基于Midas仿真優化的蘇州河泄流孔加固結構設計優化分析研究

司黎晶，何妙妙，馮淑琳，王子凱

（1.鎮江市工程勘測設計研究院有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.吳中區水務局，江蘇 蘇州 215104）

水工結構設計水平決定了工程安全穩定運營的長久性，而水工設計需經多次優化，獲得最佳設計方案，取得最適配工程的設計參數，工程竣工后運營安全與成本才屬最優。為此，李寧霄、施得兵等、陳斌等利用物理模型試驗理論，按照實際工程設計方案進行原模復制，在室內建立水工模型，加以相應的運營工況荷載，完成結構設計方案的比選優化，為工程設計提供實踐參考。另有一些學者參照已有工程設計方案，基于現有工程的長期運營監測，判斷設計方案利弊性，綜合考慮擬建工程的適用性，這也是工程設計優化的一種重要手段。無論是物理模型試驗方法還是運營監測已有工程方案，比選優化成本較高、周期較長，因而數值仿真手段逐步得到廣泛應用。寧威鋒、楊海全、龐敏敏利用ABAQUS、ANSYS 或者 COMSOL 多物理場仿真平臺等，完成有限元模型靜、動力場特征計算分析，進而獲得設計參數與水工結構間關系，最終判斷適合水工結構的最佳方案。本文根據蘇州河口下游泄流閘孔鋼加固結構設計優化問題，利用Midas 仿真平臺進行設計方案優化分析，為工程設計提供計算依據。

1 工程仿真

1.1 工程概況

為提升蘇州河下游泄流能力，河口建有一泄流閘，承擔著地區防洪、排澇及水位控制作用。目前，水閘最大工作流量285 m3/s，閘前泥沙淤積較嚴重，河水最大含沙量達8.5 kg/m3，水閘運營暢通性受限較嚴重，閘門最大開度僅為原設計的65%，閘室底板高度由原26.5 m 降低至21.8 m，水閘工作能力及性能均受削弱。根據分析得知，該水閘閘頂高程為65.8 m，為多孔式泄流設計，布設有寬度6.8 m 的攔污柵，采用預應力閘墩作為支撐結構。原設計單孔泄流量155 m3/s，泄流孔凈寬2.8 m，采用彎拱式結構，以排柱作為支撐系統，拱腳與拱頂長度為1.8 m，截面最大高度差為0.4 m。采用弧形鋼閘門，直徑2.6 m，有限元模擬計算結果表明該閘門靜力工況下最大位移15.8 mm，抗滑移能力較弱。由于運營年限較長及上游泥沙淤積嚴重，河口水閘出現水流紊動，局部泄流孔出現險情，經運營水位下模擬計算得知，泄流孔中水頭壓力分布變化較大，局部易出現渦流等現象，滲流場較活躍，對水位調度、水流控制等均帶來較大影響，考慮對該泄流閘孔進行加固設計。根據模擬仿真計算得知，閘前攔污柵最大拉應力1.85 MPa，以沉降方向位移最顯著，可達15.8 mm，滲流場中浸潤線可達柵墩中部，局部滲透坡降較高達0.35；而根據泄流孔水工結構動力響應計算得知，孔頂出現較大拉應力，超過2 MPa。閘孔中部滲流場較活躍，設計水位工況下浸潤線高度位于孔側壁中部位置，泄流閘孔平面如圖1 所示。水閘泄流孔與閘門在靜載下呈現較大變形、拉應力特征，對結構穩定性不利，工程管理部門考慮對河口水閘進行鋼結構加固，在閘門及泄流孔壁設置連系梁鋼結構，并開展優化分析，以提升水閘運營穩定性。

圖1 泄流閘孔平面現狀

1.2 工程仿真模型

為便于分析，給出河口水閘泄流孔加固后立面設計圖，閘室地基視為剛體，加固鋼結構截面設計為矩形，高、寬參數是設計優化重點，如圖2 所示。利用Midas 仿真計算平臺建立泄流孔加固后有限元模型，如圖3 所示，劃分網格共獲得125 826 個微單元體，節點數85 684個。模型底部為多向約束，無自由度，而頂部為單向約束，僅有1個水平向自由度，上、下游均為自由邊界，各部分結構物理力學參數均按照實際取值，巖土體參數按照地勘試驗報告實測值。計算模型中X、Y、Z 正向分別為順水流向、閘室垂直向上和水流橫向右岸。基于上述工程資料與仿真模型，采用Midas 平臺進行加固鋼結構截面體型設計參數優化分析。

