基于ANSYS的水閘應力與位移分析

李 壯，李芬花，趙萌萌，楊榮海，鄧丹平

(華北電力大學，北京 102206)

1 研究背景

近年來，有關水閘應力分析研究主要集中在對不同環境、不同工況水閘部位的分析—地板分析、閘墩分析，包括一些加固措施等，對于水閘整體分析較少。一些針對水閘整體分析，模型相對比較簡單，忽略了水閘本體存在的一些細節問題，難免會增加數據結果的不可靠性。本文著重于水閘整體建模與應力、位移分析，旨在探索更為合適嚴謹的建模路線，以此來為水閘實際設計提供更加合適的模擬參考，對水閘的整體設計、配筋等等提供相應計算模型。

2 水閘設計

2.1 地質條件

工程所在地地質較優，河水流態穩定，地面以下20m內均為粉質壤土，密度1400kg/m3，彈性模量35MN/m3，泊松比為0.2，很適合修建此工程。在自然狀況下，內摩擦角φ=21°，地基允許承載力為[σ]=300kN/m3。地基的滲透系數K=5×10-3cm/s。設計地點土的飽和重度是23kN/m3。建設地點兩岸平均高程為50m左右，設計河道河底高程確認為38m。由此可知閘室地板高程也可確認為38m。河底平均寬度110m，工程兩岸坡比為1∶3。該河道較為平順，故可近似看作等腰梯形進行相關設計與計算。相關洪水標準見表1，建筑物等級為2級，由水閘設計洪水標準可知，水閘級別應確認為2級。

表1 洪水標準表

2.2 承受荷載

荷載組合見表2。

表2 荷載組合表

水閘穩定分析主要對水閘受力最危險的時期—擋水期進行計算分析，輔以無水期的計算與分析。

無水期水閘受力荷載圖如圖1所示。

圖1 無水期荷載圖

擋水期水閘受力荷載圖如圖2所示：

圖2 擋水期荷載圖

3 ANSYS建模

3.1 模型屬性

工程所在地地質較優，河水流態穩定，地面以下20m內均為粉質壤土，密度1400kg/m3，彈性模量35MN/m3，泊松比為0.2，很適合修建此工程。在自然狀況下，內摩擦角φ=21°，地基允許承載力為[σ]=300kN/m3。地基的滲透系數K=5×10-3cm/s。設計地點土的飽和重度是23kN/m3。

模型其他相應的材料屬性見表3。

表3 模型材料屬性表

工況選擇的是水閘最為危險的設計擋水期以及校核擋水期，擋水期對應的設計流量為971m3/s，上游水頭H0為7.96m，下游水深hs=7.78m，建模時施加的外力荷載需要參考此對應的水深。其他工況可以使用不同的水深模擬。

3.2 具體模型

本文采用ANSYS命令流建模，知曉模型尺寸之后建立相應模型。建立模型時采用命令流進行建模，其優點是便于修改，可根據不同的需要通過更改命令流達到修改模型的目的，故此處推薦使用命令流建立較為復雜的模型。建立模型時對閘體進行分段分析，故取中央三孔建模分析。

建立的模型如圖3所示。

圖3 水閘總體圖

圖4 水閘分析部位圖

從水閘總體中提取的中部中間三孔如圖4所示，具體分為地基、閘室底板、閘墩、閘門、檢修橋、工作橋、支架、交通橋幾部分。由于水閘的分縫設計，此模型在建立時也采取的相同的分縫設計：分為兩側兩孔，中央三孔的設計。在分析時，為減輕計算量，可取中央三孔作為分析對象進行分析。

模型上下游計算范圍為閘墩高度的二倍。模型左右前后施加相應的約束，通過劃分單元尺寸來調節計算精度，可以通過修改命令流實現多次計算，找出計算效率與計算精度要求都適合的劃分方法。

建模過程如下。

(1)設置單元類型，設置相關參數；

(2)生成點、面、體(由于模型較復雜，采用對稱操作進行建模)，分配模型屬性；

(3)設置劃分精度，劃分網格；

(4)施加荷載并求解；

(5)分析結果，若結果不符，則修改模型或荷載；若結果不準確，則回到(3)重新設置精度，直到所得計算結果最為合適為止。

4 計算結果與分析

4.1 計算所得結果

通過相應的計算可以查看相應的變形，以及內部的應力：如圖5—7顯示的是第一主應力(拉應力)和第三主應力(壓應力)的計算結果，前兩個圖為設計荷載下的應力分析結果；如圖7、8、11、12所示顯示相應的位移計算結果，圖7—8為設計荷載下的位移計算結果，圖11—12為校核荷載下的位移計算結果。

