基于ANSYS有限元軟件的船閘下閘首結(jié)構(gòu)三維非線性分析

文訓(xùn)科，鄧方明，張有林

(1.四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，成都 610017；2.四川岷江港航電開發(fā)有限責任公司，樂山 614000)

閘首作為船閘重要水工建筑物，其受力情況極為復(fù)雜，既有平行于船閘軸線方向的縱向荷載，如上下游水壓力，又有垂直于船閘軸線的橫向荷載,如墻前水壓力、墻后土壓力，還有由閘門傳來的巨大集中荷載，另外還有平行于重力方向的墻體自重、揚壓力等荷載，因此閘首結(jié)構(gòu)是一個典型的空間受力結(jié)構(gòu)[1-2]。目前關(guān)于閘首的計算方法有兩種，一種為規(guī)范[3]推薦的傳統(tǒng)計算方法，即將空間受力簡化為平面的解析計算法，一種為有限元計算法[4-5]。對于分離式閘首結(jié)構(gòu)，前一種計算方法通常將邊墩和底板分別進行計算，邊墩采用分段計算法，假定支持墻段與邊墩其他部分設(shè)縫分開，由支持墻承受全部閘門推力，按雙向彎曲公式計算，而底板則按彈性地基梁計算，這種計算方法在有限元仿真計算模型未出現(xiàn)前，有效地指導(dǎo)了閘首的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但該方法對墻體內(nèi)部應(yīng)力、空間位移以及墻后回填、基巖變形模量對墻體的影響難以定量分析。運用三維有限元軟件對下閘首結(jié)構(gòu)建模計算，對確保下閘首結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，給閘墻局部結(jié)構(gòu)處理提供參考依據(jù)具有重要意義。

對于采用有限元對船閘閘首進行結(jié)構(gòu)計算，國內(nèi)已做過諸多研究。李夫仲等、劉方瓊分別針對東淝河船閘[6]和高陂水利樞紐船閘[7]閘首結(jié)構(gòu)采用三維有限元軟件,分析研究閘首結(jié)構(gòu)在不同的工況下的位移場及應(yīng)力場，分析認為三維有限元分析能準確反映建筑物整體強度與位移狀況,可以為評價結(jié)構(gòu)安全、優(yōu)化閘首結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考依據(jù)。王麗英等采用ABAQUS有限元軟件對嘉陵江某船閘下閘首進行了結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算，并在驗證計算成果合理性的基礎(chǔ)上，探討采用解析法和有限元方法進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的優(yōu)缺點及其適用條件[8]。蘇超等提出規(guī)范算法因未考慮地基材料非線性及三維結(jié)構(gòu)的整體性對結(jié)構(gòu)計算的影響，不能較真實地模擬閘首地基整體受力變形情況，繼而使用ABAQUS軟件對某船閘下閘首進行應(yīng)力分布規(guī)律和變形特點研究，從而得出規(guī)范算法在船閘設(shè)計中總體安全富余度較大，但在閘門附近的邊墩截面和邊墩與底板交角處偏不安全[9]。本文在前述研究的基礎(chǔ)上，以東風巖船閘工程為依托，針對不同工況對下閘首采用ANSYS10.0通用計算軟件，建立三維非線性彈塑性有限元模型進行計算分析，再將有限元計算結(jié)果與傳統(tǒng)計算方法結(jié)果進行對比分析，并分析兩種方法的共性，總結(jié)用有限元計算方法計算閘首的特點及優(yōu)勢。

1 工程概況

東風巖航電樞紐位于樂山市五通橋境內(nèi)道士觀附近的岷江河段，是岷江(樂山—宜賓)干流自上而下開發(fā)的第二個梯級，樞紐正常蓄水位344.00 m，裝機容量270 MW，總庫容13 158萬m3，通航建筑物按Ⅲ級船閘設(shè)計，船閘設(shè)計水頭為10 m[10]。

表1 下閘首有限元計算材料參數(shù)表Tab.1 Material parameter of finite element calculation of lower sluice head

