基于ABAQUS的閘室結構整體抗震安全分析

郭子豪 趙英智 楊志剛 蘇鍇

摘要：抗震安全是水閘結構安全中的重要組成部分，對水閘進行抗震安全復核十分必要。以北京市順義區南彩節制閘為研究對象，基于ABAQUS三維有限元分析軟件，采用振型分解反應譜法對閘室結構整體抗震安全進行有限元復核分析計算。計算結果表明：在正常蓄水工況地震作用下，閘室最大拉應力及壓應力均出現在閘墩與排架柱連接處，分別達到6.70 MPa和7.74 MPa，結合工程現場結構配筋考慮，結構滿足安全需求。不同工況作用下，閘室結構抗滑穩定安全系數大于水閘設計規范要求值，滿足安全需求。工程抗震構造措施不滿足現行規范要求，南彩節制閘閘室結構抗震安全綜合評定為B級。

關鍵詞：節制閘；振型分解反映譜法；抗震安全復核；結構安全評價

中圖法分類號：TV662 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.008

文章編號：1006-0081（2024）02-0048-05

0 引 言

相關研究表明，地震作用對水閘安全影響很大。為確保水閘結構在地震作用下能正常發揮作用，早期學者采用擬靜力法對水閘結構進行抗震安全研究。但擬靜力法是以靜力形式模擬地震放大效應的方法，僅在有限程度上反映荷載的動力特性，不能反映各種材料自身的動力特性以及結構物之間的動力響應，更不能反映結構物之間的動力耦合關系。水閘為三維空間結構，按平面方法簡化計算，會忽略閘室各構件之間的聯系，計算結果與實際有所偏差。隨著有限元及計算機技術的發展，閘室結構的分析方法有了較大突破。根據相關研究，對于閘室的抗震安全，基于有限元法所得計算結果較擬靜力法更為準確。三維有限元數值模擬技術在水閘結構領域得到了廣泛運用，但對拉應力超過混凝土抗拉強度區進行安全校核的研究還較少。有學者提出了有限元模擬和結構力學計算相結合的方法對水閘進行抗震安全研究，但均是對水閘中某一聯而不是閘室整體進行模擬計算，不能體現水閘閘室結構整體受力特性。本文采用有限元數值模擬技術和結構力學相結合的方法對北京市順義區南彩閘閘室結構整體進行抗震安全復核。

1 工程概況

南彩節制閘位于北京市順義區箭桿河上段樁號12+700～12+800，主要由上游鋪蓋、閘室、消力池、海漫及下游防沖槽、工作橋、檢修橋等組成，如圖1所示。

南彩節制閘設計洪水標準為20 a一遇，校核標準為50 a一遇，工程規模為中型。根據GB 18306-2015《中國地震動參數區劃圖》及GB 51247-2018《水工建筑物抗震設計標準》，查得地震動峰值加速度為0.20g，抗震基本烈度為Ⅷ度。閘室順水流方向長12.0 m，寬22.3 m。閘墩寬1.0 m，高4.7 m，閘底板厚900 mm。閘室設計為5孔平板閘門，檢修門槽尺寸為600 mm×300 mm（寬×深），工作門槽為600 mm×300 mm（寬×深），閘門采用SPGZ 3.5 m×3.0 m（寬×高）鑄鐵閘門。閘總凈寬17.5 m，閘底板鋼筋混凝土的規格為C30F150W4，其他部位鋼筋混凝土規格均為C25F150W4。主要設計指標見表1。

2 有限元模型及相關參數

根據南彩節制閘閘室設計圖，采用ABAQUS三維有限元分析軟件建立閘室結構立體模型，模型由閘室底板、閘墩、鋼閘門、排架柱等組成。模型節點個數為120 492，單元個數為943 10，均采用八結點六面體單元進行空間離散。此次數值模擬中，采用X（橫河向），Y（順河向），Z（鉛直向）的笛卡爾坐標系，計算時在節制閘閘底板底部施加X，Y，Z向位移約束，按正常蓄水位閘前水深28.20 m、閘后無水進行模擬計算，具體模型如圖2所示。

