串場河伍佑北防洪閘空間有限元靜力分析

李 悅，楊 亮，李連成

（鹽城市水利勘測設計研究院有限公司,江蘇 鹽城 224002）

0 引言

近年來,城市水環境、水景觀、水安全治理熱度不斷提升,水利工程在滿足以往基本的防洪、排澇等需求的同時,還要兼顧保水活水以及景觀要求。在這樣的需求下,水工建筑物結構型式有了新的選擇,橡膠壩和鋼壩閘在大孔口水閘的選型中得到了更多的應用[1]。這兩者都是大跨度的攔河建筑物,且都能溢流形成人工瀑布,具有一定的景觀功能。橡膠壩結構較為簡單,工程投資較省,但其易老化易損壞,使用壽命較短,安全可靠性較低,適用于防洪等級需求較低的內河河道,不適用于城市防洪工程。因此,串場河伍佑北防洪閘工程初步設計時選擇的是鋼壩閘結構型式。

串場河伍佑北防洪閘工程閘孔總凈寬20 m,單孔布置,為開敞式結構,采用底橫軸翻轉閘門,采用2×1600 kN集成液壓啟閉機啟閉,啟閉機室位于閘室兩側,凈寬3.4 m。閘室順水流向長17.0 m,垂直水流向寬20.0 m。閘室上方布置控制室及辦公用房,采用預應力砼箱梁結構,閘室兩側各設空箱式擋土墻。

鋼壩閘由門體、底軸、液壓啟閉機、鎖定裝置等組成[2],閘門由液壓啟閉機轉動底橫軸來翻轉鋼閘門。在閘門開啟、閉合的過程中,底橫軸是主要受力構件,同時水荷載、門體和底軸的自重還會對底軸還會產生彎矩和剪力[3]。為了驗證結構的安全性同時做到設計的經濟性,需要對防洪閘及底橫軸進行應力應變分析。

1 計算方法

隨著計算機的發展和廣泛應用,有限元法在閘室結構分析中得到了廣泛的應用,成為解決復雜閘室結構力學問題的主要工具。但鋼壩閘的有限元分析還相對較少,本次分析的結果可以為類似的工程提供參考。相關的主要工作為：

（1）運用有限元軟件對閘室結構進行三維有限元分析：選擇合理的單元類型,按照要求及計算量建立有限元模型,選取完建期、設計工況、校核工況、檢修工況、通航期五個工況靜力荷載組合進行加載、計算和后處理；

（2）提取關鍵點的應力、應變數據和關鍵截面上的應力應變云圖；

（3）根據有限元計算結果,將其與二維計算結果進行對比。對所得結果進行分析并對閘室結構進行評價。

2 模型建立

2.1 閘室有限元模型

閘室結構的簡化計算方法為：將土壓力、地下水壓力等荷載作用在邊墻上,邊墻視為嵌固在底板上的懸臂梁,按擋土墻土壓力理論對荷載進行求解。而底板則視為彈性地基梁計算[4-5]。

閘室的有限元模型見圖1,閘室與地基的整體有限元模型見圖2。閘底板和啟閉機室為整體連接,為U型結構型式。啟閉機室上方廠房、樓梯以及景觀廊道均省略處理,其重力作為荷載作用在閘室上方。地基基礎和上方閘室底板之間建有接觸對,滑動摩擦系數為0.25。其中閘室單元控制步長為0.7 m,劃分單元109245 個；地基單元步長為3.0 m,劃分單元44720個。

圖1 閘室結構圖

圖2 閘室與地基整體結構圖

2.2 計算工況

計算分為五種工況,分別為：完建期、設計工況、校核工況、檢修工況和通航狀態。五種工況下的水位組合與荷載組合見表1。水壓力土壓力分別進行計算,土壓力和水壓力荷載直接加在節點上。

表1 水位和荷載組合表

2.3 荷載加載

全局重力加速度為9.8 m/s2。

1）自重與設備重

閘墻混凝土C25,P=2.5 t/m3。閘門重917 kN,閘門關閉時作用于底橫軸上；閘門開啟時,作用于底板面。 高程4.5 m以上的廠房荷載57 kN/m2,施加于啟閉機室邊墻上；活動荷載3 kN/m2,施加于啟閉機室頂面等。

2）水壓力

閘室上游面按上游水位施加靜水壓力,下游面按下游水位施加靜水壓力。

3）土壓力

完建期的土壓力計算取γ土=18 kN/m3,其他工況下水面以下土壓力計算取土的浮容重γ浮=10 kN/m3,施加于閘室上下游面及側墻。

4）滲透力

閘底的滲透力根據上下游水位差,按直線比例法計算,施加于底板底面。上下游閘室底板兩側設有5 m長防滲板樁,計算防滲長度時需將其長度數值乘以2 折算到水平距離。

5）浮托力

浮托力根據上下游水位計算,作用于底板底面。

6）地基反力

地基為線彈性材料,地基反力按直線比例法簡化計算。通過建立地基的有限元模型、合并地基與閘室的單元結點、賦予地基材料性質,定義重力加速等操作自動產生。

3 計算結果分析

按照上文介紹的參數及加載方法,運用ANSYS對五種工況靜力荷載作用下的有限元模型進行求解計算,根據平衡方程、物體的協調關系與本構關系,得到了閘室結構在對應工況荷載作用下各個節點的位移和應力,借助ANSYS的通用后處理器POST1 輸出。

