基于ABAQUS的水閘加固設計鋼結構的應用仿真研究

田 濤

(中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120)

水利樞紐工程中水工建筑的除險加固設計關乎工程長期安全穩定運營[1-3]，最優化的設計方案對水工結構發揮最大化功能和保障安全運營具有重要作用，故開展相應的水工結構除險加固設計分析很有必要。劉芷妍等[4]、李鳳濱等[5]、孫益松等[6]引入模型試驗與實際工程相復制的原理，并結合相似材料與復制比尺理論關系，對室內模型方案開展監測分析，研究水工結構水力特征與設計參數關系，豐富結構設計成果。當然，工程的監測以及已有工程的設計參考性，對工程最優方案比較等均具有重要價值，利用監測參數變化預判設計方案的利弊性，對已有工程運營分析，對擬除險加固工程的設計方案進行改進，提升工程設計水平[7-9]。數值計算作為一種高效研究手段，可針對性解決不同設計方案下工程靜力場特征，對比各設計方案間參數的改變，對工程穩定性的影響，從而確定最優設計方案[10-12]。文章根據淮安聯圩樞紐工程泄洪水閘除險加固的工程背景，以其中7#水閘作為加固方案優化對象，分析型鋼加固結構下設計參數對結構靜力場影響性，從而確定工程最優設計方案。

1 工程仿真

1.1 工程概況

為提升蘇北淮安聯圩工程防洪能力，對該聯圩樞紐工程所涉及的水閘、大壩等水工建筑開展除險加固，主要為分析水工結構靜力穩定性、滲流場活躍性等，為淮安聯圩工程的運營穩定性提供重要保障。聯圩工程包括有多座大中型水閘，閘頂高程為85m，底板厚度為1.4m，采用多孔式泄流設計，孔寬為8m，共有6孔，單孔泄流流量設計為855m3/s，閘門以液壓式啟閉機作為控制樞紐，確保閘門開度與上游流量相匹配。沿線壩體分為南、北兩側，軸線長度為3358m，壩頂高程為91～96m，采用混凝土堆石壩設計，壩身設置有止水面板，據當前蓄水工況下的滲流場計算結果可知，浸潤線高度不超過75m，水頭壓力基本與水位一致，壩頂處設置有高度為4.6m的防浪墻，壩體監測傳感器表明最大水能仍控制在安全允許值范圍內，壩體受水力沖刷影響較小，壩身滲透坡降最大不超過0.28，最大坡降位于壩肩部位，正常蓄水位工況下壩體最大沉降不超過10mm，沿壩軸線方向上最大位移為4.8mm。由地震動力模擬計算結果可知壩體振型以組合型為主，加速度響應值最大為1.5m/s2，位于壩體K1+226段，最大拉應力超過1.9MPa，壓應力較低，動力荷載響應下壩體在壩趾部位受張拉應力影響較大。另一方面，根據除險加固調查得知，泄流水閘靜力工況下計算得到最大沉降已達18mm，拉應力集中在閘室底板部位，上游泄流能力損耗嚴重，最大泄流流量控制在558m3/s；而且在地震動力荷載下，該水閘沉降位移顯著高于壩體動力響應值，最大加速度響應值相比防洪堤壩增大了7.9%，自振頻率在高階次下較大；不論是靜力工況還是地震荷載，水閘抗震能力以及靜力抗傾覆、抗滑移性能均受到較大削弱，這極大影響了水閘對流量的控制性能，因而針對性研究泄流水閘除險加固設計方案很有必要，工程設計部門考慮將加固重點放在閘墩，泄流水閘墩設計剖面圖如圖1所示，采用型鋼網架結構作為閘墩加固措施。為此，文章以淮安聯圩樞紐工程南線防洪堤壩K1+226～K1+258區段內7#泄流水閘除險加固設計為典型案例，分析加固方案設計參數對結構靜力場影響。

圖1 泄流水閘墩設計剖面圖(單位：mm)

