基于ANSYS的船閘混凝土非線性仿真分析

王麗英，張慶亮

（1.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶400070;2.浙江科欣工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，杭州310000）

基于ANSYS的船閘混凝土非線性仿真分析

王麗英1，張慶亮2

（1.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶400070;2.浙江科欣工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，杭州310000）

以長洲水利樞紐1#船閘上閘首為例，采用有限元軟件，對施工期閘首混凝土澆筑模擬計(jì)算，考慮水化熱、外界氣溫、澆筑層厚度之間的相互影響，對閘首混凝土溫度變化進(jìn)行分析。并以溫度場的計(jì)算成果為前提，采用順序耦合法對閘首結(jié)構(gòu)混凝土的澆筑進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算，分析施工期混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況。通過對計(jì)算成果合理性的驗(yàn)證表明，利用有限元法可較好地對船閘結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體穩(wěn)定、應(yīng)力、應(yīng)變等全方位計(jì)算，且具有精度高、形象直觀等特點(diǎn)，更好的模擬施工條件對船閘裂縫的影響。

船閘裂縫；熱力耦合；非線性有限元

裂縫作為船閘混凝土最常見的病害之一，嚴(yán)重影響船閘結(jié)構(gòu)的運(yùn)行［1］。早在20世紀(jì)30年代，很多學(xué)者就開始對混凝土裂縫問題展開研究，做了大量細(xì)致的研究，國內(nèi)學(xué)者以朱伯芳院士為代表，以后來居上的態(tài)勢，使我國在混凝土溫控防裂領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先行列［2］。當(dāng)前對大壩混凝土裂縫的研究比較深入和具體。但由于船閘結(jié)構(gòu)和受力情況較為復(fù)雜，多數(shù)研究僅限于對結(jié)構(gòu)較為簡單的閘室結(jié)構(gòu)施工期溫度場和溫度應(yīng)力的分析［3］，相比較而言，閘首結(jié)構(gòu)和受力情況比閘室更為復(fù)雜［4］，因此針對整體性更強(qiáng)的閘首結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工期溫度場及溫度應(yīng)力的分析，找出裂縫產(chǎn)生的機(jī)理以及較易發(fā)生混凝土開裂的區(qū)域，并提出可行的避免裂縫產(chǎn)生的方法是十分有必要的［5］。

有限單元法則是當(dāng)前計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)溫度場和應(yīng)力場較為成熟的方法，通常采用“增量初變法”來反應(yīng)隨時間發(fā)展而變化的溫度應(yīng)力［6-7］。目前很多有限元軟件如ANSYS、ABAQUS、ADINA等都具有將多物理場進(jìn)行耦合計(jì)算的功能［8］。

本文應(yīng)用ANSYS有限元軟件建立船閘閘首三維實(shí)體模型，對閘首結(jié)構(gòu)溫度場施工期、完建工況及運(yùn)行工況進(jìn)行模擬分析，并將結(jié)構(gòu)完建工況受力結(jié)果與熱-結(jié)構(gòu)耦合的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。綜合考慮船閘的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特征，得到船閘真實(shí)工作情況下的應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)，為船閘設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

本文以長洲水利樞紐一號船閘上閘首為例，該工程位于西江下游河段廣西境內(nèi)的最后一個規(guī)劃梯級，壩址位于廣西梧州市上游12 km的潯江干流上，按雙線單級船閘設(shè)計(jì)，雙線船閘共用引航道，最大通過1+4× 1 000 t頂推船隊(duì)，1#船閘有效尺度200m×34m×4.5m（長×寬×門檻水深）。1#船閘按通過最大船舶2 000 t級設(shè)計(jì)，樞紐正常當(dāng)水位為20.6m，上游最高通航水位23.9m，下游最低通航水位18.6m，上閘首布置于航上0+005～航下0+048之間，基底高程最低為-9m。閘首結(jié)構(gòu)建立在弱風(fēng)化巖石地基上，兩側(cè)為重力接頭壩及兩孔沖沙閘。

上閘首基底開挖高程為0～-3.0m，最低為-9m。大部分已達(dá)弱風(fēng)化巖體，局部為強(qiáng)風(fēng)化巖體，閘基地質(zhì)條件較好；基坑開挖深度較大，邊坡高度達(dá)21.0～34.0m，為巖土質(zhì)混合邊坡，左側(cè)邊坡穩(wěn)定性較好；右側(cè)基坑邊坡上覆有軟弱淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，自穩(wěn)能力較差，施工中應(yīng)采取臨時支護(hù)措施；壩址所在地區(qū)地震基本烈度為VI度，場地地震動峰值加速度為0.05 g。對建筑物按VI度采取必要的抗震措施。

