土基上船閘閘首三維有限元分析

土基上船閘閘首三維有限元分析

門的開放式結(jié)構(gòu)具有足夠的總剛度，能夠適應(yīng)門首側(cè)的不均勻沉降和變形。因此，它是港口和加工工程中應(yīng)用最廣泛的類型。閘首底板內(nèi)力及變形受地基土的性質(zhì)、閘首邊墩墻高度、回填土物理力學(xué)指標(biāo)、閘首內(nèi)外側(cè)水力壓力等因素影響,荷載的性質(zhì)較為復(fù)雜,且結(jié)構(gòu)沿底板的縱、橫向剛度變化也很大,因此無論是從底板的幾何特性來看,還是以它的受力特點來分析,底板的內(nèi)力計算都應(yīng)屬于空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析問題。近年來三維有限元計算廣泛應(yīng)用于船閘結(jié)構(gòu)計算中,特別是土基上船閘有限元計算更是積累大量的設(shè)計、計算經(jīng)驗。通過對土基上3個船閘工程的三維有限元計算分析,筆者得出了不同墻高、不同回填土指標(biāo)下底板內(nèi)力及變形的規(guī)律,供類似船閘工程計算設(shè)計參考。1項目總結(jié)1.1頂高高跨面高,底板厚,積高高,積極開展邊墩墻做法在頂高面上閘首為整體塢式結(jié)構(gòu),見圖1a)。閘首平面尺寸為27.3m×39m(長×寬),閘首邊墩頂高程為37.5m,邊墩墻高9.3m,門檻頂高程29.0m,底板厚2.5m。閘首底板坐落在粉質(zhì)黏土層上,該層土及墻后回填土的力學(xué)指標(biāo)見表1所示。1.2頂高程和底板厚閘首為整體塢式結(jié)構(gòu),見圖1b)。閘首平面尺寸為28m×52.6m(長×寬),閘首邊墩頂高程為14.5m,邊墩墻高16.4m,門檻頂高程-0.3m,底板厚2.7m。閘首底板坐落在粉質(zhì)黏土層上,該層土及墻后回填土的力學(xué)指標(biāo)見表1所示。1.3頂高程和底板厚閘首為整體塢式結(jié)構(gòu),見圖1c),閘首平面尺寸為28m×53.4m(長×寬),閘首邊墩頂高程為47.2m,邊墩墻高18.0m,門檻頂高程31.42m,底板厚3m。閘首底板坐落在粉質(zhì)黏土層上,該層土及墻后回填土的力學(xué)指標(biāo)見表1。2計算的元算2.1地基土壓力工程實例一閘首計算模型如圖2所示,分別建立閘首三維固體單元和地基土三維固體單元,閘首混凝土采用彈性模型,地基土采用摩爾-庫倫模型;閘首結(jié)構(gòu)和地基土之間采用接觸面連接,摩擦系數(shù)取0.3;約束地基土底面豎向位移,約束地基土側(cè)面水平方向位移。墻后回填土產(chǎn)生的土壓力直接加在閘首邊墩墻上(各工程實例邊墩墻單側(cè)所受總土壓力如表2所示)。工程實例二、三建模過程與工程一建模過程相同。2.2門的水平位移各個船閘工程在完建工況下閘首墻頂最大水平向位移如表3所示。2.3圖中，打開頭變形和底板橫向向正應(yīng)力云2.3.1項目示例1工程實例一閘首變化及底板橫河向正應(yīng)力云圖見圖3,4。2.3.2項目示例2工程實力二閘首結(jié)構(gòu)變形及閘首底板橫河向正應(yīng)力云圖見圖5,6。2.3.3項目示例3工程實力三閘首結(jié)構(gòu)變形及閘首底板橫河向正應(yīng)力云圖見圖7,8。2.4底板的變形分析對同一船閘工程來說,不同工況下由于閘首內(nèi)外側(cè)水位不同,閘首底板的受力不盡相同。