有限元法在大跨度船閘結構內力分析中的應用

俞佩斯　潘炳成　葉居東　吳淑芬

摘 要：針對大跨度船閘結構剛度差異較大、荷載分布不均勻的特點，采用傳統(tǒng)結構力學方法進行簡化分析可能存在一定誤差。本文結合寧波某大跨度船閘工程實例，采用有限元軟件對船閘閘首結構進行數(shù)值仿真分析，研究閘首結構的應力、變形。研究結果表明，有限元法能直觀反映出船閘閘首各部位的應力、變形分布規(guī)律，同時經(jīng)應力積分得到的內力成果可直接用于配筋計算，為類似復雜水工結構的精細化設計提供參考。

關鍵詞：大跨度船閘;有限元;結構內力

中圖分類號：TV691文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）15-0052-04

Abstract： In view of the big difference of stiffness and uneven load distribution of large-span ship lock structure， there may be some errors in the simplified analysis by traditional structural mechanics method. In this paper， combined with a large-span ship lock project in Ningbo， the finite element software was used to carry out numerical simulation analysis of the lock head structure， and the stress and deformation of the lock head structure were studied. The results show that the finite element method can intuitively reflect the stress and deformation distribution of the various parts of the lock head. At the same time， the internal force results obtained by stress integration can be directly used for reinforcement calculation， which provides reference for the fine design of similar complex hydraulic structures.

Keywords： large span locks;finite element method;internal force of structure

由于船閘結構形式的復雜性和荷載分布的不均勻性，船閘各部位的結構受力狀態(tài)差異較大，因此，采用合理方法進行船閘結構內力分析，是保證船閘結構安全性的關鍵[1-2]。而船閘閘首作為船閘工程的關鍵部位，結構形式多樣，設備較多，受力狀態(tài)十分復雜，又是克服水頭的主要建筑物，因此閘首結構的安全穩(wěn)定是整個船閘正常工作的保證，是設計的難點[3]。有限元法能反映閘首各部位的共同作用和相互影響，也可以考慮結構的不規(guī)則外形和復雜荷載的影響，能夠更真實地反映其受力特性[4]。

1 工程概況

本文以寧波某大跨度船閘作為工程實例。該工程等別為Ⅱ等，船閘為500 t級Ⅳ級船閘，相應閘首、閘室建筑物級別為3級，導航、靠船建筑物級別為4級，位于擋水前沿的外海側閘首級別與海堤一致，為2級。

1.1 外海側閘首

平面尺度為45 m×34 m（順水流向×垂直流向），其中口門寬12 m，單側邊墩寬為12.0 m。底板頂高程為-4.7 m，底板厚為3.0～1.5 m，邊墩頂高程為8.40 m。本閘首縱向分為兩塊，分別為閘門段和旋轉鋼橋段。其中，閘門段長31 m，寬34 m，頂高程至8.40 m，布置擋潮閘門、工作閘門等;旋轉鋼橋段長14 m，寬34 m，頂高程至8.40 m，布置檢修閘門槽、旋轉鋼橋等。

1.2 內港側閘首

平面尺度為35 m×32 m（順水流向×垂直流向），其中口門寬12 m，單側邊墩寬10.0 m。底板頂高程為-4.7 m，底板厚度3.0～1.5 m，邊墩頂高程4.60 m。布置有工作閘門、輸水廊道、檢修閘門槽等。

2 閘首有限元模型的建立及求解計算

2.1 三維有限元模型的建立

船閘閘首分為上閘首與下閘首，其中上閘首在順水流方向設置了分縫，因此，上閘首需要分成兩個獨立的部分（外海側船閘部分和外海側空箱部分）建模計算。如圖1所示，根據(jù)CAD平面、立面圖進行ANSYS建模，閘室結構塊體部分采用實體單元（SOLID45），樁基礎使用彈簧單元（COMBIN14），模擬模型左側回填土導致的負摩阻力使用表面效應單元（SURF154）。

2.2 計算工況及荷載

對船閘結構進行應力分析，考慮4個不同的計算工況，其對應的船閘特征水位如表1所示。

對于表1所列的各計算工況，其荷載計算應包括下列內容：建筑物自重及水重力，內部或上部填料重力;土壓力;靜水壓力;閘門、閥門、啟閉設備及其他設備重力;揚壓力;船舶荷載;活荷載;波浪力;水流力;地震力;其他。

3 計算成果分析

3.1 有限元計算成果

有限元計算成果主要包括應力和位移，將上閘首、下閘首各工況最大主拉應力和豎向位移的計算成果列出，結果采用國際標準單位。船閘上閘首和下閘首在各工況下，最大主拉應力均分布在底板上，其余部分的應力水平非常低（最大主拉應力小于0.5 MPa），可直接按照構造配筋要求進行配筋。除上閘首船閘部分外，底板應力分布表現(xiàn)為引航道處上表面最大，兩側邊墩下方底板應力水平較低;而上閘首船閘部分卻有所不同，最大主拉應力分布在消力池處底板下表面加厚部分，體型突變導致應力集中，因此，在加厚部分的“尖角處”產(chǎn)生了較高的主拉應力，不過該區(qū)域很小，除去加厚部分，底板其余各處的應力分布類似船閘下閘首部分。同時，可以從豎向位移分布情況看出：在各工況下，結構整體位移向下，而引航道處底板相比兩側有向上隆起的現(xiàn)象，這也導致該處上表面附近出現(xiàn)了不同水平的拉應力。引航道處底板除了部分區(qū)域因形狀突變出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象外，其大部分區(qū)域的應力水平較低，因此，對底板配筋不能直接根據(jù)最大主拉應力，應當選取適當寬度（1 m）的截面，對該截面的應力進行計算，計算該截面的彎矩，按此方法對截面進行配筋。

