开敞式防洪闸闸室结构抗震安全分析及加固措施研究

郭博文　范冰　宋力　韩玉龙

摘 要：以处于地震基本烈度８ 度区的某开敞式防洪闸为例，基于有限元分析软件，采用时程分析法对闸室结构抗震能力进行了分析。针对闸室上部启闭机房结构存在的抗震缺陷，制定了不同的抗震加固方案，通过不同加固方案抗震能力对比分析，比选了较优加固方案，并在较优方案基础上，探究了连通梁截面尺寸对闸室结构加固效果的内在影響规律。结果表明：地震作用下防洪闸闸室结构启闭机房排架柱折角位置处出现较大拉应力区，其最大拉应力超过了结构承载能力，不满足抗震安全需求；在各排架柱之间增设连通梁可降低启闭机房结构动力响应，但设计过程中为避免启闭机房结构产生鞭梢效应，不宜在顶部位置增设；连通梁截面尺寸对启闭机房排架柱结构抗震能力影响显著，实际工程中可通过控制截面尺寸达到理想的抗震加固效果。

关键词：闸室结构；数值模拟；抗震能力分析；抗震加固措施

中图分类号：ＴＶ６９１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０４．０２６

引用格式：郭博文，范冰，宋力，等．开敞式防洪闸闸室结构抗震安全分析及加固措施研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（４）：１５３－１５６，１６２．

水闸具有挡水、泄水的双重功能，在水利工程中被广泛应用［１－３］ 。我国地震多发，地震频度极高，水闸遭受多次地震灾害结果表明，地震对水闸的破坏较为严重。根据资料统计表明，水闸的主要震害为排架柱断裂、闸墩及翼墙裂缝等［４－６］ 。闸室作为水闸工程的咽喉部位，对工程的安全性尤为重要。此外，闸室薄壁结构在强震作用下易发生贯穿性裂缝，尤其针对闸室上部启闭机排架柱结构，其在地震作用下存在明显的“鞭梢效应”，出现贯穿性裂缝的可能性更大。为保证工程在地震作用下安全运行，拟采用有限元模拟技术对开敞式水闸的闸室结构进行抗震能力分析，并针对闸室上部结构进行抗震措施优化设计，以期为同类水闸工程提供借鉴和参考。

１ 抗震能力分析

１．１ 有限元模型

某开敞式防洪闸共计６ 孔，每孔宽度６ ｍ，每两孔相邻闸墩间设有伸缩缝，故两孔一联，共计三联。根据区域地质资料，整个场地主要由新沉积的黏土、淤泥、砂土和砾石组成，在实际施工时，通过换填砂砾料对地基进行了处理，防止地基发生液化破坏。

根据某闸室结构特点，本次选取中间一联进行相关研究，建立了包括地基、闸底板、闸门、闸墩、闸前后水体、交通桥、启闭机房的闸室结构三维有限元模型（见图１）。其中：为减弱地基边界条件对计算结果的影响，以闸底板四周为起点，地基模型向上下游以及左右岸分别延伸２ 倍闸墩高度；为较为真实地反映地震作用下闸前后动水压力对闸室结构的影响，采用势流体单元模拟闸前后水体；为提高计算精度，均采用六面体网格对模型进行离散，共计１２０ ４９２ 个节点、９４ ３１０个单元。

１．２ 计算参数

１）计算工况及荷载。该防洪闸所处区域地震基本烈度为８ 度，《水工建筑物抗震设计标准》（ＧＢ５１２４７—２０１８）［７］（以下简称设计标准）规定，一般工程可将场区地震基本烈度作为结构设计烈度。因此，本次计算工况为正常蓄水位运行期加８ 度地震作用。其中：正常蓄水位运行时防洪闸闸室结构闸前水深２．５０ ｍ，闸后水深２．２０ ｍ；８ 度地震作用时地震动峰值加速度为０．２０ｇ，地基反应谱特征周期Ｔｇ取０．３５ ｓ。

本次计算中主要考虑模型自重、水荷载、淤沙压力、浪压力、土压力、扬压力、风荷载、启闭机自重及地震荷载等。其中，扬压力由浮托力和渗透压力组成，渗透压力可采用改进阻力系数法计算。

２）材料参数。有限元数值模拟时，混凝土材料采用线弹性本构模型，同时将等效弹性模量作为混凝土的弹性模量，以体现钢筋的作用。在线弹性阶段，钢筋与混凝土是协调变形的，具体等效原则如下：