1.2 工程建模

文章利用ABAQUS仿真計算平臺開展建模計算[13-14]，鋼結構設計方案如圖2所示，鋼截面均為H型，鋼結構高度為5.6m，而截面腹板高厚比為37。根據實際工程現狀，建立如圖3所示的計算模型，圖中標注出閘墩頂部、墩底上游面、閘墩加固點三個特征部位。經有限元軟件劃分計算網格后，特別在型鋼部位處加密劃分，微單元體獲得26552個。計算模型中X、Y、Z正向分別為水流方向、結構自重應力反方向以及閘首右向。以閘門全閉工況開展計算，經施加邊界荷載后，對不同加固設計方案開展最優化分析。

圖2 閘墩型鋼加固結構方案圖(單位：mm)

圖3 閘墩有限元模型及關鍵部位

為確定鋼結構中型鋼布設數量參數對結構靜力場特征影響，按照型鋼布設規范，設定型鋼布設數量分別為1(單型鋼、A方案)、3(B方案)、5(C方案)、7(D方案)、9(E方案)、11(F方案)，型鋼布設形式為扇形，在保證其他設計參數一致的前提下，僅改變型鋼布設數量，研究該設計參數對結構位移、裂紋擴展、應力等影響，典型三型鋼B方案加固設計圖如圖4所示。

圖4 三型鋼B方案加固設計圖

2 鋼結構設計參數對結構應力影響

2.1 拉應力特征

經計算獲得鋼結構設計參數與水閘拉應力特征關系，如圖5所示。從圖中可知，墩底上游面的拉應力最大，相同D方案中墩頂、閘墩加固點拉應力與墩底相比分別減少了90%、63.8%，墩底上游面受水力沖刷與自重荷載耦合作用，造成該部位處拉應力較為集中，對結構具有張拉破壞效應。由型鋼數量影響拉應力的變化過程可知，閘墩頂部與閘墩加固點拉應力隨型鋼數量均呈遞減變化，而墩底上游面拉應力在型鋼數量為5根后發生遞增變化，單型鋼設計方案下，墩頂部位最大拉應力為0.78MPa，而五型鋼、九型鋼、十一型鋼方案中該部位最大拉應力較之分別減少了74.6%、79.5%、79.6%，表明型鋼數量愈多，對墩頂部位張拉應力抑制效果最顯著；同理，在閘墩加固點五型鋼、十一型鋼方案中最大拉應力較單型鋼下分別降低了43.6%、50.8%。從降幅變化來看，型鋼數量為1～5時，墩頂與閘墩加固點拉應力參數在各方案間分別可損失48.7%、24.6%，而型鋼數量超過5根后，其降幅減緩，兩部位最大拉應力降幅僅為6.3%、4.4%，故控制型鋼數量在合適區間值即可，一方面可節省成本，另一方面可提升結構體系抗拉能力。墩底上游面在單型鋼到五型鋼區間內拉應力穩定在1.5MPa左右，低于結構材料允許值，但型鋼數量超過5根后，其拉應力具有增長態勢，七型鋼、十一型鋼該部位下最大拉應力相比五型鋼時分別增長了7.9%、40.2%，該部位最大拉應力逐步上升到結構體系中最危險面，不利于閘墩結構抗拉，與加固結構“降拉升壓”效益相反[15-16]。因而，筆者認為，為更好保障閘墩結構抗拉效果，控制型鋼數量為5根時方案最優。

圖5 型鋼布設數量與結構拉應力特征關系

2.2 壓應力特征

與此同時，從應力特征中亦可獲得最大壓應力隨型鋼布設數量參數變化特征，如圖6所示。從圖中可看出，結構最大壓應力受型鋼布設數量參數影響變化具有轉折節點，各方案中壓應力最大均為五型鋼設計，以墩頂部位為例，單型鋼、九型鋼、十一型鋼方案中最大壓應力較五型鋼下分別減少了30.6%、15.7%、27%，墩頂部位在型鋼數量為1～5時，各方案間平均增幅為20.1%，而在型鋼數量為5～11時，降幅為9.9%。針對墩底上游面與閘墩加固點兩個部位，其壓應力變化特征基本與墩頂一致，型鋼數量為1～5時，這兩個部位的增幅分別為17.7%、28.3%，而在型鋼數量為5～11時，壓應力降幅分別為10.4%、12.2%。從結構預壓效果來看，控制壓應力處于結構允許值，且預壓狀態最好，設計方案最優，而文章中五型鋼設計方案下的壓應力特征為最佳方案。

