基于ANSYS Workbench下鹽河尾水南地涵結構響應特征及疲勞特性研究

宋焰龍，趙澤月，潘 輝

(1.江蘇省灌溉動力管理一處，江蘇 泰州 225300；2.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225300)

水工建筑的安全可靠性與荷載類型、作用時間以及運營特點密切相關，考慮水利結構的動力響應變化，則是應對變荷載、往復荷載的工況。地涵工程運營時，常受上部交通循環荷載影響，從而改變結構運營效率，乃至結構壽命[1-2]。杜為彬[3]、趙天玉[4]為研究地涵結構設計特征，考慮水工設施所處工程環境，開展了結構應力、位移特征研究，從宏觀設計分析涵洞結構的最不利工況，探討地涵結構的最優設計方案。熊磊等[5]、曹睿哲[6]為研究水閘等水利-交通多用途設施，考慮動荷載變化特點，采用仿真計算方法對閘室開展了動力響應計算，分析閘體結構自身加速度、位移響應變化，為工程加固、除險提供依據。陳敏等[7]、吳小龍[8]為研究涵洞、水閘等結構在往復荷載下振動變化，并耦合流固耦合場等實際問題，分析了交通往復荷載下涵洞等結構模型的應力、位移變化，并提出了變荷載與涵洞運營疲勞壽命之間關系，為工程運營提供參考。本文為研究鹽河尾水南地涵工程受上部交通荷載影響特性，分析了往復荷載作用距離、閘門開度兩因素與之關聯性，并探討了涵洞運營疲勞壽命影響變化，針對工程設計提供了相應建議。

1 研究方法

1.1 工程概況

鹽河尾水南地涵工程乃是灌云縣境內新沂河、鹽河以及岑池河交匯區重要水利控制樞紐，對調節上游尾水交匯、新沂河入海以及岑池河泄洪均具有重要水利價值。該地涵洞頂高程為10.6m，上方有供通行交通橋，寬度為4m，采用獨立式抗震構件與洞頂下方承壓板搭接，確保上方交通橋面具有獨立抗震驗算構件，交通橋高度為6.4m。涵首設置有平面鋼閘門，高度可達4.2m，匹配有16t級啟閉機，工作時啟閉機振動引起的自振位移不超過2.5mm，即使在滿開度工況下，啟閉機運營不會造成地涵結構底板或洞口上方交通橋發生較大自振變化，故可不考慮啟閉機引起的自振響應特性。作為區域內多條地表干流的重要水利控制設施，在鹽河尾水地涵工程運營期，進行了全周期全壽命的智慧水利監測分析，結構剖面監測點分布示意如圖1所示，獲得了上部交通橋、閘室底板以及洞墩的結構位移、滲流特征，數據表明，該地涵工程存在較顯著危害的為上部交通橋的反復荷載間歇性變化，在時速為60、80km/h行車荷載下，地涵結構各測點均能獲得X、Y、Z向加速度響應特征，3#、7#測點所獲得X向峰值加速度可達0.08m/s2，不論是通過功率譜或傅里葉變換分析，監測數據均表明，該地涵工程上方交通橋的循環荷載，很容易導致閘洞內發生明顯振動響應，結構變化以及疲勞壽命隨之會有影響變化。為此，地涵管理部門考慮開展對上部交通往復荷載引起的地涵結構響應特征影響進行仿真分析。

圖1 結構剖面監測點分布示意

1.2 建模方法

為準確分析上部往復荷載對下部地涵閘洞結構影響，引入流固耦合仿真計算方法，對閘室結構動力響應水平開展分析。在流固耦合場內，流體運動方程滿足下式：

(1)

式中，c—介質中聲速，m/s；P—聲壓，Pa；t—時間，s。

依據有限元插分求解方法，離散化上式，獲得下列向量表達式：

(2)

對式(1)的運動微分方程離散化表達，獲得下式：

(3)

基于地涵閘洞內流體分布域，考慮邊界條件存在，獲得積分解：

(4)

式中，V—流體分布域，無量綱；δp—壓力增減量，Pa；s—體積模量，Pa；{n}—接觸面法向量，無量綱；{L}—Laplace算子，無量綱。

由于流固耦合場內不僅存在流體運動控制方程，同樣還有固體運動解，因而借助流、固接觸面質點運動方程表達式，獲得下式：

(5)