3.2 船閘閘室底板配筋計算

基于有限元計算結果，在平行于水流和垂直于水流方向每隔一定寬度選擇配筋截面，分別通過垂直水流方向和平行水流方向應力積分得到各截面的彎矩。計算結果表明：垂直水流方向截面所受正彎矩和負彎矩均很小，即底板平行水流方向縱筋可直接按構造配筋處理;平行水流方向截面所受負彎矩無論數(shù)值還是分布范圍都很小，則底板垂直水流方向底部縱筋也可直接按照構造配筋處理，對于該方向頂部，需要按規(guī)范配置受拉縱筋。因此，船閘閘室底板配筋均可按照矩形截面上部受拉的單筋計算公式進行處理。

3.2.1 上閘首。上閘首由兩部分組成，通過分縫隔開，上閘首底板剖面如圖2所示。從圖2可知，底板厚度不一，因此需要分段計算：Part1和Part2為上閘首閘室底板部分;Part3為上閘首空箱底板部分。在垂直水流方向，每隔1 m選取1個剖面，各分段內每隔1 m建立一個配筋截面，選取正彎矩最大的截面為控制截面。

各分段配筋計算選取的截面尺寸（b×h）：Part1為1 m×1.5 m;Part2為1 m×3 m;Part3為1 m×1.5 m。底板底部配筋全部按照構造配筋要求處理，因此負彎矩不再列出，以下篇幅所指最大彎矩均指最大正彎矩。根據(jù)各工況下彎矩最大值，說明控制工況不唯一，Part1的最大彎矩在檢修水位時達到最大，Part2的最大彎矩出現(xiàn)在建筑物設計洪水位時，Part3的最大彎矩則出現(xiàn)在設計最高通航水位時。

從彎矩計算結果可以看出，Part2并不需要完全按照最小配筋率配筋，根據(jù)結構承載力計算所得實際配筋率為0.12%，小于最小配筋率。Part3按結構承載力計算所得實際配筋率為0.154%，略大于最小配筋率。

3.2.2 下閘首。下閘首底板厚度不一，需要分成四段進行配筋計算，各分段配筋計算選取的截面尺寸（b×h）：Part1為1 m×3 m;Part2為1 m×1.5 m;Part3為1 m×3 m;Part4為1 m×2 m。配筋截面在順水流和垂直水流方向上選擇方式與上閘首一致。

各工況最大彎矩計算成果見表2，各分段控制工況為工況1，即設計最高通航水位。

根據(jù)表2計算成果，計算下閘首各分段配筋。同樣，對于Part1和Part3也不必按照最小配筋率配筋，直接按照結構承載力配筋即可。安全系數(shù)[K]統(tǒng)一取1.2，截面復核結果表明配筋合理。

3.3 抗裂驗算

對不允許出現(xiàn)裂縫的鋼筋混凝土構件進行抗裂驗算。計算公式為：

式中：[Mk]表示按標準組合計算的彎矩值;[γm]表示截面抵抗矩塑性系數(shù)，這里可取1.55;[αct]表示混凝土拉應力限制系數(shù)，取0.85;[ftk]表示混凝土軸心抗拉強度標準值，取2.01 MPa;[W0]表示換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩，計算公式為：

將上閘首與下閘首的最大彎矩匯總，并進行抗裂驗算，結果見表3。

表3結果表明，閘首結構已滿足抗裂要求，可不再進行裂縫寬度驗算。

4 結語

本文采用有限元法對寧波某大跨度船閘進行數(shù)值仿真模擬，研究上下閘首的應力、變形等分布規(guī)律，并通過有限元應力積分計算所得結構內力進行了底板配筋和抗裂計算[5]。通過對現(xiàn)有研究成果的綜合分析，得出如下結論[5]。

①有限元分析結果表明，在所有計算工況中，船閘結構整體應力水平較低，引航道底板上表面處為高應力分布區(qū)，引航道底板在所有計算工況下均有不同程度的隆起現(xiàn)象。

②根據(jù)配筋計算成果，船閘底板底部和垂直水流方向截面頂部只需要按構造要求配筋，對順河流方向截面頂部需要按照規(guī)范要求配置受彎鋼筋。

③除去上閘首空箱部分底板（配筋略大于最小配筋率）外，船閘其余部分底板均可按照最小配筋率（0.15%）要求配筋，然而對于部分截面厚度大于2.5 m處的底板，其配筋率可低于最小配筋率。

④抗裂驗算表明，船閘底板各處素混凝土自身即可滿足抗裂要求，無須進行裂縫寬度驗算。

⑤有限元法能直觀反映出船閘閘首各部位的應力、變形分布規(guī)律，同時經(jīng)應力積分得到的內力成果可直接用于配筋計算，在復雜水工結構的精細化設計應用領域具有較大發(fā)展前景。

參考文獻：

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