圖6 最大壓應力隨型鋼布設數量參數變化特征

3 鋼結構設計參數對結構位移影響

根據對不同型鋼布設數量設計方案下靜力場計算結果，獲得型鋼布設數量影響下各向最大位移變化特征，如圖7所示。從圖中可知，各向位移中閘墩最大位移為Y向，其在各設計方案中為11.1～17.6mm，當型鋼數量為3根時，Y向最大位移為13.6mm，相同設計方案下的X、Z向位移較前者分別降低了33%、53.2%，即閘墩Z向位移值最小，在加固設計時應重點關注Y向位移，各設計方案中Y向位移與Z向位移間差幅為85%～134%，以E方案差幅最小。分析表明，泄流水閘墩在蓄水運營工況下，即使布設有型鋼加固結構，但受自重荷載以及水力沖刷作用影響，閘墩變形主要發生在X、Y向上，即以沉降變形與順水流方向變形為主，此乃是結構滑移失穩趨勢的重要根源。對比不同設計方案中位移變化特征可知，各向位移隨型鋼數量呈先減后增變化，位移值最低均為五型鋼(C方案)，X向位移在該方案下為7.36mm，而型鋼數量增長至7、11后，X向位移較之分別增長了19.5%、66.2%，從增幅區間來看，在型鋼數量為5～11時，X向位移平均增幅達18.5%，結構失穩滑移潛在趨勢加大；而另一方面，當型鋼數量低于5時，X向位移隨型鋼數量為遞減變化，該區間內平均降幅為25.3%。同時，Y向位移變化特征與X向基本一致，且其在五型鋼設計方案前后區間內的變化幅度顯著增大，型鋼數量為1～5、5～11時，Y向位移分別降幅20.4%與增幅12.7%。Z向位移變化幅度無X、Y向顯著，但其變化趨勢與之基本一致，各設計方案中位移變化波動幅度較小，各方案間最大波動幅度為13.3%，屬A～B方案，型鋼數量增幅區間內的幅度亦僅為7.6%。由此可見，控制型鋼布設數量乃是抑制閘墩失穩滑移的重要舉措，而型鋼數量控制在5根時，閘墩各向位移均處于最低，滑移潛在趨勢最弱，對結構運營安全性最可靠。

圖7 型鋼布設數量影響下各向最大位移變化特征

根據對五型鋼設計方案下的靜力場分布特征計算，獲得X、Y向位移與拉應力分布特征，如圖8所示。從圖中可知，X向位移最大區域位于閘墩加固點，而Y向位移最大值位于墩底上游面區域，整體式位移分布狀態較合理，體系位移最大值亦未超過允許值。閘墩上最大拉應力位于墩體側面，靠近墩底上游面附近，結構體系拉應力分布以0.07～0.31MPa為主，穩定性較佳。從方案優化選擇考慮，五型鋼從應力與位移的分布、變化特征，該加固設計方案最適宜。

圖8 X、Y向位移與拉應力分布特征

4 結論

(1)墩底上游面拉應力最大；閘墩頂部與閘墩加固點拉應力隨型鋼數量均為遞減變化，但降幅為減小態勢，而墩底上游面拉應力在五型鋼方案后為遞增。

(2)關鍵部位最大壓應力隨型鋼數量呈先增后減變化，墩頂、墩底上游面與閘墩加固點在型鋼數量為1～5時的平均增幅分別為20.1%、17.7%、28.3%，而在數量為5～11時，降幅分別為9.9%、10.4%、12.2%。

(3)閘墩最大位移為Y向；三向位移隨型鋼數量呈先減后增變化，以Z向位移受影響敏感最弱。

(4)對比各方案靜力特征，五型鋼加固方案對該泄流水閘最為適宜。