3.1 閘室整體位移情況

閘室結構在五種工況荷載下三個方向的位移量均以Z向（沉降量）為最大,最大值為厘米級別。其余兩個方向的位移均為毫米及以下級別。在五種工況靜力荷載作用下,其垂直方向位移大小差別較小,其發生最值的位置基本一致。由于兩邊啟閉機室自身重力較大,同時閘室外側回填土較高,垂向土壓力值也較大,結果也顯示,閘邊墩的沉降比閘底板稍大（未考慮回填土對閘邊墩的摩阻力）。由于其結果類似,本文僅用位移量最大的完建期沉降云圖（圖3）進行說明。

圖3 完建期靜力荷載作用下的閘室沉降云圖

五種工況靜力荷載作用下閘室結構Z向位移的最大值及發生位置見表2。

表2 閘室在五種工況靜力荷載作用下沉降表

從表2可以看出,閘室結構最大沉降發生在完建期,為2.12 cm。閘室自重和靜力荷載的作用,使地基發生沉降,五種工況荷載作用下閘室結構均以Z向位移（沉降）為最大位移分量。閘室結構的X向、Y向位移均小于1 cm,隨著上游水位差的降低,導致滲透壓力減小,使得順水流方向的位移也隨之減小。由于上下游水位差產生的滲透壓力和下游水位產生的浮托力作用于底板底面,使得其他四個工況的沉降小于完建期的沉降。規范規定,天然土質地基上閘地基最大沉降不宜超過15 cm,最大沉降差不宜超過5 cm。由于本例中地基采用樁基礎加固,沉降量遠小于規范要求。

考慮到串場河北防洪閘兼顧通航功能,其閘門關閉時間較短,較長時間內閘門均處于開啟狀態,工程對閘門安全性要求高,要做到需要關閘時能及時關閘。又因底橫軸翻轉閘門的底橫軸位于水底,對其工作環境不甚了解,工程在最終進行方案比選時,從工程運行可靠性及運行管理方便等技術方面考慮,未采用底橫軸翻轉閘門,最終采用的是直升平面鋼閘門方案。因此有限元計算結果無法與已建工程進行對比,但其沉降量以及二維內力計算結果與理論計算基本一致。故認為沉降計算結果合理并且滿足要求。

3.2 閘門位移情況

底橫軸如果發生較大的不均勻沉降,容易卡阻門槽,使閘門不能順利打開。校核工況下,上下游水位差為2.5 m,此種工況是上下游水位差最大的工況,順水流方向的位移是五種工況下的最大值。校核工況下底橫軸及閘門的位移云圖見圖4。

圖4 底橫軸翻轉閘門校核工況位移云圖

底橫軸最大沉降為2.057 cm,不均勻沉降為2.632 mm。X向（順水流向）最大位移為5.843 mm,不均勻位移為5.652 mm。順水流向的不均勻位移較垂直方向的不均勻位移大,但其不均勻位移仍在容許范圍之內。

但在跨度較大的河道中,由于底橫軸較長,其跨中彎矩會更大,產生的不均勻位移可能會更大,此時可以采用球鉸支座,讓底軸在發生位移的情況下也可以轉動。

3.3 底橫軸應力分析

底橫軸是鋼壩閘重要的一個組成部分。由于鋼壩閘跨度較大,閘底板極易產生不均勻沉降,從而使底橫軸隨之變形。加之底橫軸自身受力也較大,其變形后容易卡阻門槽,使得閘門不能正常啟閉。

完建期底橫軸各向應力均比較大,下面僅以完建期的底橫軸應力云圖（圖5）來進行說明。

圖5 底橫軸完建期不同方向的應力云圖

從上述應力云圖中可以看出,底橫軸的最大拉應力為8.9 MPa,出現在y方向的正應力。其出現位置為底橫軸的上表面,位于兩個支撐之間。這一計算結果符合實際情況,且計算結果在鋼材的可承受范圍之內。

4 結語

對閘室整體分析中,閘室結構各向位移情況都在允許范圍之內；閘室的內力整體計算結果合理,但局部區域發生應力集中現象,拉應力高達4.3 MPa,可對其進行配筋。底橫軸翻轉閘門最大沉降為25.57 mm,不均勻沉降為2.63 mm,而在上下游水頭差最大的工況（校核工況）下,其順水流方向的位移為5.84 mm,不均勻位移為5.65 mm。此位移在容許范圍之內,不會卡阻門槽。其應力計算結果也在允許范圍之內,內力合理。

目前對底橫軸翻轉閘門的分析還比較少,沒有系統的研究。希望未來能看到對其系統的資料或者規范,能給出底橫軸翻轉閘門的跨度所對應的安全的底橫軸的直徑大小。