弧形水工閘門加固結構優化設計方案分析研究

繆融融，唐 演

（江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223000）

1 引言

水工結構運營過程中，其安全穩定性受運營年限[1]、材料安全允許應力值[2]等影響，研究結構安全可靠性勢必需要考慮設計因素。為此，基于水工設計的優化分析，探討工程安全的最優化結果，對工程設計、建設成本控制等均有重要意義。針對工程設計最優化問題，邱海娟[3]、沈衛[4]基于水工模型試驗理論，設計開展泄洪洞、溢洪道等水工設施的模型試驗，分析不同設計方案下模型試驗結果差異性，進而獲得工程建設的最優設計方案。模型試驗方法雖可靠性較大，但試驗成本及耗時周期不利于設計進度要求，因而一些學者利用Abaqus[5]、ANSYS[6]等數值仿真平臺，通過分析有限元計算模型在不同設計方案下靜力場或滲流場特征，可較高效獲得不同方案的利弊性，進而為工程建設提供重要計算依據。文中根據某節制閘弧形鋼閘門的加固問題，設計探討放大增強體截面半徑尺寸參數最優化，為工程除險加固提供重要參考。

2 工程設計概況

2.1 工程概況

某節制閘作為區域內重要水利控制樞紐，其運營安全穩定性乃是日常監管、維護的重中之重，承擔著地區農田灌溉、防洪排澇、蓄水調度的水利作用，年可灌溉農田270萬畝，所建設的輸水渠道全長為80 km。節制閘年最大泄流量超過350萬m3，閘頂高程與泄流水面線距離為1.2 m左右。為減少節制閘前水力作用影響整體水閘樞紐功能，工程管理部門討論對節制閘的弧形閘門進行加固，既可增強閘體所在區域的水力控制性能，也可提升節制閘對下游水利控制效率。設計部門計劃采用增設放大增強體的措施，提升閘門結構整體抗傾覆性能，而放大體設定在弧形閘門的墩體與閘室邊側相交部位，如圖1所示。

圖1 增強放大體示意圖

2.2 工程仿真

為確保工程設計方案優化分析結果的可靠性，采用COMSOL有限元仿真平臺建立節制閘弧型鋼閘門與增強體的計算模型[7]，如圖2所示。該模型主要采用四邊體微單元網格，經劃分后獲得微單元體86 282個，節點數62 566個。該模型中外荷載包括有結構自重、靜水壓力及泥沙懸浮沉降作用等，模型計算范圍為節制閘上、下游各50 m，閘室底部土體影響范圍為20 m。為方便計算分析，文中設定計算模型的X、Y、Z正向分別為順水流下游、閘體豎直向上及閘門右岸向。基于不同放大增強體設計方案的對比，分析各設計方案中增強體尺寸半徑參數對結構靜力穩定性影響，進而獲得最優設計方案。

圖2 節制閘門整體模型

3 閘門結構應力特征

墩體放大增強體位移節制閘兩側，設定左、右側增強體截面尺寸半徑參數均為一致，設定參數分別為0.6 m（A方案）、0.8 m（B方案）、1.0 m（C方案）、1.2 m（D方案）、1.4 m（E方案）、1.6 m（F方案），其他設計參數一致，計算增大體的截面參數對節制閘水工閘門應力、位移影響。另一方面，在計算模型中以關鍵部位的靜力參數為分析重點，各關鍵部位如圖3所示。

圖3 節制閘關鍵部位示意圖

3.1 拉應力特征

根據墩體放大增強體的設計方案對比，獲得節制閘拉應力變化特征，如圖4。依據圖4中應力變化趨勢可知，3個關鍵部位最大拉應力隨增強體半徑參數均為遞減變化，但各部位拉應力量值均有差異，以閘墩內側面部位上的拉應力為節制閘上最高。從整體來看，各設計方案中閘墩內側面部位最大拉應力分布為1.45~4.7 MPa，而墩體外側面、連接梁部位最大拉應力與前者差幅分別為21.5%~32.7%、54.4%~82%，即3個部位中連接梁部位處拉應力最低，且各設計方案中連接梁處拉應力均未超過2.2 MPa，而墩體內側面部位最大拉應力在半徑0.6 m方案中甚至可達3.45 MPa，為工程安全設計考慮，設計配筋之時應重點加密墩體內側面，增強其剛度。

