基于Midas Civil的水閘機架橋三維建模與抗震分析

李建軍 王濤 孟曉祎

【摘要】隨著現代抗震設計的要求越來越高，機架橋的抗震安全將直接影響到水閘的控制運用，傳統擬靜力計算方法已無法滿足抗震計算的精度要求。基于上述考慮，提出了使用MIDAS Civil進行機架橋抗震計算與分析的新方法，以典型結構型式的機架橋建立三維模型，合理設置邊界約束與荷載條件，基于軟件庫中的規范地震動參數對機架橋進行動力分析，獲得機架橋在靜力荷載與抗震工況下的內力表現，為水閘的結構設計提供科學的依據。

【關鍵詞】機架橋；Midas Civil；抗震分析；反應譜

1、引言

水閘是一種低水頭水工建筑物，主要修建在大小河流的河道或輸水渠道上，利用閘門的開啟與閉合控制水流流量和調節水位。水閘閘門關閉時可以攔洪、擋潮或抬高上游水位，以滿足灌溉、發電、航運、水產、工業與生活用水等需要，閘門開啟時可以宣泄洪水、澇水、同時也可對下游河道或渠道供水，應用十分廣泛。

機架橋是水閘的重要組成部分之一，傳統結構計算方法是將機架橋的框架梁與框架柱簡化為順水流方向和垂水流方向的簡單結構，進而采用數值法或半解析法進行計算，沒有充分考慮到結構的空間效應，同時，規范中嚴格要求對VIII度區水閘結構設計方法采用動力法，傳統的簡化結構靜力計算方法較為繁瑣，計算精度亦無法保證。基于上述考慮，提出了使用MIDAS Civil進行機架橋抗震計算與分析的新方法，以典型結構型式的機架橋建立三維模型，合理設置邊界約束與荷載條件，基于軟件庫中的規范地震動參數對機架橋進行動力分析，獲得機架橋在靜力荷載與抗震工況下的內力表現，為水閘的結構設計提供科學的依據。

2、三維建模

Midas Civil軟件是由韓國浦項制鐵POSCO集團于1989年開發，該軟件屬于有限元分析與計算機輔助設計的范疇，基于有限元分析技術的基礎研究與發展，通過將其與土木結構的專業性問題有機結合，只需建立起完整的結構三維模型并按照實際工況施加邊界荷載與各種約束條件，計算機便可自動完成各種工況下的內力計算與分析。目前，Midas Civil已經完全中文化，其內嵌了國內最新的水工設計規范，不僅能夠對典型結構進行靜力分析，對于地震等特殊工況下的動力、穩定分析同樣專注。由于其強大的功能，Midas Civil目前在世界范圍內的應用越來越廣泛，已被各大公路、鐵路以及水利等行業廣泛采用。

機架橋為典型的框架類結構，主要是由框架梁和框架柱組成，本次分析采用引黃水閘上的機架橋，其結構型式為整體式混凝土梁肋結構，下端固結于閘墩之上，墩頂高程42.3m，機架橋梁頂高程49.3m，框架柱受力鋼筋深入框架梁截面內，可認為橫梁與立柱組成剛架結構，機架橋梁截面尺寸為450×1000mm，長10m，順水流方向次梁截面尺寸400×800mm，長4m，框架柱截面尺寸450×450，高6m，下撐梁截面尺寸300×600mm，長3m，面板厚20mm，傳統平面建模模型，由于機架橋細部結構較多，主梁截面邊緣斜角與梁柱結合處的抹角較多，為節約計算時間，三維建模過程中采取了一定的簡化與假設，去除不必要的結構件，認為機架橋梁柱等構件采用完全剛性連接的假設，即梁柱連接處共用節點。基于上述假設，所建立的機架橋Midas Civil三維模型如圖1所示，機架橋混凝土強度等級采用《水工混凝土結構設計規范》中的C25。

