基于ANSYS的船閘混凝土非線性仿真分析

王麗英，張慶亮

（1.重慶建筑工程職業學院，重慶400070;2.浙江科欣工程設計咨詢有限公司，杭州310000）

基于ANSYS的船閘混凝土非線性仿真分析

王麗英1，張慶亮2

（1.重慶建筑工程職業學院，重慶400070;2.浙江科欣工程設計咨詢有限公司，杭州310000）

以長洲水利樞紐1#船閘上閘首為例，采用有限元軟件，對施工期閘首混凝土澆筑模擬計算，考慮水化熱、外界氣溫、澆筑層厚度之間的相互影響，對閘首混凝土溫度變化進行分析。并以溫度場的計算成果為前提，采用順序耦合法對閘首結構混凝土的澆筑進行熱-結構耦合計算，分析施工期混凝土結構的應力變化情況。通過對計算成果合理性的驗證表明，利用有限元法可較好地對船閘結構進行整體穩定、應力、應變等全方位計算，且具有精度高、形象直觀等特點，更好的模擬施工條件對船閘裂縫的影響。

船閘裂縫；熱力耦合；非線性有限元

裂縫作為船閘混凝土最常見的病害之一，嚴重影響船閘結構的運行［1］。早在20世紀30年代，很多學者就開始對混凝土裂縫問題展開研究，做了大量細致的研究，國內學者以朱伯芳院士為代表，以后來居上的態勢，使我國在混凝土溫控防裂領域處于國際領先行列［2］。當前對大壩混凝土裂縫的研究比較深入和具體。但由于船閘結構和受力情況較為復雜，多數研究僅限于對結構較為簡單的閘室結構施工期溫度場和溫度應力的分析［3］，相比較而言，閘首結構和受力情況比閘室更為復雜［4］，因此針對整體性更強的閘首結構進行施工期溫度場及溫度應力的分析，找出裂縫產生的機理以及較易發生混凝土開裂的區域，并提出可行的避免裂縫產生的方法是十分有必要的［5］。

有限單元法則是當前計算混凝土結構溫度場和應力場較為成熟的方法，通常采用“增量初變法”來反應隨時間發展而變化的溫度應力［6-7］。目前很多有限元軟件如ANSYS、ABAQUS、ADINA等都具有將多物理場進行耦合計算的功能［8］。

本文應用ANSYS有限元軟件建立船閘閘首三維實體模型，對閘首結構溫度場施工期、完建工況及運行工況進行模擬分析，并將結構完建工況受力結果與熱-結構耦合的計算結果進行對比。綜合考慮船閘的結構特點和受力特征，得到船閘真實工作情況下的應力及變形數據，為船閘設計提供參考。

1 工程實例

1.1 工程概況

本文以長洲水利樞紐一號船閘上閘首為例，該工程位于西江下游河段廣西境內的最后一個規劃梯級，壩址位于廣西梧州市上游12 km的潯江干流上，按雙線單級船閘設計，雙線船閘共用引航道，最大通過1+4× 1 000 t頂推船隊，1#船閘有效尺度200m×34m×4.5m（長×寬×門檻水深）。1#船閘按通過最大船舶2 000 t級設計，樞紐正常當水位為20.6m，上游最高通航水位23.9m，下游最低通航水位18.6m，上閘首布置于航上0+005～航下0+048之間，基底高程最低為-9m。閘首結構建立在弱風化巖石地基上，兩側為重力接頭壩及兩孔沖沙閘。

上閘首基底開挖高程為0～-3.0m，最低為-9m。大部分已達弱風化巖體，局部為強風化巖體，閘基地質條件較好；基坑開挖深度較大，邊坡高度達21.0～34.0m，為巖土質混合邊坡，左側邊坡穩定性較好；右側基坑邊坡上覆有軟弱淤泥質粉質粘土層，自穩能力較差，施工中應采取臨時支護措施；壩址所在地區地震基本烈度為VI度，場地地震動峰值加速度為0.05 g。對建筑物按VI度采取必要的抗震措施。

1.2 船閘閘首結構有限元模型

應用ANSYS有限元軟件建立長洲水利樞紐船閘1#船閘上閘首三維有限元模型，閘首寬77m，基礎水平工作范圍L取3B為231m，基礎深度H取1.29B為100m?？紤]到閘首結構邊墩及底板均是大體積混凝土結構，本文針對混凝土的澆筑過程及結構分析，選取全部上閘首建立有限元模型［9］。在進行有限元整體分析時，底板及邊墩作為一個整體考慮［10］。為模擬施工混凝土澆筑，根據船閘施工進度，將閘首劃分為19層，每一層代表一個混凝土澆筑周期［11］。模型整體坐標系采用笛卡爾直角坐標系，Z軸與水流方向一致，指向上游；Y軸為鉛垂方向，向上為正；X軸以右手法則確定；坐標原點為基礎最低點船閘中心線靠近閘室一側。實體模型如圖2所示。

