基于ABAQUS計算優化下沭陽閘除險加固結構方案設計參數分析研究

岳彬彬

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001)

1 概 述

水利工程中，由于設計年代久遠，或由于運營年限較長，亦或由于運營環境較惡劣等原因，原水工設計均無法滿足安全運營要求，因而開展對水工建筑結構除險加固設計研究很有必要，特別是針對加固方案開展設計參數優化，對提升設計水平具有重要指導意義[1-3]。根據水利工程原型，孫洪亮等[4]、沈衛等[5]、陳斌等[6]設計室內物理模型方案，根據設計對比方案，開展實際工況下設計方案間差異性分析，為探討最佳設計方案提供重要參考。此類物理模型試驗在對比設計方案中成本較高，因而主要應用在前瞻式研究中，包括動荷載下水利設施的動力響應特性等[7-8]。還有一些專家與學者通過對加固結構材料的離散元分析，李文霞等[9]、朱小磊等[10]、侯英偉等[11]利用離散元計算方法，探討微觀與宏觀下結構材料破壞特性，為加固結構參數設計提供數據支持，進而優化設計方案，此類研究包括顆粒流的離散元計算等。當然也有一些學者通過數值模擬建立計算模型，葉柏陽等[12]、楊川江[13]、袁潔等[14]根據不同的設計方案，進行參數優化調整，計算相應的結果，并對比設計方案間的結果差異性，為工程設計提供重要對比參考。本文根據沐陽水閘除險加固措施，對預應力錨索方案進行自由端長度、平面夾角參數優化，進而為工程確定最優設計方案提供支撐。

2 沭陽閘工程計算介紹

2.1 工程概況

沭陽閘位于淮沭河尾閭，閘身總寬288.15 m，共25孔，單孔凈寬10 m，閘長180.3 m，設計通行流量3 000 m3/s。該水閘為多孔式設計，孔口斷面為3.0 m×3.0 m，分為5組，分別為4孔、4孔、6孔、4孔、4孔，閘頂高程5.0 m，沭陽閘上下游包括消力池等其他輔助水利設施，全長356.8 m，寬為81.10 m。由于工程建設年限較長，部分泄流灌溉效率降低，特別是部分水工建筑物出現破損、碳化，結構穩定性顯著降低，限制了水閘高效率運轉。因此，對沐陽閘進行除險加固，主要包括通航孔改造、建筑物防滲處理、更新便橋欄桿、改造公路橋外側防撞墩。特別是對水工設施中重要承重結構區域進行加固改造，提升沐陽水閘運營可靠性、水利功能、安全穩定。工程設計部門擬采用預應力錨索作為重要加固結構，對沐陽閘墩及承重結構進行加固，作為提升整體承載穩定性的重要舉措。

2.2 工程仿真

所采用的預應力錨索支護結構是橫縱分層性架設，設計閘墩與錨索間有墊塊作為連接載體，且兩者之間為接觸式連接，降低預應力損失，擬采用預應力錨索初步設計平面圖見圖1。橫錨索設計間距為120 mm，每排橫錨索為雙層錨筋，層間距為20 mm，錨筋直徑為22 mm，設計橫錨索張拉噸位為3 500 kN，每個斷面上擬采用14根橫錨索；縱錨索布設在橫錨索垂直線上，間距為140 mm，亦為雙層錨索鉸束，設計張拉噸位為2 655 kN，初步確定單根錨索有6個鉸束。墊塊截面為正方形，邊長為12 cm，采用預制鋼筋混凝土結構，靜動力穩定性均較佳。

圖1 預應力錨索初步設計平面圖

基于沐陽閘加固工程擬建方案及安全設計要求，采用ABAQUS數值計算平臺對加固結構開展對比計算。由于加固結構方案中以錨索自由端長度L、錨索平面夾角θ還處于討論設計中，因而本文主要對這兩個參數開展設計優化研究。利用建模軟件建立沐陽閘典型剖面整體模型，見圖2，共獲得單元網格156 825個，節點數135 628個。另一方面，對沐陽閘加固結構典型特征部位特殊網格加密處理，分別為水閘閘頂(1#部位)、錨塊(2#部位)及錨固洞(3#部位)3個部位，見圖3。其中，錨塊獨立模型劃分出單元網格85 625個，節點數75 682個。在計算過程中設定X、Y、Z正向分別為閘右岸、下游水流、模型垂直上方。所施加邊界荷載采用洪水位工況，荷載包括閘室自重、水揚壓力及錨索預應力等，模型頂面設置為自由邊界[15-16]。