1.2 船閘閘首結(jié)構(gòu)有限元模型

應(yīng)用ANSYS有限元軟件建立長洲水利樞紐船閘1#船閘上閘首三維有限元模型，閘首寬77m，基礎(chǔ)水平工作范圍L取3B為231m，基礎(chǔ)深度H取1.29B為100m?？紤]到閘首結(jié)構(gòu)邊墩及底板均是大體積混凝土結(jié)構(gòu)，本文針對混凝土的澆筑過程及結(jié)構(gòu)分析，選取全部上閘首建立有限元模型［9］。在進(jìn)行有限元整體分析時，底板及邊墩作為一個整體考慮［10］。為模擬施工混凝土澆筑，根據(jù)船閘施工進(jìn)度，將閘首劃分為19層，每一層代表一個混凝土澆筑周期［11］。模型整體坐標(biāo)系采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，Z軸與水流方向一致，指向上游；Y軸為鉛垂方向，向上為正；X軸以右手法則確定；坐標(biāo)原點(diǎn)為基礎(chǔ)最低點(diǎn)船閘中心線靠近閘室一側(cè)。實(shí)體模型如圖2所示。

1.3 網(wǎng)格劃分

根據(jù)有限元單元網(wǎng)格劃分的原則結(jié)合分析計(jì)算類型及整個分析過程的特點(diǎn)，熱單元采用SOLID70、SOLID90、SOLID87，結(jié)構(gòu)單元采用SOLID45、SOLID95、SOLID92，輸水廊道附近模型形狀不規(guī)則，無法采用SOLID70單元劃分網(wǎng)格，因此采用其高階單元SOLID90，用自由式網(wǎng)格劃分方法劃分四面體網(wǎng)格［8］。考慮到節(jié)點(diǎn)過多會增加計(jì)算負(fù)擔(dān)，在此引入SOLID87單元，此單元為10個節(jié)點(diǎn)，劃分網(wǎng)格時，為平衡計(jì)算精度、計(jì)算時間及計(jì)算所需的代價，閘首結(jié)構(gòu)絕大部分采用掃略方式劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元為高1.5m，長、寬均為1m的六面體。局部不規(guī)則部分采用自由畫網(wǎng)，為邊長1m的四面體網(wǎng)格?；A(chǔ)部分都為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格最大邊長5m，最小邊長1m。本模型中共有358 090個單元，413 999個節(jié)點(diǎn)。閘首結(jié)構(gòu)計(jì)算網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖1 船閘閘首橫斷面布置圖Fig.1 Cross?sectional layout of lock head

圖2 船閘閘首模型圖Fig.2 Ship lock chambermodel

2 計(jì)算求解

在模型基礎(chǔ)底部施加X、Y、Z方向約束，基礎(chǔ)左右兩側(cè)面施加X方向約束，而基礎(chǔ)前后兩側(cè)面施加Y方向約束，之后進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 加載

根據(jù)《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ307-2001，ANSYS有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載包括以下內(nèi)容：（1）閘首自重由程序根據(jù)材料容重自動加載計(jì)算。（2）作用于閘首邊墩表面的靜水壓力，需根據(jù)不同水位經(jīng)過計(jì)算后加載到邊墩上，水重度9.8 kN/m3。（3）作用于閘首底板上的水重力，需要將其還算成水壓力加載于底板的上表面。（4）揚(yáng)壓力為滲透壓力與浮托力之和，同樣可根據(jù)規(guī)范規(guī)定，將揚(yáng)壓力作為平面上的水壓力加載到底板下表面。（5）作用在閘門上的水壓力以閘門推力的形式通過閘門作用在邊墩上，并最終通過邊墩作用在整個閘首結(jié)構(gòu)上。

2.2 基礎(chǔ)承載力分析

船閘基礎(chǔ)為弱風(fēng)化花崗巖，地基承載力和基礎(chǔ)彈性模量較大，自重造成的沉降較小。因此在有限元模型的分析時，將不對基礎(chǔ)變形做過多分析。模型分析方法為：基礎(chǔ)上部船閘模型單元?dú)⑺馈M基礎(chǔ)在自身重力作用下的沉降作用→激活閘首模型單元→計(jì)算及工況分析。

圖3 船閘閘首模型網(wǎng)格圖Fig.3 Ship lock chambermodelmesh

圖4 特征點(diǎn)位置圖Fig.4 Location of feature points

結(jié)合實(shí)體模型受力特點(diǎn)，特選取以下7個點(diǎn)，作為位移的特征點(diǎn)進(jìn)行分析。本文所選用的船閘閘首為對稱結(jié)構(gòu)，且兩邊墩外側(cè)均無回填土，所以僅選取左側(cè)邊墩上的。特征點(diǎn)所在具體位置如圖4所示。