式中：Ｅｄ 为钢筋混凝土等效弹性模量，Ｅｃ 为素混凝土弹性模量，Ｅｓ 为钢筋弹性模量，Ａｓ 为钢筋截面面积，Ａ为混凝土截面面积。

该工程闸底板、闸墩、交通桥、启闭机房计算所采用的混凝土材料参数（未等效前）为：强度等级Ｃ２５，容重２５．０ ｋＮ／ ｍ３，弹性模量２８．０ ＧＰａ，泊松比０．１６７。

３）地震荷载。设计标准规定，水闸结构应同时考虑顺河流方向和垂直河流方向的水平向地震作用。本次抗震分析过程中，根据设计标准中的设计反应谱，采用三角级数展开的方法生成两条标准地震加速度时程曲线，见图２。计算过程中，基于封闭振动体系的地震波输入方式，考虑横河向和顺河向地震作用，对闸室结构进行动力响应分析。

４）动水压力。采用势流体单元模拟闸前、后水体动水压力作用时，其控制方程如下：

式中：?２为拉普拉斯算子，Ｐ 为动水压力，ｃ 为水中声波波速。

同时，在水体和结构之间设置流固耦合边界，以此来模拟水体和结构之间的能量传递，具体如下：

式中：ｎ 为流固耦合面上流体域的外法线方向坐标，ρ为水的密度，·Ｖ·ｎ 为流固耦合面上沿法向的绝对加速度。

１．３ 结果分析

为了便于对计算结果进行分析，在闸室结构上选取２ 个特征点，具体位置见图１（ｂ）。

１．３．１ 位移计算结果分析

以顺河向位移计算结果为例，闸室结构特征点Ａ顺河向位移时程曲线见图３。在地震作用下，特征点Ａ顺河向随地震荷载往复震荡，其中位移最大值（绝对值）为１４．１０ ｍｍ，出现在９．１８ ｓ 时刻。

１．３．２ 应力计算结果分析

闸室结构特征点Ｂ 第一主应力时程曲线见图４。地震作用下特征点Ｂ 第一主应力在２．５５ ｓ 时刻出现最大值，为２８．２４ ＭＰａ，位置在启闭机房排架柱折角处。

１．３．３ 计算结果合理性分析

为了验证时程分析法计算结果的合理性，将其与基于振型分解反应谱法的计算结果进行对比分析（见图３、图４，限于篇幅不再展示计算结果云图）。振型分解反应谱法计算结果较时程分析法计算结果偏大，符合一般规律，两种方法得到的位移及应力最大值出现位置一致，这在一定程度上证明了本次计算结果的合理性。

１．３．４ 抗震能力分析

根据排架柱结构截面的配筋，结合文献［８－１０］中提出的拉应力复核方法，计算可得单位长度闸墩横截面上最大承载弯矩为６ ４４４．８２ ｋＮ·ｍ，闸室的排架柱结构能承受的最大拉应力为９． ８７ ＭＰａ， 远低于２８．２４ ＭＰａ。因此，闸室启闭机房结构抗震能力不满足安全需求，需要采取相应抗震加固措施。

２ 抗震加固措施研究

主要針对启闭机房排架柱结构进行抗震加固措施研究。在不改变现有结构形式基础上，针对闸室上部启闭机房结构特点，考虑增大启闭机房结构整体刚度，拟采用以下３ 种方案进行抗震加固。

１）方案１。在闸室上部结构启闭机房二层排架柱的跨中位置，于顺河方向增加３ 根连通梁，于横河方向增加４ 根连通梁，连通梁的截面尺寸为２５ ｃｍ×４０ ｃｍ（宽×高）。

２）方案２。在闸室上部结构启闭机房一层排架柱的跨中位置，于顺河方向增加３ 根连通梁，于横河方向增加４ 根连通梁，连通梁的截面尺寸为２５ ｃｍ×４０ ｃｍ（宽×高）。

３）方案３。在闸室上部结构启闭机房一层和二层排架柱的跨中位置，于顺河方向均增加３ 根连通梁，于横河方向均增加４ 根连通梁，连通梁的截面尺寸为２５ ｃｍ×４０ ｃｍ（宽×高）。

２．１ 不同方案位移计算结果分析

不同方案闸室上部启闭机房结构特征点Ａ 顺河向位移时程曲线见图５。方案１ 特征点Ａ 顺河向位移最大值（绝对值）为１４．６１ ｍｍ，出现在２．５３ ｓ 时刻，相较于未加固方案，其最大值增大了３．６２％；方案２ 特征点Ａ 顺河向位移最大值（绝对值）为８．７１ ｍｍ，出现在２．８３ ｓ 时刻，相较于未加固方案，其最大值减小了３８．２３％；方案３ 特征点Ａ 顺河向位移最大值（绝对值）为７．０５ ｍｍ，出现在２．８４ ｓ 时刻，相较于未加固方案，其最大值减小了５０％。