圖2 河口水閘泄流孔加固后立面設計

圖3 加固后泄流孔有限元模型

2 鋼結構橫梁高度設計參數優化分析

為分析鋼結構橫梁體型設計參數對泄流閘孔影響，在保證橫梁高度不超過跨距1/4 前提下，設計橫梁高度對比方案分別為1 m（A 方案）、1.1 m（B 方案）、1.2 m（C 方案）、1.3 m（D 方案）、1.4 m（E 方案）、1.5 m（F 方案），縱梁截面尺寸為1.2 m×1 m，橫梁其他設計參數均保持一致，計算不同方案下泄流閘中閘門、泄流孔壁及縱梁3個關鍵部位應力特征。

2.1 拉應力特征

根據不同方案應力計算，獲得橫梁高度影響下最大拉應力變化特征，如圖4 所示。

圖4 橫梁高度影響下最大拉應力特征

從圖4 可知，3 個關鍵部位中縱梁上拉應力最大，在橫梁高度1.1 m 方案中該部位最大拉應力可達3.3 MPa，而此時孔壁、閘門上拉應力相比前者分別降低了15%、46.7%。在各設計方案中縱梁拉應力與孔壁間差幅達13.7%～24.7%，與閘門上差幅達46.5%～1.2 倍，即改變橫梁截面體型，結構張拉危險面易出現在縱梁部位上，應系統性協調橫、縱梁體型，確保在加固鋼結構中不出現潛在張拉破壞面。對比不同橫梁高度參數設計方案中關鍵部位最大拉應力變化可知，縱梁、孔壁上最大拉應力隨高度遞減變化，在橫梁高度1 m時孔壁上最大拉應力為3.35 MPa，而高度1.2、1.4、1.5 m 時拉應力分別降低30.4%、38.7%、38.9%；從拉應力降幅來看，橫梁高度增大0.1 m，孔壁最大拉應力平均降低9.1%，但從降幅變化來看，主要集中于高度1～1.3 m 區間內，該區間內孔壁拉應力平均降幅為15.6%，而在高度1.3～1.5 m區間內降幅平均值僅為1%，即隨橫梁高度增大，雖結構拉應力受抑制，但抑制效應呈逐漸減小態勢。與孔壁部位類似，縱梁最大拉應力在高度參數1～1.3、1.3～1.5 m 區間內的平均降幅分別為12.3%、1.6%，表明橫梁高度在1～1.3 m 區間內即有顯著的張拉抑制效應，且有利于控制結構建造成本。與前兩關鍵部位不同的是，閘門最大拉應力受橫梁高度參數影響較小，各設計方案中均穩定在1.7 MPa，最大波動幅度僅為0.6%，且均低于結構安全允許值。從方案優選性考慮，當橫梁高度為1.3 m時，閘門、泄流孔壁及縱梁3 個關鍵部位上最大拉應力分別為2.6、2、1.62 MPa，未超過安全臨界值，且加固結構對河口泄流閘孔張拉威脅抑制效果較佳。

2.2 壓應力特征

從各計算方案應力結果中提取關鍵部位上最大壓應力，橫梁高度參數影響下最大壓應力變化特征如圖5 所示。從圖5 看出，壓應力最大部位屬孔壁，在高度1.1 m方案中孔壁最大壓應力為13.5 MPa，而縱梁、閘門壓應力相比前者分別下降21.8%、62.4%。在各設計方案中孔壁壓應力與縱梁、閘門部位間的差幅分別達17%～41.5%、1.1～2.33 倍，因而孔壁部位受預壓效果最顯著。當橫梁高度增大后，孔壁、縱梁最大壓應力均遞增變化，在高度1 m 時縱梁最大壓應力為7.6 MPa，而高度1.3、1.5 m 時最大壓應力相比1 m 增長了85.3%、91.2%，當橫梁高度增大0.1 m縱梁最大壓應力平均增幅為14.7%，但在高度參數1～1.3 m 區間內縱梁最大壓應力平均增幅達24.2%，而超過1.3 m 后壓應力最大增幅僅為2.6%，即預壓效果最好方案應在區間1～1.3 m 內。對于孔壁部位來說，在高度1～1.3 、1.3～1.5 m 區間內，其最大壓應力的平均增幅分別為16.2%、0.97%，表明孔壁部位預壓抗失穩能力變化與縱梁上基本一致，確定橫梁高度參數在區間1～1.3 m 更適宜。閘門壓應力變化與拉應力變化類似，各設計方案中均穩定在5.1 MPa，表明橫梁高度參數改變，對閘門上拉、壓應力特征影響較小，而對孔壁、縱梁產生顯著影響。從優化方案考慮，橫梁高度1.3 m時結構拉、壓應力特征俱佳，為最優方案。