3、工況分析

處于強地震區的水閘，因強震造成的損壞較為嚴重，水閘在設計時應根據功能、等級和設防級別進行必要的抗震計算。目前，我國和世界上多數國家的結構抗震設計規范中，在確定結構的地震作用時均建議采用反應譜法，特別是地震設計烈度為VII度或地基為可液化的1、2級水閘，在分析時更需要采用動力法而非擬靜力法。所謂的“反應譜”就是單自由度彈性體系在給定的地震作用下，某個最大反應量與體系自振周期的關系曲線。本次分析采用抗震規范給出的經驗設計反應譜，其不僅考慮了建筑場地類別的影響，也考慮了震級、震中距及阻尼比的影響，反應譜分析函數的定義如圖2所示。

考慮到地震作用下，主梁以平動為主，因此將主梁用單梁模型模擬，將蓋梁、系梁等用空間梁單元模擬，按支座實際位置與性能模擬邊界條件。由于基礎剛度較大，計算模型中可將閘墩連接假設為固結處理，對機架橋框架柱底部全部自由度進行約束。根據《水閘設計規范》，結構分析荷載組合考慮基本組合和特殊組合兩種，具體工況為正常運用和地震工況下的實際參數，基本組合工況可獲得機架橋各構件的靜力分析結果，而特殊組合則能夠獲得各構件在地震作用下的內力表現，通過兩者的疊加便可獲得最終的結果。作用在機架橋上的主要荷載主要包括自重、水壓力、風荷載、浪壓力以及地震荷載等。根據《水工建筑物荷載設計規范》的規定，對機架橋進行強度計算時，豎向荷載乘以動力系數1.05，水平荷載作用分項系數采用1.1。

4、仿真結果

正常運用工況下，依據所建立的三維模型，可獲得機架橋各構件的內力結果。由于水頭較高，水壓力與浪壓力對機架橋結構強度的影響較為明顯，主梁彎矩164.58，剪力為162.47kN。次梁模型與主梁類似，均為簡支結構，次梁的彎矩與剪力表現及其變化規律與主梁基本一致，彎矩為73.29。對于立柱而言，其下端與基礎固結，各個方向的自由度均被約束，同時，由于下撐梁的存在，使得立柱的彎矩與剪力均較小而軸力較大，彎矩為54.81，軸力239.57kN，剪力32.36kN。

正常運用工況下的機架橋彎矩與剪力分布如圖3與圖4所示，由于啟閉機布置位置的影響，主梁與次梁交界處彎矩最大，X與Y方向均為對稱形式，取X與Y方向的投影圖即可與簡化平面方法的結果進行對比，從而驗證了Midas Civil仿真分析結果的有效性。

垂直水流方向組合地震，機架橋彎矩與剪力分布如圖5和圖6所示。由于主梁方向與地震方向平行，地震作用對主梁影響較小，而對立柱影響最大。由于地震作用，主梁彎矩206.78，比正常運用工況增加了42.2，剪力為164.17kN，由于主梁位置的作用，受地震影響較小，剪力僅增加了1.7kN。

次梁的彎矩與剪力表現與主梁不同，因次梁垂直于地震方向，地震作用對其剪力影響較大而對其彎矩影響較小。地震作用對立柱的影響最大，立柱彎矩110.31，比正常運用工況增加了55.5，軸力239.67kN，基本無變化，剪力為57.66kN，增加了25.3kN。

5、結論

與簡化平面計算方法相比，通過對機架橋進行整體建模并仿真分析可以很方便的獲得各構件的內力表現，計算精度較高。Midas Civil適用于分析框架類的水工建筑物，特別是地震設計烈度為VII度或地基為可液化的1、2級水閘，能夠采用動力分析法直接獲得構件彎矩、剪力以及軸力，為后續水閘結構設計提供了科學依據。

參考文獻：

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作者簡介：李建軍，男，漢，1974年2月，黃河水利委員會工程建設管理中心，高工。長期從事工程建設與管理工作。