２．２ 不同方案应力计算结果分析

不同方案闸室上部启闭机房结构特征点Ｂ 第一主应力时程曲线见图６。方案１ 特征点Ｂ 第一主应力在９．１７ ｓ 时刻出现最大值，为３７．４０ ＭＰａ，相较于未加固方案增大了３２．４４％，原因是方案１ 的加固措施使其在地震作用下产生了“鞭梢效应”，增大了启闭机房整体动力响应；方案２ 特征点Ｂ 第一主应力在３．０１ ｓ 时刻出现最大值，为８．７８ ＭＰａ，相较于未加固方案减小了６８．９１％，方案２ 的加固措施增加了启闭机房一层结构的刚度，加固效果明显；方案３ 特征点Ｂ 第一主应力在３．０１ ｓ 时刻出现最大值，为８．２０ ＭＰａ，相较于未加固方案减小了７０．９６％。

２．３ 不同方案结果对比分析

对比不同方案特征点Ａ 和特征点Ｂ 动力响应时程曲线可知，方案２ 和方案３ 加固效果明显，特征点Ａ顺河向位移和特征点Ｂ 应力响应显著降低。为了更直观体现３ 种加固方案效果差别，表１ 给出了不同方案下特征点Ａ 位移结果统计。相较于方案２，方案３特征点Ａ 顺河向位移和特征点Ｂ 第一主应力仅降低了１９．０６％和６．６１％。

综上所述，方案１ 加固措施增加启闭机房二层结构刚度的同时，也增大了启闭机房二层结构质量，同时未改变一层结构刚度，使其在地震作用下产生了“鞭梢效应”，增大了启闭机房整体动力响应；方案２ 和方案３ 的加固措施均增大了启闭机房一层结构刚度，显著降低了启闭机房结构整体动力响应。相较于方案２，方案３ 启闭机房结构整体动力响应降幅偏小，且增大了经济成本。因此，综合考虑推荐方案２ 抗震加固措施。

３ 截面尺寸对抗震加固效果影响

本节在方案２ 的基础上，增大连通梁的截面尺寸，进一步探讨闸室上部启闭机房结构抗震加固措施的最优方案。增选方案如下：在方案２ 的基础上，连通梁的截面尺寸增大为２５ ｃｍ×８０ ｃｍ（宽×高）。增选方案闸室结构有限元模型见图７。

１）位移计算结果分析。图８ 给出了增选方案闸室上部启闭机房结构特征点Ａ 顺河向位移时程曲线。特征点Ａ 顺河向位移最大值（绝对值）为６．２４ ｍｍ，出现在４．１０ ｓ 时刻，相较于方案２ 减小了２８．３６％。

２）应力计算结果分析。图９ 给出了增选方案闸室上部启闭机房结构特征点Ｂ 第一主应力时程曲线。增选方案特征点Ｂ 第一主应力在４．１０ ｓ 时刻出现最大值，为３．２１ ＭＰａ，相较于方案２ 降低了６３．４４％，加固效果显著。

综上所述，相较于方案２，增选方案进一步降低了启闭机房结构整体动力响应，加固效果显著。实际工程中，可通过控制截面尺寸达到理想的抗震加固效果。

４ 结论

针对开敞式闸室上部启闭机房结构存在的抗震缺陷，制定了不同的抗震加固方案，比选了较优加固方案，并在较优方案基础上，探究了截面尺寸对闸室结构加固效果的影响规律。具体结论如下：

１）在８ 度地震作用下，防洪闸闸室结构启闭机房排架柱折角位置出现较大拉应力区，最大拉应力超过了结构承载能力，不满足抗震安全需求，需要采取抗震加固措施。

２）方案２ 和方案３ 的加固措施均增大了启闭机房一层结构刚度，显著降低了启闭机房结构整体动力响应，但相较于方案２，方案３ 启闭机房结构整体动力响应降幅偏小，且增大了经济成本，综合考虑推荐方案２抗震加固措施。

３）连通梁截面尺寸对启闭机房排架柱结构抗震能力影响显著，实际工程中，可通过控制截面尺寸达到理想的抗震加固效果。

参考文献：

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［１０］ 郭博文，鲁立三，王荆，等．渭河拦河闸闸室抗震安全复核［Ｊ］．南水北调与水利科技（中英文），２０２１，１９（５）：１０２４－１０３１，１０４０．

【责任编辑 张华岩】

基金项目：黄委优秀青年人才科技项目（ＨＱＫ－２０２３１４）；河南省自然科学基金青年科学基金项目（２０２３００４１０５４５）；黄河水利科学研究院科技发展基金项目（黄科发２０２２０８）