圖5 橫梁高度影響下最大壓應力特征

3 鋼結構橫梁寬度設計參數優化分析

同理，在不影響結構跨距參數前提下，設定鋼結構橫梁寬度參數分別為1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5 m，縱梁截面體型保持一致，計算不同方案中關鍵部位應力特征。

3.1 拉應力特征

不同設計方案計算獲得關鍵部位最大拉應力變化特征，如圖6所示。

圖6 橫梁寬度影響下最大拉應力特征

從圖6看出，3個關鍵部位最大拉應力隨寬度參數變化趨勢基本一致，均呈先減后增變化。以縱梁部位為例，在寬度1 m 時其最大拉應力為2.72 MPa，而寬度增大至1.2 m 拉應力較前者降低了43.8%，而在寬度1.3、1.5 m 時其拉應力較1.2 m 又分別上升了13.3%、51.9%。3 個關鍵部位拉應力最小均為寬度1.2 m 方案，該方案下閘門、泄流孔壁及縱梁最大拉應力分別為1、1.25、1.52 MPa，滿足安全要求。從應力變化特征考慮，當寬度參數在1～1.2 m 區間時，閘門、泄流孔壁及縱梁最大拉應力降幅分別為17.8%、22.7%、25.1%，該區間內寬度參數愈大，對結構張拉作用抑制效果愈佳；而在寬度1.2～1.5 m區間內，3個部位最大拉應力平均增幅分別達17.4%、14.9%、15%，結構張拉作用增強，泄流閘孔受張拉破壞危險性加大。從結構安全性考慮，橫梁寬度參數應盡可能不超過1.2 m，以削弱結構拉應力發展趨勢；從最優設計方案考慮，當橫梁寬度1.2 m時拉應力處于最低，結構抗拉效果最佳，滿足結構抗拉特性要求。

3.2 壓應力特征

橫梁寬度參數影響下關鍵部位最大壓應力變化特征，如圖7所示。由曲線變化關系可知，橫梁寬度參數與3 個部位最大壓應力具有二次函數關系，寬度1.2 m 時各部位壓應力最大，閘門、泄流孔壁及縱梁分別為8.3、14.2、11.2 MPa。當寬度參數在1～1.2 m區間時，寬度1.2 m 孔壁最大壓應力相比寬度1、1.1 m 分別上升了33.6%、10.4%，3 個部位最大壓應力在該區間內平均增幅分別為40.3%、15.7%、19.9%，泄流閘抗失穩傾覆性能逐漸提升，直至寬度1.2 m 時達到最強。當寬度超過1.2 m 后，各關鍵部位最大壓應力均遞減，閘門在寬度1.3、1.5 m 時壓應力相比1.2 m 分別下降7.3%、51.2%，閘門、孔壁及縱梁在寬度1.2～1.5 m 區間內壓應力平均降幅20.7%、12.7%、16.4%。當寬度1.2 m 時，泄流閘孔預壓效果最佳，抗失穩滑移性能最穩，而抗拉能力亦最優，為橫梁寬度參數最佳方案。

圖7 橫梁寬度影響下最大壓應力特征

4 結論

（1）拉應力最大部位為縱梁，不同高度設計方案其與孔壁、閘門上拉應力差幅分別為13.7%～24.7%、46.5%～1.2 倍；縱梁、孔壁部位最大拉應力隨高度參數增大遞減，但在高度1.3 m 后降幅減小，兩部位在高度1.3～1.5 m 區間降幅僅為1.6%、1%；各設計方案中閘門拉應力均穩定在1.7 MPa。

（2）壓應力最大部位為孔壁；孔壁、縱梁最大壓應力隨高度參數增大遞增，高度1～1.3 m 區間內兩部位最大壓應力平均增幅達16.2%、24.2%，超過1.3 m后增幅較小；隨高度參數增大，閘門最大壓應力均穩定在5.1 MPa。

（3）關鍵部位最大拉應力隨寬度參數增大呈先減后增變化，拉應力最小均為寬度1.2 m方案，閘門、孔壁及縱梁最大拉應力分別為1、1.25、1.52 MPa；寬度參數與最大壓應力具有二次函數關系，寬度1.2 m時各部位壓應力最大，寬度1.2～1.5 m 區間內關鍵部位壓應力平均降幅分別為20.7%、12.7%、16.4%。

（4）綜合拉、壓應力特征，橫梁高度1.3 m、寬度1.2 m時為加固結構最優設計方案。