中小型涵閘的安全運(yùn)行與除險(xiǎn)加固

王紅蕾

(利辛縣河道保護(hù)管理中心，安徽 利辛 236700)

0 引 言

中小型涵閘是水利工程施工的重要基礎(chǔ)設(shè)施，涵閘的安全運(yùn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，對(duì)促進(jìn)水利工程的設(shè)計(jì)、施工、安全監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)等方面具有重要意義。結(jié)合結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)、數(shù)值分析計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)原型的方法，通過(guò)結(jié)構(gòu)模型參數(shù)分析，建立中小型涵閘的環(huán)境參數(shù)分析模型，通過(guò)應(yīng)力分布分析和變形性態(tài)特征檢測(cè)，結(jié)合小型穿堤涵閘研究計(jì)算試驗(yàn)和數(shù)值分析計(jì)算，進(jìn)行中小型涵閘的安全運(yùn)行與除險(xiǎn)加固分析，通過(guò)對(duì)中小型涵閘的安全運(yùn)行參數(shù)、邊界條件、環(huán)境因素分析，進(jìn)行險(xiǎn)情加固，提高排查水閘安全隱患能力[1]。

對(duì)中小型涵閘的安全運(yùn)行與除險(xiǎn)加固是建立在對(duì)涵閘的安全運(yùn)行穩(wěn)定性和數(shù)值分析基礎(chǔ)上，通過(guò)小型涵閘結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性分析，結(jié)合涵閘的實(shí)際狀態(tài)模擬，進(jìn)行涵閘的安全運(yùn)行及險(xiǎn)情排查[2-3]。文獻(xiàn)[4]中提出有限元軟件計(jì)算下的某穿堤涵閘基礎(chǔ)變形分析方法，利用有限元軟件建立數(shù)值模型，根據(jù)水文地質(zhì)資料分析進(jìn)行涵閘險(xiǎn)情排查分析，但該方法進(jìn)行軟土地基沉陷排查的穩(wěn)定性不好。文獻(xiàn)[5]中提出水工涵閘混凝土裂縫控制技術(shù)及設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算模型，由于混凝土裂縫的逐步擴(kuò)張，嚴(yán)重影響水工涵閘的正常使用，通過(guò)對(duì)水工涵閘混凝土裂縫的控制，提高了涵閘的安全運(yùn)行穩(wěn)定性，但該方法對(duì)涵閘混凝土熱學(xué)性能、力學(xué)性能解析能力不好。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出基于有限元軟件和數(shù)值模擬的中小型涵閘安全運(yùn)行與除險(xiǎn)加固方法。首先根據(jù)中小型涵閘的力學(xué)性能參數(shù)，參照洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行中小型涵閘安全運(yùn)行的參數(shù)分析，通過(guò)地基反力法進(jìn)行中小型涵閘安全運(yùn)行過(guò)程中的荷載及力學(xué)模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)中小型涵閘安全運(yùn)行分析和險(xiǎn)情排查加固，對(duì)加強(qiáng)施工管理，提高涵閘安全除險(xiǎn)和加固能力方面具有重要意義。

1 中小型涵閘的荷載參數(shù)分析和數(shù)值模型計(jì)算

1.1 中小型涵閘荷載參數(shù)分析

結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析的方法，進(jìn)行中小型涵閘的荷載參數(shù)分析，根據(jù)中小型涵閘材料性質(zhì)與外載荷變化特征，通過(guò)物理模型與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法，分析中小型涵閘荷載參數(shù)的應(yīng)力與變形特征量，根據(jù)梁和地基的彈性體模型參數(shù)分析，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法[6]，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)，按照結(jié)構(gòu)力學(xué)規(guī)范進(jìn)行中小型涵閘的荷載參數(shù)計(jì)算。分析中小型涵閘出現(xiàn)安全隱患的原因，中小型涵閘主要是采用混凝土結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理和施工質(zhì)量不合格的因素，容易導(dǎo)致中小型涵閘的支座出現(xiàn)裂縫和脫落，影響整體結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致中小型涵閘的整個(gè)受力結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生過(guò)載，影響擋水性能。中小型涵閘出現(xiàn)安全運(yùn)行危險(xiǎn)的主要原因分布圖見(jiàn)圖1。