式中，{W}—接觸面位移矢量方向。

可采用向量表達式，即上式為：

(6)

聯立(4)(6)式后，可得到：

(7)

在地涵閘洞內，受限于上部往復荷載的動力影響，其滲流場、運動場均會發生變化，以運動位移U以及水頭壓力P為分析參數，得到下式：

(8)

式中，{N}、{N′}—壓力、位移的形函數，Pa、m；{Pe}、{Ue}—壓力、位移的矢量式，無量綱。

在流固耦合場內，流固相互作用下仍滿足能量守恒，并假定耗散能僅存在于流固場交界面，聯立(7)(8)式可得到：

(9)

式中，r—邊界處阻抗系數，無量綱。

切換為向量表達后，上式為：

(10)

綜合上述運動方程，可得到流固耦合場質點作用表達式[9-10]：

(11)

式中，ρ0—密度；[Re]—邊界阻抗系數矩陣；N′、N—與工程結構相關的參數矩陣；以上參數均無量綱。

基于上述流固耦合理論分析，借助ANSYS仿真計算平臺開展建模計算[11]，該地涵工程簡化部分附屬建筑后，所建立的交通橋-地涵聯合模型如圖2所示，模型影響域內的順水流方向寬度為8m，垂直水流向長度為12m，涵洞結構高度按照4.5m設定，所在場地影響范圍土層深度為15m，依次從第四系沉積土至粉質砂土層。結合鹽河尾水南地涵工程實際用材，采用四面體單元為網格體，具有三維10節點的自由度，計算參數按照工程實際用料設定。模型的X、Y、Z正向分別取順水流、涵洞閘門開啟向以及豎直上方向。基于上述參數設定，對計算模型進行網格劃分如圖3所示，獲得了有限元仿真模型，地涵結構整體與獨立模型如圖4所示，共獲得了單元數達126432個，節點數168527個，網格精度及質量均滿足計算收斂條件。

圖2 交通橋-地涵聯合模型

圖3 地涵結構整體與獨立模型

圖4 人工粘彈性邊界條件模型

考慮人工邊界影響，采用人工粘彈性修正邊界，相應的邊界法、切向系數分別設定為1.35、0.65，施加邊界條件后模型如圖4所示。計算荷載包括了上部交通往復荷載以及自身結構自重，第一部分往復荷載為本文研究重點，后部分結構自重直接按照靜荷載考慮；由于往復荷載受多因素影響，如荷載作用點以及涵洞啟閉狀態等，均會影響往復動荷載對結構計算結果。因而，本文研究對象設定有往復荷載的作用距離L以及涵洞閘門開度α，分別探討兩因素下涵洞結構動力響應水平。

2 地涵結構響應特征分析

為研究地涵結構在交通往復荷載作用下響應特征差異，分別設定了往復荷載的作用距離L與涵洞閘門開度α研究組，其中前者距離組分別有0、10、20、30、40、50、60、70、80、90m共10組，此距離指荷載作用點與交通橋面中心點間距；后者閘門開度α組分別設定開度0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1，開度α以多孔閘門全部開啟時為1進行換算[12]。

2.1 往復荷載作用距離

基于交通往復荷載不同作用距離方案下仿真計算，獲得了往復荷載作用距離與涵洞結構等效應力、位移響應關系，如圖5所示。分析圖5(a)可知，總體上往復荷載作用距離愈遠離橋面中心，則等效應力愈低，尤以作用距離L為60m后，等效應力響應值實質上處于較低水平，穩定在0.009MPa。在往復荷載作用距離L為0～50m時，等效應力隨作用距離依次遞減，但降幅逐步減弱，如作用距離0～30m時，等效應力分布為0.14～0.019MPa，降幅依次為63.7%、41.9%、32.8%，而在作用距離40、50m時，降幅分別為26.4%、15.7%，甚至在作用距離80～90m時，等效應力響應值降幅僅為5%左右。由此可知，往復荷載作用距離對涵洞結構影響為逐步減弱，荷載作用距離安全區間應在60m內。