1.3 網格劃分

根據有限元單元網格劃分的原則結合分析計算類型及整個分析過程的特點，熱單元采用SOLID70、SOLID90、SOLID87，結構單元采用SOLID45、SOLID95、SOLID92，輸水廊道附近模型形狀不規則，無法采用SOLID70單元劃分網格，因此采用其高階單元SOLID90，用自由式網格劃分方法劃分四面體網格［8］?？紤]到節點過多會增加計算負擔，在此引入SOLID87單元，此單元為10個節點，劃分網格時，為平衡計算精度、計算時間及計算所需的代價，閘首結構絕大部分采用掃略方式劃分網格，網格單元為高1.5m，長、寬均為1m的六面體。局部不規則部分采用自由畫網，為邊長1m的四面體網格?；A部分都為六面體網格，網格最大邊長5m，最小邊長1m。本模型中共有358 090個單元，413 999個節點。閘首結構計算網格模型如圖3所示。

圖1 船閘閘首橫斷面布置圖Fig.1 Cross?sectional layout of lock head

圖2 船閘閘首模型圖Fig.2 Ship lock chambermodel

2 計算求解

在模型基礎底部施加X、Y、Z方向約束，基礎左右兩側面施加X方向約束，而基礎前后兩側面施加Y方向約束，之后進行計算分析。

2.1 加載

根據《船閘水工建筑物設計規范》JTJ307-2001，ANSYS有限元結構計算荷載包括以下內容：（1）閘首自重由程序根據材料容重自動加載計算。（2）作用于閘首邊墩表面的靜水壓力，需根據不同水位經過計算后加載到邊墩上，水重度9.8 kN/m3。（3）作用于閘首底板上的水重力，需要將其還算成水壓力加載于底板的上表面。（4）揚壓力為滲透壓力與浮托力之和，同樣可根據規范規定，將揚壓力作為平面上的水壓力加載到底板下表面。（5）作用在閘門上的水壓力以閘門推力的形式通過閘門作用在邊墩上，并最終通過邊墩作用在整個閘首結構上。

2.2 基礎承載力分析

船閘基礎為弱風化花崗巖，地基承載力和基礎彈性模量較大，自重造成的沉降較小。因此在有限元模型的分析時，將不對基礎變形做過多分析。模型分析方法為：基礎上部船閘模型單元殺死→模擬基礎在自身重力作用下的沉降作用→激活閘首模型單元→計算及工況分析。

圖3 船閘閘首模型網格圖Fig.3 Ship lock chambermodelmesh

圖4 特征點位置圖Fig.4 Location of feature points

結合實體模型受力特點，特選取以下7個點，作為位移的特征點進行分析。本文所選用的船閘閘首為對稱結構，且兩邊墩外側均無回填土，所以僅選取左側邊墩上的。特征點所在具體位置如圖4所示。

3 計算成果分析

選取施工工況和運行工況對閘首結構進行應力、應變分析。

3.1 施工工況

施工結束后，邊墩及閘門兩側沒有水壓力，1#船閘閘首兩側分別為重力壩和泄水閘壩，將閘首簡化為兩邊墩外側為懸空狀態，忽略兩邊墩外側與兩邊壩體彼此間的影響。因此在施工工況下，閘首只有自重。施工工況下，無順水流的縱向荷載及垂直水流方向的橫向荷載，閘首在X、Z方向的位移很小，選取Y方向云圖進行分析。應力應變圖如圖5～圖8所示。運行工況下應力應變圖如圖9～圖12所示。

3.2 運行工況

閘首結構在正常高水位運行時，閘墩支持段內側受上游高水位作用，其他邊墩內側受下游相應水位作用，邊墩外側懸空狀態無水壓力，底板上部一部分承受上游水壓力，一部分承受下游水壓力，底板下部為上下游水位差產生的揚壓力。閘門因水壓力產生的推力則直接作用在邊墩支持墻上。水壓力載荷按照水位的高低及受力部分的高程進行梯度加載計算。選取如圖4所示的7個特征點，根據有限元分析計算結果，每個特征點的位移統計如圖15所示。

運行工況下，閘首結構豎向為水壓力及揚壓力，弱風化花崗巖基礎的彈性模量較大，因此豎向受力變化對基礎沉降變形影響不大，所以特征點在運行工況與施工工況下的豎向位移相差甚小。X，Y方向位移較完建工況有所增加，但同豎向位移（圖15）相比仍然很小。

圖5 施工工況Y方向應變等值線云圖Fig.5 Y direction strain isolinemap of construction condition

圖6 施工工況Y方向等值線圖Fig.6 Y direction stress isolinemap of construction condition

圖7 施工工況第一主應力等值線圖Fig.7 Stress isolinemap of construction condition for σ1

圖8 施工工況第三主應力等值線圖Fig.8 Stress isolinemap of construction condition for σ3

圖9 運行工況Y方向應變等值線圖Fig.9 Y direction strain isolinemap of operation condition

圖10 運行工況X方向應變等值線圖Fig.10 X direction strain isolinemap of operation condition

圖11 運行工況第一主應力等值線圖Fig.11 Stress isolinemap of operating condition for σ1

圖12 運行工況第三主應力等值線圖Fig.12 Stress isolinemap of operating condition for σ3

3.3 有限元法與解析法計算結果對比分析

3.3.1 應力計算結果對比

假設邊墩支持段為獨立結構。應用解析法對閘首邊墩進行了計算，并得出邊墩支持段前趾的應力值。選取左邊墩支持段底部18個點（圖4），經驗算X和Y方向節點應力均能滿足穩定性要求，為了更好的對比兩種計算方法，現將計算結果進行對比如圖14、圖15。