圖5 設計第三主應力應力圖

圖6 設計z軸方向位移圖

圖7 設計第一主應力應力圖

圖8 設計y軸方向位移圖

圖9 校核第一主應力應力圖

圖10 校核第三主應力應力圖

圖11 校核z軸方向位移圖

圖12 校核y軸方向位移圖

4.2 設計洪水擋水期計算結果

應力結果分析：對于第一主應力而言，其應力集中現象出現在兩邊閘門底部。而對于第三主應力，其應力集中現象主要出現在閘門正面的側邊與下邊緣，同時在閘門背面也存在應力集中的現象，其中，中間閘門下邊緣應力集中現象最為明顯。其主要是由閘門的形變所引起。其次，應力較大值主要集中在上下游閘墩與閘室底板的連接點處，數值大約在1.41MPa，主要是由于閘墩的形狀所導致的應力集中現象，此處的混凝土澆筑必須要注意。

對于第三主應力，最大壓應力主要出現在上游閘門的底部。最大值位于下游中間閘門的底部。產生的原因同為鋼閘門的變形所引起。對于閘墩、閘室底板的混凝土建筑而言，應力較大位置為閘墩與閘門連接部位的中間部分。

位移結果分析：關于z軸方向的位移，最大值出現在閘室底板與地基接觸的邊緣處，需要注意的是并非全部接觸面都會產生最大位移，僅僅在底板中央位置以及邊緣位置產生最大位移。同時，水閘后方的地基，也出現大面積的較大位移變化。y軸方向的位移，閘室整體的位移并不大，位移最大值出現在地基最底部，尤其是閘室正下方。主要的原因是由于閘室的自重以及地基的自重，地基最深的地方，其y軸方向的位移最大。由于閘室本體Y軸方向位移不大，故不會影響水閘的正常運行。而地基最底部的最大位移并沒有超過150mm，滿足地基沉降的位移要求。

4.3 校核洪水擋水期計算結果

應力結果分析：對第一主應力進行分析，其較大值出現在上游閘墩底部，以及下游閘墩底部。應力大的主要原因為閘墩本身的承重問題，對于上游，還存在水壓力的問題，最主要是由于應力的集中現象使此處應力達到最大值，為1.67MPa，故閘墩下端邊緣處在實際建設使需要著重進行相關設計或者采取對應的措施。其次，應力較大位置還有排架的部分位置，主要是由于排架的承重問題，以及自身的形變產生的應力集中現象，排架的底部尤其需要注意，應該采取墊層等設計措施。最大值出現在閘門底部，為3.4MPa，主要原因是閘門的變形引起的應力集中現象。

第三主應力方面，較大值產生的位置也位于閘門的不同部位，不同的是，壓應力最大值位于閘門中央部位，其次是閘墩底部上下游邊緣處。故在對閘墩底部進行處理時，尤其要注意邊墩下邊緣的強化處理。

位移結果分析：z軸方向的位移，最大值出現在上下游地基與閘室底板接觸處的中央處與邊緣處。需要注意的是，此處是地基的變形，而非閘體的變形。故此處地基可能產生較大問題，在實際設計與建設中，需要對此處地基進行額外的加固處理。y軸方向的位移，校核期位移情況與設計期的位移情況近似，最主要的閘體本身會產生向下的位移，但是位移值并不大，滿足設計的要求。由圖可以看出，閘體所在位置的地基位移變化梯度明顯比其他位置的地基位移變化梯度大，而位移的最大值同樣出現在所建模型的地基最底部，原因是閘體整體的重力作用，不過對地基的影響也在設計允許的范圍之內，不會對地基本身產生大的破壞效果。

5 結語

本文使用了ANSYS軟件分析了水閘在其最危工況下的位移與應力，可以得出較為準確的結果。結合相應的位移安全標準與應力標準，可以初步評價閘體的安全水平。使用ANSYS命令流進行設計，設計過程會簡便許多，方便修改，得到最好的設計方案。

ANSYS軟件對于水閘設計具有一定的實用性，所得結果具有一定參考性，結合傳統設計計算與實際建設計劃、當地特有的地質條件，得出最為正確的方案。

本文只對水閘最危工況的設計、校核兩種工況進行了應力、位移分析，并沒有考慮特殊情況，如溫度應力的影響、地震荷載的影響。需要分別對此二者進行分析，再將結果進行疊加，可得出水閘的全面分析結果。