但是分析計算表明,對于同一閘首,在各種工況下(檢修工況、運用工況、校核工況、完建工況),底板的變形趨勢大致相同,所不同的是底板正負彎矩大小有所變化。下面以完建工況具體分析上述3個工程底板的內(nèi)力及變形規(guī)律,其他工況只給出了內(nèi)力計算結(jié)果。2.4.1完工期頂面受拉,雙邊墩受力工程實例一邊墩墻高9.3m,閘首單側(cè)邊墩墻后土壓力為22941kN。完建工況下,閘首底板頂面受拉,最大拉應(yīng)力1.94MPa;底面受壓,最大壓應(yīng)力3.07MPa。閘首邊墩處沒有出現(xiàn)正彎矩,最小負彎矩為2612kN·m/m。各種工況下底板內(nèi)力計算結(jié)果見表4。2.4.2完工期底板應(yīng)力分析工程實例二邊墩墻高16.4m,閘首單側(cè)邊墩墻后土壓力為144159kN。完建工況下,閘首底板頂面受壓,最大壓應(yīng)力3.63MPa;底面受拉,最大拉應(yīng)力1.78MPa。閘首底板跨中處最小負彎矩為-531kN·m/m,邊墩處最大正彎矩為3283kN·m/m。各種工況下底板內(nèi)力計算結(jié)果見表4。2.4.3底板應(yīng)力分析工程實例三邊墩墻高18m,閘首單側(cè)邊墩墻后土壓力為57762kN。完建工況下,閘首底板頂面跨中受拉,最大拉應(yīng)力3.63MPa;底板跨中底面受壓,最大壓應(yīng)力2.57MPa,跨中最小負彎矩為-2679kN·m/m。邊墩處底板底面受拉,最大拉應(yīng)力為0.96MPa,邊墩處底面頂面受壓,最大壓應(yīng)力為2.33MPa,邊墩處正彎矩為2505kN·m/m。各種工況下底板內(nèi)力計算結(jié)果見表4。2.5邊墩向岸側(cè)傾斜閘首澆筑完成后,閘首下的地基土發(fā)生不均勻沉降,底板在邊墩處沉降大于在跨中處沉降,若墻后沒有回填土,則閘首邊墩向岸側(cè)傾斜,從而帶動跨中底板向上拱起,產(chǎn)生跨中負彎矩。1)工程實例一:墻后回填結(jié)束后,若閘首邊墻較矮,此時墻后產(chǎn)生的土壓力不足以抵消不均勻沉降引起的邊墩向岸側(cè)傾斜,此種情況閘首底板變形為“弓形”(即跨中處底板向上拱起)。該種情況下底板彎矩以跨中負彎矩為主,邊墩處底板正彎矩很小或者沒有正彎矩(表4)。2)工程實例二:墻后回填結(jié)束后,若閘首邊墻較高,且墻后回填土指標(biāo)較差(表1),此時墻后產(chǎn)生的土壓力向河側(cè)推動邊墩,抵消掉不均勻沉降引起的邊墩向岸側(cè)傾斜后,繼續(xù)推動閘首邊墩向河側(cè)傾斜,帶動底板向下拱起,此種情況閘首底板變形為“倒弓形”(即跨中處底板向下拱起)。該種情況邊墩處底板主要承受正彎矩,底板跨中負彎矩很小或者沒有跨中負彎矩(表4)。3)工程實例三:墻后回填結(jié)束后,若閘首邊墻較高,墻后回填土指標(biāo)較好(表1),此時產(chǎn)生的土壓力大致抵消掉不均勻沉降引起的邊墩向岸側(cè)傾斜,底板變形呈“馬鞍形”(即跨中處底板向上拱起,邊墩處底板向下拱起)。該種情況下跨中底板產(chǎn)生正彎矩,邊墩處底板產(chǎn)生負彎矩,且正負彎矩值數(shù)量級相同(表4)。3計算底板受力、變形結(jié)合3個船閘工程,利用有限元分析軟件ADINA對土基上閘首的不同底板厚度、不同邊墩高度、不同回填土參數(shù)的各種工況計算成果分析,得出了土基上閘首底板的受力、變形趨勢,供船閘閘首底板在設(shè)計和計算時參考。1)閘首邊墩墻高小于10m。底板變形為向上拱起,此時底板橫向內(nèi)力主要為跨中負彎矩且彎矩值較大,邊墩處底板正彎矩很小或者沒有正彎