圖2 沐陽水閘整體模型

圖3 錨索加固結構特征部位計算模型

3 錨索自由端長度參數優化分析

根據錨索參數設計優化要求，設計錨索自由端長度L為研究變量，其他設計參數均保持一致，包括錨索層間距、錨索直徑以及布設形式等，均為相同，荷載工況均保持一致。研究對象錨索自由端長度參數分別設定為3 m(A方案)、4 m(B方案)、5 m(C方案)、6 m(D方案)、7 m(E方案)、8 m(F方案)。

3.1 拉應力特征

根據不同錨索自由端長度參數設計方案，獲得錨索自由端長度與沐陽水閘加固結構特征部位最大拉應力關系，見圖4。

圖4 錨索自由端長度與特征部位最大拉應力關系

從圖4中拉應力變化可知，各設計方案中拉應力最大位置是錨固洞截面。在錨索自由端長度5 m方案中，錨固洞(3#部位)最大拉應力可達2.365 MPa，而1#、2#特征部位處最大拉應力相比前者分別降低70.2%、30.1%。從加固結構危險面來看，以錨固洞受張拉威脅最大，其應重點加固防護，采取包括鋼筋網加密在內的多項舉措。自由端長度參數增大，除1#部位最大拉應力為降低，其他特征部位均為遞增，特別是以錨固洞最大拉應力漲幅最大；在自由端長度為3 m時，錨固洞最大拉應力為2.026 MPa，而長度為5、7和8 m時的最大拉應力相比前者分別增長16.7%、38%和51.6%，各方案中自由端長度增大1 m，錨固洞上最大拉應力平均可增大8.7%；而在錨塊2#部位上最大拉應力隨自由端長度增大1 m，可上漲8.6%；表明錨固洞與錨塊拉應力漲幅基本接近，均是加固結構中最危險面，設計時應重點關注。另一方面，閘頂1#部位的最大拉應力與自由端長度參數為負相關關系，長度為5、7和8 m時的最大拉應力相比長度3m時分別減少40.4%、66.8%和73.5%，自由端長度增大1 m，閘頂處最大拉應力平均可減少23%，即自由端長度參數愈大，愈可顯著閘頂拉應力發展，降低沐陽水閘頂部張拉破壞。具體分析錨索自由端長度對閘頂拉應力抑制關系可知，在長度3～6 m區間內，閘頂最大拉應力降幅最大可達34.9%，平均每增長1 m長度，最大拉應力降低26.8%；而在長度6～8 m區間內，最大拉應力降幅顯著降低，平均每增長1 m長度，拉應力僅降低16.3%。由此可知，閘頂拉應力受錨索自由端長度的抑制影響為逐步減弱。

3.2 壓應力特征

與拉應力相對應，錨索自由端長度參數對加固結構特征部位壓應力影響變化關系見圖5。從圖5中可知，1#-3#這3個特征部位最大壓應力隨錨索自由端長度參數均為遞增關系。以錨塊為例分析，其在長度3 m時最大壓應力為10.4 MPa，長度為5、7和8 m時的最大拉應力相比長度3 m時分別增大13.8%、27%和28.5%，自由端長度增大1 m，錨塊最大壓應力平均可增長5.2%。而在閘頂與錨固洞上，最大壓應力分別平均可增大3.4%、6.2%，即以錨固洞上壓應力漲幅最為顯著，承壓效果對降低預應力損失具有較大正面作用。從壓應力漲幅可知，在3～6 m區間內，1#-3#特征部位隨錨索自由端長度參數增長1 m，分別平均可增長4.2%、7.3%和6.8%，而在6～8 m區間內，最大壓應力又分別平均增大2.2%、2%和3.3%。綜合拉壓應力特征可知，為確保水閘較佳加固支護效果，且降低工程成本，當水閘預應力錨索自由端長度為6 m時，最大拉應力控制在合理區間，且此時壓應力所產生的預壓效果最為顯著。

圖5 錨索自由端長度與特征部位最大壓應力關系

3.3 擬設計方案應力分布

圖6為錨索自由端長度參數6 m時的擬設計方案中水閘加固結構錨固洞拉壓應力分布特征。從圖6中可知，錨固洞是最大張拉應力發展區域，集中于洞頂、底面等部位，而最大壓應力是洞側面區域，表明錨固洞各截面上應力還控制在較為分散狀態，有利于加固結構對水閘設施的安全保護。