圖1 中小型涵閘的安全運(yùn)行影響因素

根據(jù)涵管與涵閘室中間部件材料控制的方法，建立涵閘安全除險(xiǎn)和加固的結(jié)構(gòu)沉降參數(shù)過(guò)濾和分析模型，結(jié)合混凝土材料的四自由度變形特征分析，進(jìn)行混凝土強(qiáng)度與齡期的增長(zhǎng)指數(shù)相關(guān)性分析。設(shè)定涵閘的鋼筋計(jì)的外徑28 mm，測(cè)量范圍為最大壓應(yīng)力200 MPa，采用 609A 型測(cè)讀儀讀取垂直水流和順?biāo)鞯牧W(xué)參數(shù)，采用XF-100/110 系列振弦式鋼筋測(cè)力器進(jìn)行平底板結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)分析，得到涵閘鋼筋計(jì)零點(diǎn)頻率與安裝后的初始頻率及校核，見(jiàn)表1。

表1 涵閘鋼筋計(jì)零點(diǎn)頻率與安裝后的初始頻率及校核

根據(jù)孔隙介質(zhì)的力學(xué)響應(yīng)分析方法，對(duì)涵閘鋼筋計(jì)零點(diǎn)頻率K值進(jìn)行分析，設(shè)定彈性模量依次為9.6、7.2和25 MPa，獲得單元體個(gè)數(shù)220 622 個(gè)，采用小型涵閘的裂隙補(bǔ)償和填補(bǔ)方法，建立單相飽和各向異性檢測(cè)模型，分析涵閘表面張力作用引起的基質(zhì)孔隙參數(shù)，基于線彈性變形的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行邊界條件疊加，實(shí)現(xiàn)中小型涵閘荷載參數(shù)解析[7]。

1.2 中小型涵閘的安全運(yùn)行強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)中小型涵閘的力學(xué)性能參數(shù)，建立以土荷載和邊荷載為約束變量，設(shè)第1種受力狀態(tài)下有m種不同類(lèi)型的除險(xiǎn)加固穩(wěn)態(tài)分析，分別占據(jù)空間Ω(1)、Ω(2)、…、Ω(m)，按中小型涵閘的安全運(yùn)行的偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，得到第1相流體的壓力，通過(guò)多相氣體和多相液體均勻混合處理，建立中小型涵閘中各相流體的有效應(yīng)力動(dòng)態(tài)方程：

(1)

其中：Kvo為屈服前加載剛度；Kd為水平屈服后剛度；θ為剪切變形相位參數(shù)；n為支座的臨界屈曲壓力；Kvd,L為單位寬度閘室底板總的力；Kvd,u,L為閘底板各斷面處彎矩。由此基于臨界屈曲應(yīng)分析，根據(jù)中小型涵閘的力學(xué)性能參數(shù)，建立以土荷載和邊荷載為約束變量分析模型，得到屈服后加載剛度為：

(2)

以閘底板地面為建基面，建立涵閘的荷載與豎向位移關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 涵閘的荷載與豎向位移關(guān)系曲線

根據(jù)圖2涵閘的荷載與豎向位移關(guān)系曲線分布，計(jì)算閘底板各斷面處彎矩及剪力值，通過(guò)計(jì)算并整理底板的彎矩和剪力，進(jìn)行安全運(yùn)行參數(shù)分析和除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)[8]。

2 中小型涵閘的安全運(yùn)行有限元分析

2.1 中小型涵閘的安全運(yùn)行的力學(xué)參數(shù)解析

根據(jù)人工回填土土變形云圖分析，參照洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)地基反力法進(jìn)行中小型涵閘的安全運(yùn)行過(guò)程中的荷載及力學(xué)模型計(jì)算，在 Winkle 假定條件下，考慮梁上荷載的作用參數(shù)影響，建立中小型涵閘的安全運(yùn)行的組合力學(xué)模型。力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)值見(jiàn)表2。

