触采用黏合处理。

交通桥、检修桥、油泵房相关荷载折算为面荷载施加在闸墩顶部，面荷载数值见表1。

表1 墩顶面荷载 kN·m-2

对底板底面的14个面域施加扬压力，每个面域对应的扬压力值见表2，底板底面面域的划分见图1。

表2 底板底面每个区域扬压力值 kN·m-2

图1 闸室底板面域的划分

弧形闸门的重力折算80 kN施加到底板对应的节点上。弧形闸门的水推力传递到一个牛腿的推力为6309 kN，牛腿受力面积为3.64 m2，折算为表面压力1733 kN/m2施加到牛腿表面。

由线性静力分析结果可知，由于闸墩固结于底板，牛腿固结于闸墩，闸墩与底板的衔接处、闸墩与牛腿的连接处呈现应力集中现象。但最大拉应力、压应力均小于混凝土的强度运行范围内[8]。

将静力分析的水闸数值模型分析类型设置为荷载刚化固有频率分析，模态数量为10，固有频率分析结果见表3。

表3 水闸固有频率分析结果

将静力分析的水闸数值模型分析类型设置为响应谱分析，单元划分、材料、约束条件、荷载等与静力分析相同，受到Z向和Y向的地震荷载作用，地震加速度频谱数据见表4。

表4 地震加速度响应频谱

由线性动力分析结果可知，增加水闸的阶数，固有频率随之增加，水闸的自振特性于一般规律相符。水闸在Z和Y两向荷载作用下，峰值位移及峰值应力均为超过规范的允许值。

4 结 论

本文以某大型水闸实例为研究对象，通过Autodesk Simulation Mechanical三维有限元分析软件，构建三维数值模型，对水闸结构的静动力特性进行数值分析。以期了解结构内部的应力分布状态，为水闸的结构设计提供合理、可靠的理论依据，对结构应力集中部位加大配筋或优化结构减少应力集中。