復(fù)雜水閘閘室結(jié)構(gòu)分析方法研究

1、復(fù)雜水閘閘室結(jié)構(gòu)分析方法研究（揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚州225009）摘要：本文主要介紹采用marc軟件求解復(fù)雜水閘閘室結(jié)構(gòu)在固定水位下的空間位移和主 應(yīng)力，利用程序提供的接觸分析功能，構(gòu)造閘室結(jié)構(gòu)、灌注樁和地基結(jié)構(gòu)的三維行限元模型 來進行計算分析，得出整體結(jié)構(gòu)的位移場和應(yīng)力場，判斷其整體強度和穩(wěn)定性，并對在采用 不同水閘底板結(jié)構(gòu)情況卜的水閘工作性態(tài)進行分析評價。實例分析表明，對于復(fù)雜的閘室結(jié) 構(gòu)，利用三維有限元分析可更直觀、精確反映建筑物整體強度與位移狀況，采用整體式結(jié)構(gòu) 情況卜水閘適應(yīng)地基不均勻沉降能力較強，采用分離式結(jié)構(gòu)情況下底板更能體現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的優(yōu) 越性。關(guān)鍵詞有限元、復(fù)雜閘室

2、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分析、計算模型1.問題的提出水閘作為水工建筑物的重要組成部分之一，近年來隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展也發(fā)展迅速, 水閘建沒積累了豐富的經(jīng)驗，其結(jié)構(gòu)越來越多樣化。在復(fù)雜水閘閘室結(jié)構(gòu)中，上下游段底板 及閘墩可均為不同結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)不同的閘墩均與上部撐梁相連，下游段柱狀閘墩間也由撐梁 連接，底板與閘墩間可以采用整體式結(jié)構(gòu)澆筑，也可以采用分離式結(jié)構(gòu)，設(shè)置施工縫。若閘 墩下部有灌注樁，則反拱底板將不承受上部荷載作用，所有上部荷載重量由灌注樁承受。對 于這樣的水閘結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件間受力復(fù)雜，目前還沒有精確的理論分析方法以進行計算。閘基 下的地基反力分布也與底板的尺、h剛度、彈性模量:、荷載大小、分布等因素及地

3、基的變形 特性密切相關(guān)，常規(guī)計算方法無法全面的考慮到各種因素的共同作川，因而有必要采用三維 有限元軟件對其整體強度進行研究分析。2.計算原理及接觸面處理msc.marc軟件具有強大的建模功能，能自由靈活地建立實體模型、定義材料特性、施 加各種荷載與約束，能根據(jù)問題的特殊要求劃分網(wǎng)格，方便地生成有限元模型。有限元法的核心是建立單元剛度矩陣，有了單元剛度矩陣，加以適當(dāng)組合，可以得到總 體剛度矩陣，也就是得到總體平衡方程組。連續(xù)介質(zhì)用有限元法離散后，取出其屮任意一個 結(jié)點l在結(jié)點上，作用有兩種力，其一為變形單元對結(jié)點的作用力；其二為作用于結(jié)點 的外荷載/>/。根據(jù)平衡條件，作用于結(jié)點上的合力應(yīng)

4、為零，即在結(jié)點之所有相鄰單元的 f點結(jié)點力之和與結(jié)點荷載平衡，列fli全部結(jié)點的平衡條件，得fli總體平衡方程組，ep:e=l式中：/d為總體剛度矩陣，由單元剛度矩陣組合而成，是一個稀疏的正定對稱矩陣； 利為全部結(jié)點的位移列向s;（門為全部結(jié)點的荷載列向s,包括直接作用于結(jié)點上的集屮荷載和所有分布荷載、初應(yīng)力或初應(yīng)變轉(zhuǎn)換而成的等效結(jié)點荷載；稱力單元剛度矩陣，它的元素表示當(dāng)該單元e發(fā)生一定的結(jié)點位移時所對應(yīng)的結(jié)點力，單元剛度矩陣決定于該單元的形狀、大小、方昀和彈性常數(shù)，而與單元的位貫無關(guān)，即不隨單元或坐標(biāo)軸的平移 而改變。在marc程序中，對于接觸面的處理，一般是通過定義接觸體和接觸表來描述物體

5、間的 接觸關(guān)系，接觸關(guān)系類型包括接觸、不接觸和粘合三種。在接觸表中定義接觸提之間的摩擦 系數(shù)、接觸后分離所需的分離力、接觸容差及可能的過盈配合值uj。對于整體式底板結(jié)構(gòu)， 定義底板與閘墩間接觸為粘合，對于分離式底板結(jié)構(gòu)則定義底板與閘墩間的摩擦系數(shù)為0。 在復(fù)雜水閘閘室結(jié)構(gòu)中，通過無相對滑動的glue功能和施加很大的分?jǐn)R力把地基、灌注樁、 閘墩結(jié)構(gòu)粘連起來如一個整體，物體之間無相對滑動速度，接觸表面變形滿足連續(xù)條件n。 各種結(jié)構(gòu)離散成八節(jié)點六面體單元等參單元，單元之間通過有限個點連接起來|31。所考慮的 荷裁按有關(guān)規(guī)范l4j進行處理。接觸分析可分為6個步驟：（1）首先對建筑物工程進行平而網(wǎng)格劃分