下閘首按2級建筑物設(shè)計，采用分離式重力式結(jié)構(gòu)，由兩側(cè)邊墩和帷墻組成，邊墩對稱于船閘軸線布置，設(shè)有輸水廊道、工作閥門井、檢修閥門井、閘閥門液壓啟閉機械及控制室、機房等，邊墩及底板基礎(chǔ)置于弱風化長石砂巖，地震設(shè)防烈度為Ⅶ度。下閘首長45 m分為兩個結(jié)構(gòu)段，其中上段17 m，下段28 m，門前段長10 m、門庫段長22 m、支持墻段長13 m，左右邊墩頂寬均為22 m，閘頂標高為347.50 m，設(shè)計建基面高程為319.50 m，墻高28 m，邊墩及底板皆采用C20砼澆筑，輸水廊道周圍1 m范圍內(nèi)采用C30砼澆筑，內(nèi)邊墩采用砂卵石回填至墻頂高程。下閘首平面布置見圖1，結(jié)構(gòu)斷面圖見圖2。

根據(jù)地勘提供的資料及相應(yīng)的地質(zhì)、地形條件，下閘首有限元計算分析中所采用的材料參數(shù)見表1所示。

另外，墻后回填砂卵石γ=18 kN/m3、砂卵石(浮)γf=10 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=35°。

2 計算及分析

2.1 計算模型的建立及計算方法

用ANSYS10.0有限元軟件建立船閘閘首結(jié)構(gòu)模型。選取下閘首段45 m、緊鄰下閘首閘室段23 m、出水口段25 m，垂直船閘軸線方向往岸側(cè)160 m、往河側(cè)150 m，選取下閘首底板以下50 m作為地基建模。模型中考慮了輸水廊道、閘門槽和結(jié)構(gòu)縫等細部結(jié)構(gòu)。模型采用笛卡爾坐標系，Z軸與船閘軸線方向一致，向下游為正，X軸垂直船閘軸線方向，向岸側(cè)為正，沿鉛垂向為Y軸，向上為正。坐標原點位于底板下邊界平面與船閘縱軸線所在平面以及閘室與下閘首交界面的交匯點。對船閘閘首結(jié)構(gòu)進行線性彈性計算，地基采用彈塑性Drucker-Prager(DP)準則進行非線性彈性計算。模型采用三維8節(jié)點或退化的4節(jié)點等參單元，閘墻與底板之間的接觸面采用接觸單元模擬，計算模型共離散18 601個節(jié)點，21 714個單元。下閘首左右兩側(cè)邊界限制x方向水平位移，上下游兩側(cè)邊界限制z方向水平位移，巖層底部邊界限制y方向位移。

下閘首整體離散模型見圖3，結(jié)構(gòu)離散模型參見圖4。

2.2 計算工況

根據(jù)下閘首的施工條件以及各種運行條件，有限元計算分析中選取以下4種工況進行計算分析。

工況1：基本組合①(完建情況)。該工況下，人字門前后均無水，墻前墻后也無水。主要荷載有：墻體自重、墻后土壓力，土壓力按靜止土壓力計算。

工況2：基本組合②(運行工況)。該工況水位為：上游為正常擋水位344.00 m，下游為最低通航水位334.00 m，水位差10 m。主要荷載有：墻體自重、閘門推力、上游水壓力、下游水壓力、墻后土壓力、墻前及墻后水壓力、揚壓力等，土壓力按靜止土壓力計算。

工況3：基本組合③(檢修情況)。該工況下，上下游檢修閘門均放下，人字門前后均無水，支持墻后水位為檢修水位336.0m，墻前水位與墻底齊平。主要荷載有：墻體自重、墻后土壓力、墻后水壓力、揚壓力等，土壓力按靜止土壓力計算。

工況4：特殊組合(運行期地震情況)。地震烈度按Ⅶ度考慮，水位為：上游為正常擋水位344.00 m，下游為最低通航水位334.00 m，水位差10 m。主要荷載有：墻體自重、閘門推力、上游水壓力、下游水壓力、墻后土壓力、墻前及墻后水壓力、揚壓力、地震慣性力、地震土壓力等，土壓力按地震土壓力計算。

在各工況水壓力計算中，揚壓力系數(shù)取值如下：浮托力系數(shù)α1=1.0，滲壓力折減系數(shù)α2=0.5，墻后水壓力折減系數(shù)α3=1.0，結(jié)構(gòu)縫內(nèi)水壓力折減系數(shù)α4=0.5。

