水閘反拱底板有限元法分析及效果

黃冰強

（中工武大設計集團有限公司安徽分公司，合肥 230000）

1 有限元法分析反拱底板應力

1.1 ABAQUS有限元軟件分析原理

ABAQUS是一款有限元分析軟件， 它可以將現實中的復雜結構進行精確模擬， 解決工程中一些的高度非線性工程模型。

本次研究采用在主從接觸算法的硬接觸模型，基本原則是： 在不同構件接觸時確定閘室主體為主接觸面，地基作為從接觸面，硬化規律采用各向同性的假定， 流動法則采用相關聯的流動法則（Associated Flow Rule），根據材料與靜水壓力是否相關屈服準則采用線性摩爾-庫侖準則 （Linear Mohr-Coulomb Law）和Von Miss準則。

1.2 模型建立及網格劃分

在建模初期， 合理選取地基模型尺寸范圍對整體結構有限元分析結果影響較大， 根據國內外相關文獻中對試驗模型尺寸的要求， 垂直水利方向地基尺寸范圍可取2～4 倍的水閘寬度， 即順水流方向地基尺寸范圍可取2～4 倍的水閘長度， 即模型基礎深度可取的1.0～1.5倍。 具體模型如圖1和圖2。

圖1 整體模型

圖2 底板模型

1.3 材料參數及計算水位

根據水閘的檢測資料和地勘成果確定本次模型材料表，各地層基礎設計參數取值可如表1，閘室主要材料特性參數如表2。

表1 各地層基礎設計參數取值

表2 閘室主要材料特性

針對該水閘實際運行工況， 本次計算選取基本組合和特殊組合兩種工況下水位進行分析，如表3。

表3 水位組合 單位：m

1.4 計算結果分析

根據上述基礎資料， 通過有限元分析得到該閘在兩種代表工況下拉應力情況，具體如圖3，圖4。

圖3 基本組合底板主拉應力

圖4 特殊組合底板主拉應力

根據計算出的閘室底板應力圖可知， 從閘底板底層看邊孔和通航底板底層， 主拉應力比中側底板底層更大； 從閘底板表層看邊孔與通航孔底板表面主拉應力比較小， 而中間的排水孔閘室底板表面主拉應力則較大， 應力變化趨勢表現為跨中大二端較小，變化趨勢相同。

現將閘室兩側邊孔有限元計算數據結果整合分析，得出兩種代表工況下應力趨勢對比，如圖5，圖6，可看出兩側閘孔從拱端至拱頂應力數值變化。

圖5 邊孔主拉應力對比

從兩組合邊孔和通航孔底板的主拉應力趨勢圖可知， 兩種組合下邊孔與通航孔主拉應力運行的變化趨勢基本一致， 均位于閘室外側拱端與閘墩連接處，在拱頂處主拉應力均最小。

2 常規計算法與有限元法的比較

2.1 常規方法簡介

較為成熟的反拱底板內力計算方法有控制點協調法和彎矩分配法，兩種方法均有不同的假定條件，如下：

控制點協調法考慮將底板與地基緊密接觸，在受力時，底板和地基上每個受力點位移一致。本次計算時不考慮拱圈水平位移， 拱圈上每個點得垂直位移均看作相同。

彎矩分配法假定地基反力均勻分布； 另外反拱的左右拱端都有相應的豎直放置或變位法， 為近似計算，針對多孔水閘始，考慮邊孔荷載與中間閘孔出現1～2mm位移差，實際計算時按無鉸拱結構考慮。

2.2 比較分析

本文適用控制點協調法、力矩分配法、有限元法對該閘進行計算并統一量化結果， 現分別比較得到圖7，圖8。

圖7 控制點協調法、與有限元法結果比較

圖8 力矩分配法與有限元法結果比較

3種方法計算的基本理論不相同， 結果均有不同，現得出以下分析：

（1）控制點協調法，力矩分配法在計算時均需要假定位移、計算原理等邊界條件與實際或有出入，相對來說， 控制點協調法可解決閘孔數較少情況下水閘反拱底板內力計算；力矩分配法局限計算邊側3～5孔內力，在多孔閘室情況下，受力和位移變化復雜，中間孔受力計算準確性較差。

（2）基于數值分析法的有限元法相對于以上兩種方法分析反拱底板更全面，可以克服其缺點，對閘室結構進行整體分析。

3 結語

（1）從水閘單跨反拱底板應力角度分析，拱頂主拉應力最小，兩側拱端較大，從拱端到拱頂的應力變化趨勢基本是線性和均勻的， 另外兩側拱端拉應力以閘室臨土側拱端與閘墩連接處主拉應力最大。

（2）從多孔水閘反拱底板分析，從閘底板底層看邊孔和通航底板底層， 主拉應力比中側底板底層更大； 從閘底板表層看邊孔與通航孔底板表面主拉應力比較小， 而中間的排水孔閘室底板表面主拉應力則較大。

（3）通過有限元法和常規計算方法對反拱底板計算結果進行分析， 常規的控制點協調法和力矩分配法在計算時準確性較差，并均有局限性；有限元法不需要假定邊界條件，分析結果相對更為準確。