南彩節制閘主要承受的荷載有結構自重、靜水壓力、泥沙壓力、揚壓力、土壓力及啟閉機荷載等。考慮地震對該閘的影響，對南彩節制閘閘室結構進行正常蓄水工況的位移、應力及穩定性分析。正常蓄水位工況考慮的荷載組合包括結構自重、靜水壓力、泥沙壓力、揚壓力、土壓力、浪壓力、風壓力、啟閉機荷載和地震荷載。此次有限元模擬計算中，結構自重主要為閘底板、閘墩、交通橋以及啟閉機房等的重量，重力加速度g取9.81 m/s，混凝土材料參數取值見表2。由于該工況下閘后無水，僅考慮閘前水體對閘室的作用，且計算時不單獨計算泥沙壓力，將水作為渾水考慮，密度取1 100 kg/m。揚壓力、浪壓力、風壓力及土壓力等均按相關設計規范取值計算。

GB 51247-2018《水工建筑物抗震設計標準》第3.0.3條規定，對依據現行國家標準GB 18306-2015《中國地震動參數區劃圖》確定其設防水準的水工建筑物，一般工程應取其場址所在地區地震動峰值加速度的分區值作為水平向，設計地震動峰值加速度代表值，將與之對應的地震基本烈度作為設計烈度。南彩節制閘工程等別為Ⅲ等中型工程，由GB 51247-2018《水工建筑物抗震設計標準》第3.0.1條可知，該節制閘工程設防類別為丙類。因此，南彩節制閘工程抗震設計烈度為Ⅷ度。本次采用振型分解反應譜法對節制閘工程進行抗震復核計算時，水閘結構反應譜最大值的代表值β取2.25，地震動反應譜特征周期為0.35 s，阻尼比為7%。

為體現鋼筋作用，混凝土彈性模量采用等效彈性模量。在線彈性階段，鋼筋和混凝土協調變形，具體等效原則如下：

式中：E為鋼筋混凝土材料等效的彈性模量，GPa；E為素混凝土彈性模量，GPa；E為鋼筋彈性模量，GPa；A為鋼筋截面面積，m；A為混凝土截面面積，m。

3 閘室結構自振特性分析

采用Westergard的附加質量法考慮閘前水對閘室結構的作用，對南彩節制閘閘室結構自振特性進行分析，見表3。可以看出，在正常蓄水工況下，南彩節制閘閘室結構自振頻率均較大。閘室結構1階自振頻率為7.408 Hz，周期0.135 s；4階自振頻率相比于1階頻率擴大近3倍，為21.93 Hz，周期0.046 s；最大10階自振頻率達到了52.638 Hz，周期0.019 s，比1階自振頻率擴大7倍左右。造成這種情況的主要原因是該節制閘閘室結構每孔寬度較小，且孔與孔之間未設計分縫，閘室結構整體剛度較大，進而導致閘室結構各階自振頻率偏大。

4 模擬計算結果分析

依據上述模型及各計算參數，考慮地震作用，對南彩閘閘室結構進行振型分解反應譜法動靜疊加計算，得到閘室結構位移、應力的計算結果，由此可對閘室結構強度及穩定性進行分析研究。由于篇幅原因，本文僅給出部分位移、應力云圖。

4.1 位移計算結果分析

圖3為動靜疊加下節制閘閘室結構X向位移云圖。由圖3可知，受地震作用影響，閘室結構在啟閉機房底板頂部位置出現較大橫河向位移，為典型的鞭梢效應，在靜+動和靜-動工況下閘室結構位移最大數值均為2.7 mm。相較于類似開敞式水閘結構，由于節制閘閘室結構自身剛度較大，導致不同疊加方式下位移數值計算結果偏小。