3 計(jì)算成果分析

選取施工工況和運(yùn)行工況對閘首結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析。

3.1 施工工況

施工結(jié)束后，邊墩及閘門兩側(cè)沒有水壓力，1#船閘閘首兩側(cè)分別為重力壩和泄水閘壩，將閘首簡化為兩邊墩外側(cè)為懸空狀態(tài)，忽略兩邊墩外側(cè)與兩邊壩體彼此間的影響。因此在施工工況下，閘首只有自重。施工工況下，無順?biāo)鞯目v向荷載及垂直水流方向的橫向荷載，閘首在X、Z方向的位移很小，選取Y方向云圖進(jìn)行分析。應(yīng)力應(yīng)變圖如圖5～圖8所示。運(yùn)行工況下應(yīng)力應(yīng)變圖如圖9～圖12所示。

3.2 運(yùn)行工況

閘首結(jié)構(gòu)在正常高水位運(yùn)行時，閘墩支持段內(nèi)側(cè)受上游高水位作用，其他邊墩內(nèi)側(cè)受下游相應(yīng)水位作用，邊墩外側(cè)懸空狀態(tài)無水壓力，底板上部一部分承受上游水壓力，一部分承受下游水壓力，底板下部為上下游水位差產(chǎn)生的揚(yáng)壓力。閘門因水壓力產(chǎn)生的推力則直接作用在邊墩支持墻上。水壓力載荷按照水位的高低及受力部分的高程進(jìn)行梯度加載計(jì)算。選取如圖4所示的7個特征點(diǎn)，根據(jù)有限元分析計(jì)算結(jié)果，每個特征點(diǎn)的位移統(tǒng)計(jì)如圖15所示。

運(yùn)行工況下，閘首結(jié)構(gòu)豎向?yàn)樗畨毫皳P(yáng)壓力，弱風(fēng)化花崗巖基礎(chǔ)的彈性模量較大，因此豎向受力變化對基礎(chǔ)沉降變形影響不大，所以特征點(diǎn)在運(yùn)行工況與施工工況下的豎向位移相差甚小。X，Y方向位移較完建工況有所增加，但同豎向位移（圖15）相比仍然很小。

圖5 施工工況Y方向應(yīng)變等值線云圖Fig.5 Y direction strain isolinemap of construction condition

圖6 施工工況Y方向等值線圖Fig.6 Y direction stress isolinemap of construction condition

圖7 施工工況第一主應(yīng)力等值線圖Fig.7 Stress isolinemap of construction condition for σ1

圖8 施工工況第三主應(yīng)力等值線圖Fig.8 Stress isolinemap of construction condition for σ3

圖9 運(yùn)行工況Y方向應(yīng)變等值線圖Fig.9 Y direction strain isolinemap of operation condition

圖10 運(yùn)行工況X方向應(yīng)變等值線圖Fig.10 X direction strain isolinemap of operation condition

圖11 運(yùn)行工況第一主應(yīng)力等值線圖Fig.11 Stress isolinemap of operating condition for σ1

圖12 運(yùn)行工況第三主應(yīng)力等值線圖Fig.12 Stress isolinemap of operating condition for σ3

3.3 有限元法與解析法計(jì)算結(jié)果對比分析

3.3.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對比

假設(shè)邊墩支持段為獨(dú)立結(jié)構(gòu)。應(yīng)用解析法對閘首邊墩進(jìn)行了計(jì)算，并得出邊墩支持段前趾的應(yīng)力值。選取左邊墩支持段底部18個點(diǎn)（圖4），經(jīng)驗(yàn)算X和Y方向節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均能滿足穩(wěn)定性要求，為了更好的對比兩種計(jì)算方法，現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比如圖14、圖15。

圖13 特征點(diǎn)位置圖Fig.13 Feature points location

圖14 X方向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對比Fig.14 Stress calculation result contrast of X direction

圖15 Y方向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對比Fig.15 Stress calculation result contrast of Y direction

如表1所示，兩種方法計(jì)算運(yùn)行工況下左邊墩底部18個點(diǎn)的豎向壓應(yīng)力結(jié)果，有限元方法除邊緣角點(diǎn)出現(xiàn)局部較大的集中應(yīng)力外，其余各點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果較解析法小。相比解析法，有限元法計(jì)算結(jié)果與符合實(shí)際結(jié)果走勢和數(shù)值更為接近，應(yīng)力分布更為合理數(shù)據(jù)，并顯示結(jié)構(gòu)邊緣部分出現(xiàn)集中應(yīng)力現(xiàn)象，2個方向各點(diǎn)應(yīng)力呈梯次規(guī)律，可以較為準(zhǔn)確的反應(yīng)出結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置，為設(shè)計(jì)人員提供依據(jù)。