6、，然后用mesh generation菜單下的expand命令擴展成三維立體網(wǎng)格；（2）在marc軟件中分別定義以 上三個接觸體為變形體，定義變形體過程中耑輸入摩擦系數(shù)；（3）使川接觸表定義接觸關(guān)系 及類型，這里只要考慮地基土與灌注樁兩部分的接觸關(guān)系；（4）定義邊界條件，共有約束、 自重、水重、滲透壓力、浮托力以及上下游水平水壓力等作用于建筑物之上；（5）在job中 選擇定義好的荷載工況，選擇輸出結(jié)果選項以及計算參數(shù)后遞交作業(yè)；（6）計算完畢后使用 marc提供的后處理功能查看結(jié)果|51。3實例分析本文結(jié)合江蘇省黃樓閘實例進行有限元計算分析研宄，并分析比較該水閘底板采取整體 式和分離式兩種結(jié)構(gòu)

7、i,水閘整體位移及應(yīng)力情況。3.1概況黃樓閘位于復(fù)新河上游宋樓鎮(zhèn)境內(nèi)，是豐縣復(fù)新河流域梯級水面三級控制工程，承擔(dān)116.8km2防洪和排澇任務(wù)。該閘建成于1982年6月，規(guī)模為中型，閘室為開敝式，閘門共 5孔，每孔凈寬4.2m,閘門為鋼絲網(wǎng)雙曲扁殼結(jié)構(gòu)，啟閉機為2x8t手電兩用螺桿式，設(shè)計 行洪流量122.6m3/s,設(shè)計上游蓄水位40.0m。交通橋設(shè)在閘室靠下游一側(cè)，橋面凈寬7m。3.2計算模型及設(shè)計工況（一）黃樓閘結(jié)構(gòu)計算模型取黃樓閘整個底板、閘墩和一定范圍內(nèi)的地基（沿水平方向距底板兩端取24.0m,沿深 度方向取至25.5m）作為計算結(jié)構(gòu)模型，剖分網(wǎng)格|61。閘頂以上排架、啟閉機等設(shè)備作

8、為荷載 作用在閘墩頂上，拱內(nèi)混凝土填料作為荷載作用在底板頂面上，墻后填土作為土壓力作用在 墻背和底板上，周邊填土作為邊荷載作用在地基上。由于考慮到了地基模型的尺寸范圍的選 擇，故采用全約束|71。坐標(biāo)系取為：零點設(shè)置在底板而和閘墩的接觸處，x軸垂直于水流方 向指向右邊，y軸垂直指向上方，z軸順?biāo)鞣较蛑赶騥游。圖1為黃樓閘結(jié)構(gòu)空間有限元 網(wǎng)格圖。該黃樓閘生成131786個八節(jié)點六面體等參單元，24根灌注樁共生成44880個八節(jié)點六面體等參單元，地基劃分成38454個八節(jié)點六囬體等參單元。圖1黃樓閘有限元計算模型圖（二）荷載的施加黃樓閘所處場地區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度6

9、度?？刹贿M行地 震計算。對于黃樓閘計算模型取以t合計固定荷載+回填土荷載+沒計水位荷載+浪壓力 對黃樓閘閘室結(jié)構(gòu)進行空間有限元計算，求出/各種工況下結(jié)構(gòu)在荷載作用下的各點位移和應(yīng)力。由此分析閘室位移與應(yīng)力變化規(guī)律。3.3計算結(jié)果分析及比較分別對整體式和分離式底板模型進行材料參數(shù)的設(shè)罝和邊界條件的加載，進而對其位移場和應(yīng)力場比較，得出兩種結(jié)構(gòu)的不同特征在整體式底板情況下，黃樓閘首在沒計工況下的位移分布圖示意如圖2、3、4。圖2整體式結(jié)構(gòu)位移分布圖圖3整體式結(jié)構(gòu)沉降分布圖l»c :tim 4 000002 | -1l -* noo»ii .圖4整體式結(jié)構(gòu)底板位移分布圖«

