利用ansys進行水閘閘室結構應力分析

劉成 曾鋼鋒 朱婷

【摘要】利用ansys有限元分析軟件對山頭涇新閘進行三維有限元模型建立，可整體分析受力較為復雜的閘墩和底板的應力大小及分布情況。該方法不僅為配筋計算提供了可靠的依據，同時可優化結構配筋設計，節省大量結構計算時間和精力投入，對于發展生產力、提高生產效率具有積極的作用。

【關鍵詞】水閘；ansys；應力分析；配筋

在進行水閘結構內力計算時，通用的方法是將閘墩和底板分成兩個單獨部分分別計算，這種方法雖然簡單，但是很難全面反映水閘整體內力效應。根據《水閘設計規范》（SL265-2001），第7.5.1條規定：水閘結構應力分析應根據各分部結構布置型式、尺寸及受力條件等進行；第7.5.8條規定：受力條件復雜的大型水閘閘室結構宜視為整體結構采用空間有限單元法進行應力分析，必要時應經結構試驗驗證。山頭涇新閘工程等別為Ⅲ等，主要建筑為3級，水閘孔徑1孔×20m，且水閘上部設有人行廊橋（拱橋），外部荷載情況較為復雜。因此有必要采用ansys有限元分析軟件建立此水閘三維有限元計算模型，以便整體分析閘墩和底板受力情況，為水閘結構配筋提供準確的內力計算值。

1、 工程概況

山頭涇新閘工程位于黃巖區江口街道山頭金村南側安然山山腳處，是西江水系與金清水系的分界閘，東官河拓寬后，于原閘址南側28m山嘴處新建山頭涇新閘。工程由水閘主體部分及上下游引河兩部分組成，其中水閘主要建筑物包括：上游連接段、閘室段及下游連接段，總長58m；上下游引河為矩形斷面型式，總長221m。工程任務以防洪排澇、水環境改善為主，兼顧灌溉等綜合利用。根據《防洪標準》（GB50201-94）、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）等規范的有關規定，確定本工程等別為Ⅲ等，主要建筑為3級。

山頭涇新閘采用平底板開敞式整體結構，順水流方向全長18.0m，凈寬20.0m（1孔×20m），底板頂高程-2.15m；閘底板采用C30鋼筋砼厚1.5m，邊墩厚1.5m。閘室設可傾倒鋼閘門一道，采用QHQ-2×500KN卷揚式啟閉機啟閉。為連接兩岸交通，閘上設人行廊橋，橋面寬5.5m，橋長25m，橋梁為單跨C40鋼筋砼拱橋結構。山頭涇新閘上游立視圖如圖1所示。

2、 基本設計參數

2.1 設計水位

金清水系正常水位1.60～1.80m（水閘下游側），西江水系正常水位2.40～2.60m（水閘上游側），20年一遇設計洪水位3.34m，50年一遇設計洪水位3.56m。

2.2 工程地質參數

工程區地層以第四系沖海積沉積、坡殘積和沖洪積堆積物為主，地震基本烈度小于Ⅵ度。根據地質探勘揭露，水閘閘室段基礎全部坐落于基巖上。各地層分布及參數詳見表1。

2.3 外部荷載

人群荷載：4.2kN/m2；

廊結構荷載：每根立柱30kN。

3、 三維有限元結構計算

3.1 模型的建立

利用ansys有限元分析軟件對山頭涇新閘閘室段進行三維有限元模型建立。模型坐標原點取水閘左側底板下游末端外側與基巖相交處，將沿水閘縱向軸線指向上游方向定為Y 軸，沿水閘橫向軸線指向右岸方向定為X 軸，垂直水閘底板向下定為Z 軸。具體模型見圖2。

3.2 計算結果

選取水閘最不利工況進行有限元分析計算，將閘室所受外部荷載通過ansys有限元分析軟件加載至結構對應的部位上，分析得出水閘閘墩和底板的應力大小及分布情況。水閘具體應力分布見圖3～圖5。

從以上應力分布圖可以看出，水閘閘墩最大拉應力為0.31MPa，最大壓應力為0.44MPa；水閘底板最大拉應力為0.20MPa，最大壓應力為0.23MPa；人行廊橋（拱橋）最大拉應力為0.22MPa，最大壓應力為0.89MPa。由三維有限元模型計算所得內力值結果，按照《水工混凝土結構設計規范》（SL191-2008）中鋼筋混凝土結構的配筋計算原則，即可進行水閘閘室結構配筋設計。

4、結論

為全面、真實的反映水閘受力情況，本文一改以往采用的通用計算方法，而是將水閘閘室的閘墩、底板和地基作為整體結構進行應力分析，并采用ansys軟件建立閘室段整體三維有限元模型，選取水閘最不利工況，分析計算出閘室各結構部位的應力大小及分布情況，進而選取出最大應力值進行配筋計算。該方法不僅為水閘閘室結構提供了可靠的配筋依據，亦能讓設計人員針對不同結構部位的受力情況進行水閘配筋優化設計，同時與通用計算方法相比節省了大量的計算時間和精力投入，對于發展生產力、提高生產效率具有積極的作用。

參考文獻：

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