3.3.2 應(yīng)變計(jì)算結(jié)果對比

兩種工況下結(jié)構(gòu)位移變化，選取閘首結(jié)構(gòu)上特征點(diǎn)進(jìn)行對比分析。不同工況下特征點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)整理見表1。

不同工況下各特征點(diǎn)位移對比如圖14、圖15，根據(jù)分析可知，各特征點(diǎn)應(yīng)變數(shù)值X、Z方向較小，部分點(diǎn)出現(xiàn)拉應(yīng)變，可以忽略不計(jì)。各特征點(diǎn)Y向沉降是主要位移量，兩種工況基本一致。X，Z方向位移施工工況較運(yùn)行工況有所增加，但同豎向位移相比仍然很小。

應(yīng)用ANSYS軟件，對船閘閘首結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元建模、求解及計(jì)算分析表明：

（1）兩種情況下，閘首最大沉降為1.12 cm。運(yùn)行高水工況，兩邊墩在水壓力的作用下，頂部有較小的X、Z方向位移。應(yīng)力結(jié)果，施工工況和運(yùn)行高水工況，閘首結(jié)構(gòu)輸水廊道附近出現(xiàn)了一定的受拉情況，最大拉應(yīng)力0.7mPa，容易出現(xiàn)裂縫，其余位置均承受壓應(yīng)力作用。

（2）有限元法同解析法計(jì)算結(jié)果相比較，有限元法計(jì)算數(shù)據(jù)跟實(shí)際數(shù)據(jù)更為接近，并且應(yīng)力分布規(guī)律也更符合結(jié)構(gòu)實(shí)際規(guī)律，可以較為準(zhǔn)確的反應(yīng)出結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置，可為設(shè)計(jì)人員提供參考。

（3）解析法具有計(jì)算簡單方便的優(yōu)點(diǎn)，但有限元方法在計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況及分布特點(diǎn)方面結(jié)果準(zhǔn)確，更具優(yōu)越性。

表1 不同工況下特征點(diǎn)位移對比表Tab.1 Feature point′s displacement contrast under different conditions

4 結(jié)語

基于ANSYS有限元軟件，綜合考慮結(jié)構(gòu)材料非線性、幾何非線性、接觸非線性等問題，閘首混凝土澆筑模擬計(jì)算，考慮水化熱、外界氣溫、澆筑層厚度之間的相互影響，對閘首混凝土溫度變化進(jìn)行分析。并以溫度場的計(jì)算成果為前提，采用順序耦合法對閘首結(jié)構(gòu)混凝土的澆筑進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算，分析施工期混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況；通過對計(jì)算成果合理性的驗(yàn)證表明，利用有限元法可較好地對船閘結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體穩(wěn)定、應(yīng)力、應(yīng)變等全方位計(jì)算，且具有精度高、形象直觀等特點(diǎn)，更好的模擬施工條件對船閘裂縫的影響。兩種方法計(jì)算結(jié)果對比說明了模型和計(jì)算的正確性，解析法具有計(jì)算簡單方便的優(yōu)點(diǎn)，而有限元方法在計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力、分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況及分布特點(diǎn)方面更具優(yōu)越性。

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Nonlinear finite element analysis of lock concrete based on ANSYS

WANG Li?ying1,ZHANG Qing?liang2
（1.Chongqing Vocational College of Architectural Engineering,Chongqing 400070,China；2.Engineering Design Consultation Limited Company of Zhejiang Kexin,Hangzhou 310000,China）

Taking the head bay of the Changzhou hydro?junction No.1 lock for instance,the study was carried out to analyze the temperature changes of lock head concrete by using the finite element software.With the consider?ation of interaction among hydration heat,air temperature,and layer thickness of structure,analog computation for concreting of lock head was initialized during construction period.Meanwhile,on the premise of results of tempera?ture field,the changes of concrete stress during construction period were analyzed by using Sequential Coupled?Fieldmethod to initialize the Thermal?Structural Coupling Analysis on concreting of lock head construction.The re?sult of the reasonableness testmanifests that ANSYS finite elements software can be applied to calculate the overall stability,stress and strain and other elements in the lock head with high accuracy and vividness,and better simulate the influence of construction conditions on the ship lock cracks.

lock cracks;Thermal?Structural Coupling;nonlinear finite element analysis

TV 314

A

1005-8443（2015）03-0239-05

2014-07-21；

2014-10-08

王麗英(1984-)，女，河南省人，講師，主要從事建筑工程技術(shù)及道橋?qū)I(yè)相關(guān)的教育科研工作。

Biography：WANG Li?ying(1984-),femal,lecturer.