圖4 關鍵部位最大拉應力與增強體半徑參數關系

對比放大增強體對閘體關鍵部位拉應力影響可知，各部位最大拉應力隨墩體半徑參數變化的降幅具有轉變節點，3個部位均在增強體半徑1.2 m處拉應力降幅放緩。在增強體半徑0.6~1.2 m區間內，半徑參數每增大0.2 m，墩體外側面最大拉應力隨之減少29.7%；而增強體半徑參數超過1.2 m后，墩體外側面最大拉應力平均降幅僅為3.1%，即增強體截面尺寸對墩體外側面拉應力抑制作用減弱，特別是在半徑尺寸參數超過1.2 m后，墩體外側面上最大拉應力均低于1.5 MPa，滿足結構材料安全允許值。同樣，在增強體半徑0.6~1.2 m區間內，墩體內側面、連接梁部位最大拉應力分別具有平均降幅31.2%、45.9%；而在增強體半徑1.2~1.6 m內，兩部位的降幅又為1.9%、11.4%，即連接梁部位受增強體截面尺寸參數影響更為敏感，因此，控制墩體半徑參數在適宜區間乃是更為有利，從文中拉應力計算結果考慮，放大增強體半徑參數1.2 m時乃是最優。

3.2 壓應力特征

同理，可獲得3個關鍵部位上最大壓應力隨增強體半徑參數變化關系，如圖5。依據圖5中壓應力表現可知，3個部位中壓應力最大為連接梁，在6個設計方案中連接梁壓應力分布在8.66~15.45 MPa，而墩體內側面、外側面最大壓應力較前者的差幅分布為25.7%~43%、13.3%~24.2%；從結構設計考慮，連接梁部位乃是重要耦合節點，其受靜水壓力、結構自重等影響，因而壓應力乃是閘體最大。從3個部位與增強體半徑參數變化關系可知，連接梁部位最大壓應力隨之為先增后減變化，以增強體半徑1.2 m方案為壓應力最大。在增強體半徑參數0.6~1.2 m區間內，連接梁最大壓應力隨半徑參數為遞增，半徑每增大0.2 m，連接梁最大壓應力增長21.5%，該區間內連接梁所受預壓效果最為顯著，有利于結構抗傾覆[8]；而在半徑1.2~1.6 m區間內，平均降幅為9.5%，分析表明連接梁部位壓應力效果最好為半徑1.2 m。墩體內、外側面最大壓應力隨半徑參數均為遞增態勢，各設計方案中墩體內、外側面最大壓應力隨增強體半徑參數的平均增幅分別為11.9%、10.3%，但在半徑0.6~1.2 m區間，內、外側面壓應力的平均增幅可達19.6%、17%，超過1.2 m后最大壓應力變幅較小，分別穩定在9.33 MPa、12.05 MPa。綜合分析認為，當放大增強體的半徑為1.2 m時，不僅連接梁部位抗傾覆效果最佳，且墩體內、外側面的壓應力處于最經濟，因而增強體半徑1.2 m時結構體系應力效果最優。

圖5 關鍵部位最大壓應力與增強體半徑參數關系

4 閘門結構位移特征

根據對增強放大體設計方案位移計算，獲得典型方案下閘墩內、外側面位移分布特征，圖6、圖7為放大體半徑0.6 m、1.2 m時墩體Z向位移特征。

從圖6中可看出，在放大體半徑0.6 m設計方案中墩體內側面負向位移最大為2.94 mm，該部分負向位移乃是由于墩體內側面部位上的拉應力產生，負向位移集中區間位于2.27~2.94 mm。該設計方案中墩體內側面指向閘體右岸方向最大位移為3.13 mm，分布于內側面與外側面轉角處，分布面積較小，穩定在2.45~3.31 mm，表明增大體的半徑參數增大，有助于控制結構體系位移的擴展延伸。外側面位移分布與內側面具有對稱特性，其正、負向最大位移與內側面為“鏡面”特性。當放大體半徑增大至1.2 m后，墩體內側面上最大位移逐步轉移至墩頂，該部位處抗拉、抗傾覆效果最佳，而Z向最大負位移位于該處，有利于控制結構材料裂紋的擴展，且位移分布為1.79~2.49 mm，降幅達24.8%~45.9%。該設計方案下，結構的位移分布顯著處于較安全合理。綜合對比，可知放大增強體半徑1.2 m時為最優設計方案。

圖6 放大體半徑0.6 m時墩體Z向位移特征

圖7 放大體半徑1.2 m時墩體Z向位移特征

5 結論

（1）3個部位中拉應力最大為墩體內側面，墩體外側面、連接梁部位最大拉應力與之差幅分別為21.5%~32.7%、54.4%~82%；各部位最大拉應力隨墩體半徑參數為遞減，墩體內、外側面及連接梁部位最大拉應力的平均降幅分別為31.2%、29.7%、45.9%，而半徑1.2~1.6 m降幅分別為1.9%、3.1%、11.4%。

（2）3個部位中壓應力最大為連接梁部位，連接梁部位最大壓應力在半徑1.2 m方案為壓應力最大。墩體內、外側面最大壓應力隨半徑參數均為遞增，但在半徑1.2 m后增幅較小，分別穩定在9.33 MPa、12.05 MPa。

（3）墩體內、外側面正、負Z向位移分布具有“鏡面”特性，放大體半徑增大至1.2 m后，Z向負位移向墩頂集中。

（4）綜合應力、位移特征，節制閘的放大增強體半徑1.2 m時為最優設計方案。