10、;»>m2v由計算結(jié)果可知，該閘沿順?biāo)鞣较驈纳嫌蜗蛳掠伟l(fā)生位移，順?biāo)鞣较蜃畲笪灰瓢l(fā)生 在閘頂上游端，力uxmax=0.483cm,豎直方向黃樓閘發(fā)生向下的位移，最大值沉降在閘壞 上游部位，為uymax=5.39cm。閘底板最大位移發(fā)生在與上游鬧壞處，為uymax=5.39cm。 灌注樁樁頂水平位移為0.324cm,小于水閘設(shè)計規(guī)范(sl265-2001)規(guī)定的0.5cm,滿足 要求。圖5分離式底板結(jié)構(gòu)位移分布圖圖6分離式底板結(jié)構(gòu)沉降分布圖在分離式底板情況t,黃樓閘首在設(shè)計工況t的位移分布圖及最大主應(yīng)力示意如圖5、圖7分離式結(jié)構(gòu)底板位移分布圖由計算結(jié)果可知，該閘沿順?biāo)鞣较驈?/p>

11、上游向下游發(fā)生位移，順?biāo)鞣较蜃钊宋灰瓢l(fā)生 在閘頂上游端，為uxmax=0.593cm,豎直方句黃樓閘發(fā)生向下的位移，最大值沉降在底板 上游部位，為uymax=5.73cm。灌注樁樁頂水平位移為0.412cm,小于水閘設(shè)計規(guī)范 (sl265-2001)規(guī)定的0.5cm,滿足要求。綜上比較可以看出，整體式底板結(jié)構(gòu)較分離式底板整體結(jié)構(gòu)沉降較小，采用整體式底板 結(jié)構(gòu)下水閘底板和閘墩間沉降較分離式底板結(jié)構(gòu)也較均勻。在整體式底板情況下，黃樓閘首在設(shè)計工況下的應(yīng)力分布閣示意如閣8、9。圖8整體式結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布圖圖9整體式結(jié)構(gòu)底板最大主應(yīng)力分布圖在分離式底板怙況下，黃樓閘首在設(shè)計工況下的應(yīng)力分布圖示意如

12、圖10、11。圖10分離式結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布圖圖11分離式結(jié)構(gòu)底板最大主應(yīng)力分布圖黃樓閘各工況下應(yīng)力見表1表i有限元應(yīng)力計算比較成果表工況計算構(gòu)件分離式底板結(jié)構(gòu)整體式底板結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力(mpa)域大ffi應(yīng)力(mpa)最大拉應(yīng)力(mpa)最大壓應(yīng)力(mpa)設(shè)計閘墩5.800.936.671.03閘墩撐梁14.100.9316.231.03下游反拱底板3.923.994.931.20上游底板10.731.0911.640.79交通橋支墩4.440.874.561.07交通橋支墩撐梁5.130.666.021.07巾表結(jié)果可知，無論采用整體式還是分離式結(jié)構(gòu)，該閘閘墩、閘燉掙梁、閘底板、交通 橋支

13、墩和交通橋支墩撐梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計工況的荷載作用下所受的最大拉應(yīng)力均超過其材料的 允許最大拉應(yīng)力81，所受的最大壓應(yīng)力均不超過其材料允許的最大壓應(yīng)力。各構(gòu)件的抗壓強 度滿足要求，抗拉強度不滿足要求。采用整體式結(jié)構(gòu)水閘整體所受的最大拉應(yīng)力大于采用分離式結(jié)構(gòu)情況下的最大拉壓力， 尤其對于反拱底板來說，采用分離式結(jié)構(gòu)更能體現(xiàn).其結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。4結(jié)論(1) 有限元計算法是目前解決復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)力學(xué)問題最有效的數(shù)值方法之一，它可以 方便地處理各種復(fù)雜的幾何條件、物理條件和荷載條件。對于實際復(fù)雜工程，可以根據(jù)變形 和受力特點的不同，采用不同類型的單元進行離散，以提高對工程問題的計算效率和計算精(2) 黃樓閘閘室在

14、兩種不同結(jié)構(gòu)下各構(gòu)件的最大拉壓應(yīng)力均超過其構(gòu)件材料的抗拉允 許值，結(jié)構(gòu)須進行配筋。最人壓應(yīng)力均未超過構(gòu)件材料的抗壓允許值?？箟簭姸葷M足要求。(3) 采用整體式底板結(jié)構(gòu)下，黃樓閘整體地基沉降較小，底板與閘墩間沉降也較均勻,采用整體忒底板結(jié)構(gòu)能更好的適應(yīng)地苯條件，有效減小地基沉降。但足整體忒底板結(jié)構(gòu)情況 下該閘各構(gòu)件間的最大拉應(yīng)力普遍大于分離式底板結(jié)構(gòu)情況丁的最大拉應(yīng)力，相比較下采用分離式底板結(jié)構(gòu)更能體現(xiàn)反拱底板結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，有效減少配筋，節(jié)約工程成本。參考文獻1張寶生.髙度非線性有限元分析軟件marc及在接觸分析中的應(yīng)用j.應(yīng)用科技，2001，28(12)： 3639.1 zhang bao-s

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