圖5 作用距離對結構響應特征影響

從圖5(b)可看出，在荷載不同作用距離下，涵洞結構高度方向上位移響應變化趨勢各有不同，在作用距離L為0～40m時，位移響應變化以結構高度3m為分界點，在結構高度3～4.5m上，結構位移響應具有更顯著增幅，實質上該區間內位移響應值早已超過涵洞允許值。不同的是，在作用距離為60、80m時，位移響應增長較穩定，且增幅弱于前者方案，如作用距離80m方案下，涵洞結構位移響應分布為0.084～0.174mm，結構高度方向上位移平均增幅僅為5.4%。由此可知，往復荷載作用距離差異性，會導致結構高度方向上結構響應幅度以及趨勢變化的不同。

2.2 涵洞閘門開度

同樣的，從計算結果中提取獲得了不同開度方案下涵洞模型的動力響應變化，如圖6所示。由圖6(a)中等效應力變化可知，當閘門開度增大，等效應力均為遞增，尤以閘門開度0.4后，應力增幅最顯著。在閘門開度0～0.4時，等效應力分布于0.015～0.018MPa，平均增幅僅為5.8%，而閘門開度0.6～1下，等效應力增幅一級比一級高。不難看出，當閘門開度增大，實質上涵洞內流固耦合場作用效應更強，動、靜水壓力的變換，對涵洞模型等效應力有一定疊加作用影響。

圖6 閘門開度對結構響應特征影響

分析圖6(b)可知，不論閘門開度α如何變化，涵洞高度方向上位移響應變化趨勢并不會發生較明顯差異，均較穩定遞增，洞頂位移始終高于洞底。另一方面，閘門開度α遞增或遞減，結構位移響應值差異也較小，如閘門開度α為0、0.2時，位移響應值分布為0.139～0.182、0.149～0.196mm，在高度方向上位移平均增幅分別為1.9%、2.3%，而閘門開度為0.4、0.8時，位移值較前兩者增長并不顯著，平均增幅甚至基本接近，為2.4%、2.3%。分析表明，閘門開度α變化，涵洞高度方向上位移響應值差異性較小，位移增幅以及位移值均受之影響較弱，主要影響仍在于應力水平。

3 地涵結構疲勞特性分析

在交通往復荷載作用下，實質上涵洞結構運營壽命會有一定影響，分析地涵結構疲勞特性有其工程意義，在ANSYS Workbench中，通過自定義線性結構材料因子，考慮載荷作用距離以及閘門開度因素影響，獲得了涵洞結構疲勞壽命，并以循環次數N作為壽命衡量指標，如圖7所示。

圖7 涵洞結構疲勞壽命影響變化

由圖7中疲勞壽命N變換過程可知，荷載作用距離與疲勞壽命為正相關特征，尤以疲勞壽命60m后，疲勞壽命隨之增長更明顯，在閘門開度α為0.2時，作用距離0～50m時，疲勞壽命N分布于4.18×1014～1.37×1015，平均增幅為27.3%，而在作用距離60～90m時，疲勞壽命平均增幅可達2.35倍，分布于4.66×1015～1.69×1017。當閘門開度增大，疲勞壽命與荷載作用距離關聯性并未發生變化，且整體上疲勞壽命N變幅基本較為接近其他開度方案。當閘門開度增大，涵洞結構疲勞壽命N均為遞減，如開度α為0時，荷載作用距離40m下疲勞壽命為1.08×1016，而同作用距離下的開度α為0.2、0.8方案下疲勞壽命較前者分別減少了89.6%、99.4%。由此分析，閘門開度會改變涵洞結構運營疲勞壽命，但影響效應弱于荷載作用距離因素；從工程設計考量，應著重于涵洞上方交通往復荷載的控制，閘門開度保持在合理、規范運營即可。

4 結語

(1)荷載作用距離愈大，則涵洞結構應力響應愈低；荷載作用距離會影響涵洞高度方向上位移響應變化，尤以作用距離60m后，位移響應增幅減弱且趨于穩定。

(2)閘門開度增大，等效應力遞增，開度0.4后增幅最顯著；閘門開度變化，不會改變涵洞結構位移響應變化趨勢，對位移響應值影響也較低，各方案下位移響應值增幅接近，為2%左右。

(3)研究得到荷載作用距離與涵洞疲勞壽命參數N為正相關關系；同時，閘門開度增大，疲勞壽命N遞減，整體遞減效應較弱，影響幅度不及往復荷載作用距離因素。