2.3 荷載簡化及加載

下閘首靠岸側(cè)按實際地質(zhì)圖設(shè)立邊坡，邊坡與閘首邊墩之間的回填土作用采用近似外荷載代替，即往邊坡上施加豎向分布力，往閘首邊墩上施加梯形分布的水平力。作用在閘門上的門前水壓力換算成沿高程變化的人字門推力，作用在下閘首支持墻上。揚壓力和水壓力按梯形分布荷載考慮，地震慣性力按集中力考慮，地震水壓力按梯形分布荷載考慮。

采用分步加載方式模擬閘首的實際受力情況。首先，對地基施加重力進行初始地基應(yīng)力分析，其后對閘首建筑物施加邊墩自重等重力荷載，隨后在建筑物和地基上施加土壓力，再根據(jù)不同工況施加閘門推力、揚壓力、水壓力。在結(jié)構(gòu)計算過程中，還考慮了船閘運行時遭遇地震的特殊工況，以瞬時荷載的形式將地震荷載施加到實體模型上，模擬結(jié)構(gòu)遭遇地震時的變形和位移。

2.4 計算結(jié)果及分析

根據(jù)上述4種工況進行有限元計算分析，各工況下的位移云圖如圖5～圖13所示，下閘首的位移、應(yīng)力值如表2所示。

工況1：

工況2：

圖7 下閘首門槽處拉應(yīng)力云圖Fig.7 Nephogram of tensile stress at gate slot of lower lock head

工況3：

工況4：

表2 各工況下閘首位移、應(yīng)力值最大值Tab.2 The maximum value of head displacement and stress under various working conditions

通過位移和應(yīng)力云圖可以得出以下結(jié)論：

(1)在完建工況下，下閘首輸水廊道壁的拉應(yīng)力接近0.35 MPa，此部位在進行結(jié)構(gòu)配筋時應(yīng)充分考慮該拉應(yīng)力影響；對于壓應(yīng)力而言，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在外邊墩的墻腳處，其值約為3.3 MPa；基巖Y向最大正壓應(yīng)力出現(xiàn)在閘首臨河側(cè)的兩段墻體的結(jié)構(gòu)逢處，其值約為1.01 MPa；閘首最大沉降出現(xiàn)在外側(cè)兩段支持墻的結(jié)構(gòu)縫處，其值約為1.2 cm；兩段支持墻體的相對位移小于結(jié)構(gòu)縫寬度2 cm，符合建模條件即未在此結(jié)構(gòu)縫設(shè)置接觸單元，兩段墻體不存在力的直接相互作用。

(2)在正常運行工況下，下閘首的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力，水平向正應(yīng)力和豎向正應(yīng)力的分布及其出現(xiàn)的部位與完建工況下大體相當,其中最大壓應(yīng)力為3.0 MPa，主拉應(yīng)力有所增加，廊道壁的混凝土的拉應(yīng)力略有減小。對于基底壓應(yīng)力而言，最大值仍然出現(xiàn)在兩段支持墻結(jié)構(gòu)縫處，但小于完建工況，其最大值為0.95 MPa。

對于正常運行工況來說，在閘門與門槽作用點處最大拉應(yīng)力達到了0.45 MPa，而C20素混凝土的最大抗拉強度設(shè)計值為1.1 MPa，如果此處的混凝土長期處于這樣受拉的應(yīng)力狀態(tài)，將會很快出現(xiàn)裂縫，影響整個結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。因此，在正常運行工況下下閘首門槽處的混凝土設(shè)計應(yīng)采取配筋等相應(yīng)的加固措施。

(3)在檢修工況下，下閘首的最大拉壓應(yīng)力、水平向應(yīng)力、豎向應(yīng)力和Mises應(yīng)力的分布規(guī)律與正常和完建工況基本相同，基底最大豎向應(yīng)力值為1.05 MPa。在變形上，檢修工況下的最大變形相對其他兩種工況略小，最大沉降為1.1 cm。

(4)在地震工況下，下閘首的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力，水平向正應(yīng)力和豎向正應(yīng)力的分布及變形與正常運行工況下大體相當,其中最大壓應(yīng)力為4.2 MPa，閘首結(jié)構(gòu)上的主應(yīng)力均大于其他各工況，主要是因為在地震工況下水平地震加速度對墻體的作用。地基頂面的最大壓應(yīng)力值1.19 MPa,未超出地基承載力特征值；地基豎向沉降達到了1.6 cm。