表2 中小型涵閘的安全運(yùn)行力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)值

采用一臺(tái)電液伺服加載機(jī)進(jìn)行中小型涵閘的安全運(yùn)行應(yīng)變加載控制，作動(dòng)器行程 300 m，測(cè)試剪應(yīng)變作用下豎向剛度的衰減，公式如下：

(3)

其中：Kv0為臨界屈曲應(yīng)力；P為豎向屈服加載系數(shù)；Kd為并聯(lián)后組合的力學(xué)控制參數(shù)。

建立中小涵閘雙重孔隙介質(zhì)壓縮模量解析模型，根據(jù)壓縮模量參數(shù)分析，進(jìn)行除險(xiǎn)加固有限元分析。

2.2 除險(xiǎn)加固有限元分析模型

分析涵閘基礎(chǔ)梁承受邊荷載P對(duì)安全運(yùn)行與除險(xiǎn)加固的影響，將自然沉降應(yīng)力計(jì)算結(jié)果作為初始應(yīng)力場(chǎng)，得到梁各截面處的損傷面積。采用離散性造價(jià)約束關(guān)系，根據(jù)位移云圖的精確程度，得到地基受力模型參數(shù)為：

(4)

其中：f為覆土前工況中涵閘的自重；g為基礎(chǔ)的密度參數(shù)；λ為混凝土泊松比；ω1為邊荷載作用；ω2為混凝土彈性模量。

不考慮邊荷載作用，得到涵閘的受力點(diǎn)變換模型參數(shù)表示為：

(5)

根據(jù)Winkle假定，結(jié)合彈性地基梁法實(shí)現(xiàn)對(duì)中小型涵閘的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和彈性模量分析，得到底板單元自定義切片彎矩為：

(6)

根據(jù)受力特性分析，建立中小型涵閘的安全運(yùn)行的有限元分析模型，進(jìn)行水閘的安全運(yùn)行工況分析和除險(xiǎn)加固分析[9]。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

采用數(shù)字模擬方法，基于 ABAQUS 有限元分析軟件進(jìn)行中小型涵閘的安全運(yùn)行參數(shù)分析和模擬。設(shè)定作動(dòng)器行程 300 mm，中小型涵閘運(yùn)行的模型參數(shù)最大采樣頻率為592 Hz，基礎(chǔ)的密度參數(shù)為1 870 kg/m3；重力加速度為g=9.8 m/s2。試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)平臺(tái)

在圖3的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，進(jìn)行涵閘的有限元分析，得到自重狀態(tài)下的涵閘受力圖，見(jiàn)圖4。

圖4 涵閘在自重狀態(tài)下的受力圖

根據(jù)圖4的受力有限元分析，取水閘底板中間部位，得到彎矩、剪力和軸力，見(jiàn)表3。

表3 彎矩、剪力和軸力參數(shù) /kN

續(xù)表3 /kN

根據(jù)表3的參數(shù)解析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)中小型涵閘運(yùn)行的除險(xiǎn)加固，得到中小型涵閘的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖5。分析圖5可知，采用本文方法進(jìn)行中小型涵閘除險(xiǎn)加固，提高了穩(wěn)定性；彎矩和剪力的分布規(guī)律性較好，能保障中小型涵閘的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 加固荷載穩(wěn)定性測(cè)試

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了中小型涵閘的環(huán)境參數(shù)分析模型，對(duì)中小型涵閘的安全運(yùn)行與除險(xiǎn)加固進(jìn)行了分析，提出了基于有限元軟件和數(shù)值模擬的中小型涵閘的安全運(yùn)行與除險(xiǎn)加固方法。同時(shí)，分析了涵閘表面張力作用引起的基質(zhì)孔隙參數(shù)，并基于線彈性變形的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行邊界條件疊加，實(shí)現(xiàn)了中小型涵閘荷載參數(shù)解析。測(cè)試結(jié)果表明，采用本文方法進(jìn)行中小型涵閘除險(xiǎn)加固穩(wěn)定性較好，可靠性較高，參數(shù)解析準(zhǔn)確可靠。