根據圖4（a）可以看出，在正常蓄水工況地震作用下，受地震作用影響，排架柱與閘墩連接部位處拉應力較大，其余部位拉應力數值均未超過1.00 MPa。依據GB 51247-2018《水工建筑物抗震設計標準》，C25混凝土動態抗拉強度為1.43 MPa，C30混凝土動態抗拉強度為1.72 MPa（混凝土動態抗拉強度取其動態抗壓強度的10%，混凝土動態抗壓強度較靜態抗壓強度提高20%，下同），圖中除排架柱與閘墩連接部位外均未超過規范要求，滿足安全需要。

對于排架柱與閘墩連接部位，其最大拉應力為6.70 MPa。事實上，在正常蓄水位地震作用下，排架柱為受彎構件，根據SL 191-2008《水工混凝土結構設計規范》中正截面受彎承載力及純彎構件正應力計算公式，并結合排架柱配筋情況，計算得知此處能承受的最大拉應力為8.95 MPa，大于該處最大拉應力數值，滿足安全需求。排架柱均采用25鋼筋，具體配筋圖如圖5所示，具體計算公式如下：

當截面受彎且截面形狀為矩形或翼緣受拉的倒T形截面時，正截面受彎承載力計算公式如下：

當在計算中不符合式（4）條件時，正截面受彎承載力應采用下列公式：

KM≤fA（h-a′） ???（5）

式中：f為混凝土軸心抗壓強度設計值，N/mm；b為矩形或T形截面的腹板寬度，mm；x為受壓區計算高度，mm；h為截面有效高度，mm；A為縱向受拉鋼筋的截面面積，mm；A′ 為縱向受壓鋼筋的截面面積，mm；f為鋼筋抗拉強度設計值，N/mm；f′ 為鋼筋抗壓強度設計值，N/mm；a′ 為受壓鋼筋合力點至受壓區邊緣的距離，mm。

等直梁在純彎曲時橫截面上任一點處正應力的計算公式為

式中：M為橫截面上彎矩，kN·m；I為橫截面對中性軸z彎矩的慣性矩，mm；y為所求應力的點到中性軸z的距離，mm；

除拉應力外，排架柱與閘墩連接部位也出現了較大壓應力區，最大壓應力值為7.74 MPa，見圖4（b）。規范規定的C25混凝土動態抗壓強度為14.28 MPa，C30混凝土動態抗壓強度為17.16 MPa，該閘室結構最大壓應力數值未超過規范要求，滿足安全需要。

4.3 穩定計算結果分析

表4為南彩節制閘閘室結構在動靜疊加下的抗滑穩定計算結果。閘室結構豎向荷載為15 394.62 kN。水平向荷載計算時，由于地震作用是隨機往復的，應考慮水平地震慣性力朝上游及下游兩種工況。當水平向地震慣性力朝上游時，作用在閘室上的水平向荷載為541.05 kN，此時閘室結構抗滑穩定系數為7.11；當該水平向地震慣性力朝下游時，作用在閘室上的水平向荷載為2 635.21 kN，此時閘室結構抗滑穩定系數為1.46。對比兩種工況可以看出，當水平向地震慣性力朝下游時，閘室承受水平向荷載最大，為最不利工況，在該工況下抗滑穩定安全系數仍大于水閘設計規范中要求的1.05，滿足安全需求。

4.4 抗震構造措施分析

南彩節制閘為5孔鋼筋混凝土開敞式水閘，閘室結構布置勻稱、整體性強，符合SL 203-1997《水工建筑物抗震設計規范》中對水閘閘室抗震措施的要求。閘墩和閘底板采用C30混凝土，啟閉機排架和上下游翼墻結構為C25混凝土。根據現場檢測結果，翼墻部位混凝土抗壓強度推定強度介于21.3～32.5 MPa之間，有1個構件不滿足混凝土設計要求。因此，該節制閘工程混凝土強度等級不滿足SL 203-1997《水工混凝土結構設計規范》中規定的“設計烈度為7、8度時，混凝土強度等級不應低于C25”的要求。