圖6 加固結構錨固洞拉壓應力分布特征

4 錨索平面夾角參數優化分析

同理，對錨索平面夾角參數進行設計優化。在保持其他參數均為一致前提下，設定錨索平面夾角θ分別為30°、40°、50°、60°和70°，加固結構荷載工況均保持一致，錨索自由端長度參數設定為6 m，進行錨索平面夾角參數影響下特征分析。

4.1 拉應力特征

對錨索平面夾角參數各設計方案進行應力計算，獲得平面夾角影響下各特征部位拉應力變化特征，見圖7。

圖7 錨索平面夾角與特征部位最大拉應力關系

從圖7中可看出，錨固洞以及錨塊最大拉應力均隨夾角參數增大而遞增，夾角30°時錨固洞最大拉應力為1.58 MPa，而在夾角為50°、70°時最大拉應力相比提升了23.5%、54%，表明夾角參數愈大，加固結構錨固洞與錨塊愈接近其張拉強度，夾角每增大10°，可提升錨固洞最大拉應力11.5%；而錨塊最大拉應力受平面夾角影響敏感度不及錨固洞，其在各設計方案中基本呈線性遞增，夾角為50°、70°時最大拉應力相比夾角30°時增長16.5%、43.7%，夾角每增大10°，其最大拉應力漲幅為9.5%。與前兩特征部位不同的是，閘頂1#特征部位處最大拉應力隨平面夾角為遞減關系，其最大拉應力亦是3個特征部位中最低值，在夾角40°時最大拉應力為0.892 MPa，相比之2#、3#特征部位分別降低26.7%、48.9%；當夾角為50°、70°時最大拉應力相比30°時分別降低66.8%、88.5%，平均每10°夾角可造成其最大拉應力損失40.8%，表明平面夾角參數愈大，對閘頂處拉應力具有抑制效應。分析3個特征部位最大拉應力變幅變化可知，在平面夾角30°～60°區間內，錨固洞與錨塊最大拉應力漲幅還處于可控較低區間，分別是每10°夾角，最大拉應力漲幅分別為8.6%、11.5%；而在夾角60°～70°區間后，最大拉應力分別增大13.5%、17.4%，表明夾角60°以下時錨固洞與錨塊拉應力處于漲幅較緩階段。而對于閘頂，其在平面夾角60°后拉應力基本處于較為平緩，下降趨勢較小，故可認為錨索平面夾角60°是最有利于加固結構拉應力控制的方案。

4.2 壓應力特征

圖8為3個特征部位最大壓應力與平面夾角變化關系。從圖8中可看出，3個特征部位最大壓應力隨平面夾角參數均為遞減關系，其中尤以錨固洞、錨塊遞減趨勢更為顯著。錨固洞夾角為50°、70°時，最大拉應力相比夾角30°時減少9.8%、15.6%，平均夾角增大10°，可導致錨固洞上夾角降低4.1%，而在錨塊上此幅度為6.6%。閘頂最大壓應力在夾角60°前基本維持穩定不變，后在70°時發生一定降幅，幅度約為2.8%，表明閘頂處最大壓應力僅在平面夾角60°后才具有顯著響應。而對于錨塊、錨固洞，其最大壓應力分布在合適區間內即可，因而筆者認為，當錨索平面夾角參數為60°時，對加固結構壓應力安全穩定性是有益的，這一點可從閘頂處應力特征可知。綜合拉壓應力特征認為，平面夾角60°更能確保加固結構運營安全可靠性。

圖8 錨索平面夾角與特征部位最大壓應力關系

5 結 論

1) 拉應力最大位置是錨固洞部位；錨固洞、錨塊最大拉應力與自由端長度均為正相關關系，自由端長度增大1 m，錨固洞、錨塊上最大拉應力分別平均可增大8.7%、8.6%；閘頂最大拉應力隨自由端長度為遞減關系，且以長度3～6 m區間拉應力降幅最大，該區間內每增長1 m長度，最大拉應力降低26.8%。

2) 錨固洞、錨塊最大拉應力均隨夾角參數增大而遞增，夾角每增大10°，可分別提升錨固洞、錨塊最大拉應力11.5%、9.5%，且夾角超過60°后拉應力漲幅最大；閘頂最大拉應力隨夾角參數為減小，平均每10°夾角可造成其最大拉應力損失40.8%。

3) 3個特征部位最大壓應力隨錨索自由端長度參數均為遞增關系，但隨平面夾角均為遞減關系；以錨固洞最大壓應力受自由端長度影響更為顯著，閘頂最大壓應力在夾角60°后才較顯著。

4) 綜合應力影響變化特征，錨索自由端長度為6 m、錨索平面夾角參數為60°時，更有利于加固結構安全穩定運營。