圖13 特征點位置圖Fig.13 Feature points location

圖14 X方向應力計算結果對比Fig.14 Stress calculation result contrast of X direction

圖15 Y方向應力計算結果對比Fig.15 Stress calculation result contrast of Y direction

如表1所示，兩種方法計算運行工況下左邊墩底部18個點的豎向壓應力結果，有限元方法除邊緣角點出現局部較大的集中應力外，其余各點的計算結果較解析法小。相比解析法，有限元法計算結果與符合實際結果走勢和數值更為接近，應力分布更為合理數據，并顯示結構邊緣部分出現集中應力現象，2個方向各點應力呈梯次規律，可以較為準確的反應出結構出現應力集中的位置，為設計人員提供依據。

3.3.2 應變計算結果對比

兩種工況下結構位移變化，選取閘首結構上特征點進行對比分析。不同工況下特征點的應變數據整理見表1。

不同工況下各特征點位移對比如圖14、圖15，根據分析可知，各特征點應變數值X、Z方向較小，部分點出現拉應變，可以忽略不計。各特征點Y向沉降是主要位移量，兩種工況基本一致。X，Z方向位移施工工況較運行工況有所增加，但同豎向位移相比仍然很小。

應用ANSYS軟件，對船閘閘首結構進行三維有限元建模、求解及計算分析表明：

（1）兩種情況下，閘首最大沉降為1.12 cm。運行高水工況，兩邊墩在水壓力的作用下，頂部有較小的X、Z方向位移。應力結果，施工工況和運行高水工況，閘首結構輸水廊道附近出現了一定的受拉情況，最大拉應力0.7mPa，容易出現裂縫，其余位置均承受壓應力作用。

（2）有限元法同解析法計算結果相比較，有限元法計算數據跟實際數據更為接近，并且應力分布規律也更符合結構實際規律，可以較為準確的反應出結構出現應力集中的位置，可為設計人員提供參考。

（3）解析法具有計算簡單方便的優點，但有限元方法在計算結構內力，分析結構應力分布情況及分布特點方面結果準確，更具優越性。

表1 不同工況下特征點位移對比表Tab.1 Feature point′s displacement contrast under different conditions

4 結語

基于ANSYS有限元軟件，綜合考慮結構材料非線性、幾何非線性、接觸非線性等問題，閘首混凝土澆筑模擬計算，考慮水化熱、外界氣溫、澆筑層厚度之間的相互影響，對閘首混凝土溫度變化進行分析。并以溫度場的計算成果為前提，采用順序耦合法對閘首結構混凝土的澆筑進行熱-結構耦合計算，分析施工期混凝土結構的應力變化情況；通過對計算成果合理性的驗證表明，利用有限元法可較好地對船閘結構進行整體穩定、應力、應變等全方位計算，且具有精度高、形象直觀等特點，更好的模擬施工條件對船閘裂縫的影響。兩種方法計算結果對比說明了模型和計算的正確性，解析法具有計算簡單方便的優點，而有限元方法在計算結構內力、分析結構應力分布情況及分布特點方面更具優越性。

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Nonlinear finite element analysis of lock concrete based on ANSYS

WANG Li?ying1,ZHANG Qing?liang2
（1.Chongqing Vocational College of Architectural Engineering,Chongqing 400070,China；2.Engineering Design Consultation Limited Company of Zhejiang Kexin,Hangzhou 310000,China）

Taking the head bay of the Changzhou hydro?junction No.1 lock for instance,the study was carried out to analyze the temperature changes of lock head concrete by using the finite element software.With the consider?ation of interaction among hydration heat,air temperature,and layer thickness of structure,analog computation for concreting of lock head was initialized during construction period.Meanwhile,on the premise of results of tempera?ture field,the changes of concrete stress during construction period were analyzed by using Sequential Coupled?Fieldmethod to initialize the Thermal?Structural Coupling Analysis on concreting of lock head construction.The re?sult of the reasonableness testmanifests that ANSYS finite elements software can be applied to calculate the overall stability,stress and strain and other elements in the lock head with high accuracy and vividness,and better simulate the influence of construction conditions on the ship lock cracks.

lock cracks;Thermal?Structural Coupling;nonlinear finite element analysis

TV 314

A

1005-8443（2015）03-0239-05

2014-07-21；

2014-10-08

王麗英(1984-)，女，河南省人，講師，主要從事建筑工程技術及道橋專業相關的教育科研工作。

Biography：WANG Li?ying(1984-),femal,lecturer.