5 結 論

基于ABAQUS三維有限元分析軟件，采用振型分解反映譜法對南彩節制閘閘室結構進行了抗震安全復核計算，結論如下。

（1）在正常蓄水工況地震作用下，受地震作用影響，除排架柱與閘墩連接部位拉應力較大外，其余部位拉應力數值均未超過C25混凝土和C30混凝土動態抗拉強度，滿足安全要求。對于排架柱與閘墩連接部位，根據結構實際受力情況進行復核計算，受拉應力值為6.70 MPa，未超過此處能承受的最大拉應力8.95 MPa，強度滿足安全需求。

（2）排架柱與閘墩連接部位出現了較大壓應力區，最大壓應力值為7.74 MPa，未超過C25混凝土和C30混凝土動態抗壓強度，滿足安全需求。

（3）不同工況作用下，閘室結構抗滑穩定安全系數大于水閘設計規范要求，滿足安全需求。

參考文獻：

［1］ 陳家東，林明標，陳積瞻，等. 海南牛路嶺灌區工程高大跨度拱式渡槽抗震性能分析［J］.水利水電快報，2022，43（9）：35-39，48.夏甜.基于ANSYS的佛山市北村水閘鋼閘門三維有限元結構計算分析［J］.中國水運（下半月），2016，16（12）：139-140.

［2］ 曾迪，邸慶霜.水閘震害調查與抗震研究進展［J］.水利水電技術，2014，45（10）：42-44.

［3］ MIAO Y，SUN T，ZHU H，et al.A new model for the analysis of reinforced concrete members with a coupled HdBNM/FEM［J］.Applied Mathematical Modelling，2014，38（23）：5582-5591.

［4］ 薛守寧.基于反應譜理論的泄洪閘抗震設計研究［J］.人民長江，2022，53（增1）：91-95

［5］ 胡曉.水閘震害調查與分析［J］.水力發電，2009，35（5）：18-20.

［6］ 詹文芳.漿砌石水閘上部結構抗震分析［J］.中國水能及電氣化，2017（6）：59-62.

［7］ 麻媛.基于ANSYS的水閘-地基體系抗震分析［J］.人民黃河，2014，36（12）：101-103，106.

［8］ 郭博文，常芳芳，李娜，等.攔河閘閘室結構抗震安全復核研究［J］.人民黃河，2021，43（增1）：19-22.

［9］ 滿廣生.水閘設計及閘室結構的有限元分析［D］.合肥：合肥工業大學，2003.

［10］ 杜思義，張海龍.影堂水閘的抗震計算分析［J］.世界地震工程，2014，30（2）：7-12.

［11］ 郭博文，魯立三，王荊，等.基于有限元法的跌水閘閘室結構抗震安全復核研究［J］.中國農村水利水電，2021，465（7）：155-160.

［12］ 方文杰，李艷，戚翔宇，等.基于有限元法的進水閘閘室結構安全復核研究［J］.水利水電技術（中英文），2022，53（增2）：158-164.

［13］ 郭博文，魯立三，王荊，等.渭河攔河閘閘室抗震安全復核［J］.南水北調與水利科技（中英文），2021，19（5）：1024-1031，1040.

（編輯：李 慧）

Seismic safety analysis of whole control chamber structure based on

ABAQUS：a case study of Nancai control gate at Jiangan RiverGUO Zihao，ZHAO Yingzhi，YANG Zhigang，SU Kai

（1.School of Civil Engineering and and Communication，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China； 2.Henan Huangke Engineering Technology Testing Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，China）

Abstract：Seismic safety is an important part of sluice safety，so it is necessary to review the seismic safety of sluices. Based on ABAQUS，the seismic safety of the whole chamber structure of Nancai Control Gate at Jiangan River in Shunyi District of Beijing City was analyzed and calculated by the mode decomposition response spectrum. The calculation results showed that under earthquake and normal water storage conditions，the maximum tensile stress and compressive stress of the lock chamber was at the connection of the gate pier and the rack column，which was 6.70 MPa and 7.74 MPa，respectively，and could met the safety requirements by considering the reinforcement of the structure in the site. Under different working conditions，the anti-slip and stable safety factor of the lock chamber structure was larger than the requirements of the design code，which met the safety requirements．

Key words：control gate；mode decomposition response spectrum；seismic safety review；structural safety evaluation