(5)各工況下，X向位移較小，地震工況下X向位移最大，其次為檢修工況，再次為完建工況，運行工況X向位移最小；Z向位移較X向位移更小，Z向位移在基本組合工況下最大位移為3 mm，地震工況下也僅為5 mm，小于結(jié)構(gòu)縫寬度2 cm；下閘首綜合位移最大值出現(xiàn)在內(nèi)邊墩頂面臨河側(cè)，下閘首基底應(yīng)力最大值出現(xiàn)在外邊墩底面臨河側(cè)。

3 與傳統(tǒng)計算方法結(jié)果的比對分析

采用了規(guī)范建議的分段計算法，即由支持墻承受全部閘門推力對下閘首內(nèi)外邊墩進行了結(jié)構(gòu)計算，因外邊墩未承受墻后土壓力，工況一、工況三計算結(jié)果偏安全，因此僅對工況二、工況四進行了結(jié)構(gòu)計算。抗滑安全系數(shù)采用的沿船閘軸線方向和垂直船閘軸線方向合力與摩擦力進行計算，抗傾安全系數(shù)采用垂直船閘軸線方向進行計算。具體計算結(jié)果如表3。

表3 各工況下閘首內(nèi)外邊墩計算結(jié)果表Tab.3 Calculation results of inner and outer side piers of lock head under various working conditions

根據(jù)表2、表3指標及數(shù)據(jù)比對可以看出，有限元計算方法主要通過位移來控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，傳統(tǒng)計算方法則主要通過抗滑和抗傾來控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，對于地基承載力則都是通過應(yīng)力來控制，與傳統(tǒng)計算方法相比，有限元計算方法較好地解決了基巖變形模量對結(jié)構(gòu)的影響，且可為閘首局部結(jié)構(gòu)處理提供設(shè)計參考依據(jù)。雖然兩種計算方法表征結(jié)構(gòu)安全的指標有所區(qū)別，但趨勢基本相同，對于垂直船閘軸線方向的位移以運行期地震工況最大，檢修工況次之，再者為完建工況，運行工況位移最小；同樣基底應(yīng)力各種工況計算結(jié)果趨勢基本相同，即各點最大壓應(yīng)力運行期地震工況最大、檢修工況次之、再者為完建工況、運行工況壓應(yīng)力最小，且基底最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力均滿足結(jié)構(gòu)要求。通過有限元計算結(jié)果與傳統(tǒng)計算方法比對復(fù)核后發(fā)現(xiàn)，本次船閘下閘首結(jié)構(gòu)尺度設(shè)計是較為合理的。

4 結(jié)語

(1)本文對下閘首采用三維非線性有限元法進行了結(jié)構(gòu)計算，分析研究了閘首結(jié)構(gòu)和巖體基礎(chǔ)的位移、應(yīng)力分布規(guī)律，通過將有限元計算結(jié)果與傳統(tǒng)計算方法結(jié)果比對分析可知，有限元計算方法能有效驗證船閘閘首結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定及設(shè)計尺度的合理性，并為控制結(jié)構(gòu)最大沉降、局部配筋處理提供參考依據(jù)；(2)鑒于采用有限元方法計算閘首結(jié)構(gòu)能在傳統(tǒng)計算方法的基礎(chǔ)上定量分析結(jié)構(gòu)最大沉降，并為結(jié)構(gòu)局部配筋等提供設(shè)計參考依據(jù)，建議采用有限元計算方法作為閘首結(jié)構(gòu)計算的補充方法，從而彌補傳統(tǒng)計算方法在局部結(jié)構(gòu)處理、地基變形模量對結(jié)構(gòu)影響考慮不足等缺點；(3)對于基礎(chǔ)放置在基巖的分離式下閘首結(jié)構(gòu)，當內(nèi)邊墩回填至墻頂時，運行期地震工況為整體穩(wěn)定控制工況，且該工況下地基沉降最大，考慮到基底應(yīng)力在地震工況情況下可將地基承載能力提高1.5倍作為容許值，因此，檢修工況為基底最大壓應(yīng)力的控制工況。