基于ANSYS的不同工況對閘室結構應力影響分析

李 參，劉宗柏，李 娟，任澤儉，祁寶奎

( 1.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109；2.水發工程咨詢集團(山東)有限公司，山東 濟南 250109)

水閘的安全穩定關乎下游人民的生命財產安全，在大多數的水閘失事中，一方面閘室的側移和滑動是導致其發生破壞的原因，另一方面在不同工況下，尤其是非正常工況下，閘體結構應力的破壞也是導致水閘失事的關鍵原因。為了使不同工況下閘室結構都能滿足結構應力的要求，同時為了盡可能的節省成本，需要采取合理的水閘結構設計。同時，在常規的計算中，為了得到某水閘結構部位的確切應力值，需要進行大量的運算，若是要尋找最可能的結構破壞點，則更是難上加難。在無法進行全面計算時，已有數據的準確性也大大下降，不利于水閘結構應力計算。因此，為了使水閘結構的安全性，可以通過計算不同的工況，通過Ansys軟件對水閘結構應力進行綜合理分析，指出不同工況對水閘結構安全的影響，為工程設計和施工提供理論依據。

1 計算原理

1.1 三維立體圖形的創建

為防止水閘結構圖在CAD中建模，然后將其導入ANSYS中會出現幾何不協調等問題，本次水閘閘室的抗震應力復核模型在ANSYS中直接建立。通過創建并編號關鍵點，連接形成線，通過閉合的線形成面域，最后運用布爾操作等形成空間立體幾何圖形。

本次模型的建立所采用的坐標系為笛卡爾直角坐標系，取順水流方向為X軸正方向，鉛錘向上為Y軸正向，垂直水流方向指向右岸為Z軸正方向。根據相關的研究資料可知，地基尺寸的大小對于有限元計算結果有一定的影響，所以進行空間模型的建立時，應當在根據實際情況的基礎上考慮如何使計算結果更加切合實際，從而選取合適的地基尺寸。

1.2 材料的選擇及單元的創建

考慮到水閘閘室的組成部分較多以及閘室結構的空間復雜性較大，該有限元模型的網格剖分采用四面體網格。網格的剖分使用自由網格劃分并通過使用Smartsize進行網格劃分大小的控制，網格劃分水平值設置為4。閘室上部結構和地基土體分別采用SOLID65和SOLID185單元。

2 有限元模型

2.1 基本資料

以淮河第二大支流上的DS樞紐工程的SK閘閘室為研究對象，SK閘閘室為直升門胸墻式結構，單孔凈寬8m，共4孔，順水流方向閘室長18m，閘身總長136m，閘底板高程26.54m，池底總長28m。消力池為鋼筋混凝土結構。其具體結構如圖1—2所示。依據地震動參數區劃圖，查得該樞紐工程區域所處的位置地震動峰值加速度增大為0.10g，相應的地震基本烈度為Ⅶ度。

圖1 SK閘閘室橫剖面圖

圖2 SK閘閘室縱剖面圖

該水閘各部分材料相關參數見表1。

表1 閘室材料相關物理參數表

2.2 模型及單元的創建

本次有限元模型中的地基尺寸選取的范圍是閘室左右岸各延伸閘室垂直水流方向的長度，即各延伸22.3m；上下游方向各延伸閘室順水流方向的長度，即18m；地基深度采用1.5倍閘墩高度，即14m。在有限元軟件中建立的簡化模型如圖3所示。該三維模型共創建1411個關鍵點、39塊實體結構、399個面、929條線。

圖3 水閘閘室簡化模型圖

圖4 有限元網格劃分模型圖

結合表1相關數據，可以主要設置3種材料，分別用于閘室底板及以上混凝土構件、地基土體以及閘門。模型共創建69381個節點，333653個單元。其中閘室包含63792個節點，306685個單元；地基包含5589個節點，26968個單元。該模型所受的約束主要有地基四周的法向鏈桿(水平面)約束，地基底部的全部約束。網格劃分模型如圖4所示。

2.3 計算荷載及工況

本次使用有限元軟件進行水閘的抗震安全復核所采用的工況為組合工況：正常蓄水位(上游水位34.84m，下游水位26.34m)，加Ⅶ度地震(峰值加速度為0.10g)，該場地類別為二類，特征周期經過查規范確定為0.3s。

2.4 模態分析及反應譜求解

按照《水閘設計規范》(SL 265—2001)推薦的振型分解反應譜分析方法，通過蘭索斯分塊法提取并列出了前18階的自振頻率見表2，水閘閘室基頻為2.716Hz，其自振周期為0.368。

該水閘樞紐抗震設防烈度為Ⅶ度，場地類別經查相關規范為Ⅱ類，地震加速度a=0.1g，特征周期為Tg = 0.3s，水閘的反應譜最大代表值βmax=2.25，阻尼比ζ=0.05。由第二節模態分析提取出的各階頻率計算出相應的周期，再按照規范給定的反應譜圖進行計算，可以得到得出每階的反應譜值。

表2 水閘前8階自振頻率

3 結果分析

閘室總體結構垂直河流向比順河流向變形更為明顯，但是基于地震方向未知，故分別考慮閘室結構受水平X向地震力(即順河流向水平地震力)和水平Z向地震力(即垂直河流向水平地震力)的作用，各類地震加速度大小均為a=0.1g。將兩次計算的結果及正常蓄水位的計算結果運用第一強度理論與混凝土的抗拉抗壓規范允許值進行對比，得出應力復核結果；通過分析閘室各部分的總位移最大最小值以及出現的部位，判斷是否滿足規范要求從而得出位移復核結論。為便于整理數值，地震工況應力及位移僅取合并模態后前五階有效振型的計算結果。正常工況及地震工況見表3—5。

4 結論

采用三維數值有限元的方法，建立水閘整體有限元模型，并進行正常蓄水位工況下和地震工況下的結構應力計算，結果表明：正常蓄水位工況下，閘室及上部結構應力較小，應力均滿足規范要求。地震工況下，閘室頂部排架柱根部容易出現較大拉應力，但是考慮地震折減系數后，仍可以滿足混凝土強度值。垂河向水平地震力對于閘室及上部結構會產生更大的影響，在條件允許情況下，應采取措施，盡量降低頂部排架柱高度或減少頂部載重以增強閘室及上部結構垂河向的剛度。

表3 閘室及上部結構應力計算表

表4 閘室及上部結構應力計算表(垂直水流方向)

表5 閘室及上部結構應力計算表(順水流方向)