有限元軟件水閘閘室穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)分析

陳錦橋

（廣州市水電建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 510600）

1 案例分析

1.1 工程概況

某水閘工程總長18 m，共3孔，閘孔尺寸為6 m×4.8 m（寬×高），閘頂高程105 m，閘底板面高程100 m。閘體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室為胸墻式，胸墻上游側(cè)新增一道連系梁，閘身上游側(cè)布置工作便橋，閘身下游側(cè)布置交通橋，橋面寬為7 m。檢修門1套，為疊梁式平面滑動(dòng)鋼閘門，配兩臺(tái)門機(jī)。用雙主梁實(shí)腹式斜支臂弧形閘門，液壓啟閉機(jī)啟閉。該閘室的閘墩、閘室底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C20，新接長底板、接長閘墩、新建胸墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C25，彈性模量E=28 GPa，泊松比p=0.167，容重r=25 kN/m2。具體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 混凝土參數(shù)表

閘址地層巖性為粉土和粉砂，飽和、稍密～中密、顆粒細(xì)，初判為液化土，液化深度8 m。具體物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 閘基巖石物理力學(xué)指標(biāo)表

1.2 計(jì)算模型

采用ABAQUS建立某水閘的整體有限元計(jì)算模型，應(yīng)當(dāng)考慮到閘墩和底板以及地基之間相互的作用，定義地基土體服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，采用ABAQUS中Mohr-Coulomb模型，閘室的混凝土材料本構(gòu)關(guān)系采用廣義胡克定律。本次模型中地基尺寸選取范圍是水閘上下游與左右兩側(cè)延長到閘室尺寸的2倍，繼而對(duì)閘室進(jìn)行有限元的網(wǎng)格劃分。對(duì)閘室進(jìn)行便捷約束，在整個(gè)閘室地基的底面加固定約束，其側(cè)面加法向約束。

閘室與基礎(chǔ)都采用8節(jié)點(diǎn)等參單元，劃分后的空間有限元網(wǎng)格如圖1所示。其中坐標(biāo)系的0點(diǎn)設(shè)在模型左側(cè)邊墩墩頭處，X軸沿順河流方向指向下游為正，Y軸沿橫河向指向左岸為正，Z軸沿鉛直方向指向上方為正。閘室離散為8 920個(gè)單元，9 254個(gè)結(jié)點(diǎn)，土基離散為5 620個(gè)單元，6 204個(gè)結(jié)點(diǎn)，建模結(jié)果如圖1所示。

圖1 閘室地基整體三維有限元模型圖

1.3 荷載計(jì)算

作用在閘室上的主要荷載有：閘室自重和永久設(shè)備自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、人群荷載、車荷載、動(dòng)水壓力及地震荷載等。根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL5077-1997）[1]，對(duì)該水閘進(jìn)行計(jì)算。閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載及組合見表3。

表3 閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載組合表

通過閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算水位情況的，完工后未通水時(shí)，閘室前后水位定為0；蓄水工況下閘前水位高程18.00 m，閘后水位高程17.80 m；蓄水地震工況下閘前水位高程20.00 m，閘后水位高程19.80 m。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 軟基蓄水工況應(yīng)力結(jié)果分析

在蓄水工況下閘室最大應(yīng)力主要位于底板與中間橋墩、底板與邊橋墩的連接處和兩側(cè)橋閘中部的底板底層，最大可達(dá)0.7 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在底板與中間橋墩的連接處。檢修便橋的最大應(yīng)力點(diǎn)可達(dá)0.5 MPa，出現(xiàn)在檢修便橋與中間橋墩的連接處。閘室排架的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在工作橋大梁與中間橋墩的連接處附近，閘室工作橋欄桿最大應(yīng)力點(diǎn)，出現(xiàn)在交通橋跨越的中間部位，如圖2所示。

圖2 蓄水工況閘室結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力分布圖

將ABAQUS軟件與Tecplot軟件連接可得，完建工況與蓄水工況閘室底板最大應(yīng)力等值線圖。從等值線圖中可以看出，閘室底板在完建工況和蓄水工況的應(yīng)力分布規(guī)律，即閘板主要應(yīng)力分布在中間橋墩和邊橋墩處，其余部分分布相對(duì)均勻，蓄水工況的閘室底板最大應(yīng)力明顯高于完建工況。這也與圖2最大應(yīng)力分布圖相符合。

圖3 蓄水工況與完建工況閘室底板最大應(yīng)力等值線圖

通過模擬計(jì)算分析結(jié)果表明，閘室在荷載的持續(xù)作用下，底板和中橋墩、邊橋墩所受應(yīng)力最大，根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL 5077-1997），不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力過大造成結(jié)構(gòu)損壞的現(xiàn)象。但在進(jìn)行閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)考慮增大閘底排架柱鋼筋配量，以增大結(jié)構(gòu)體對(duì)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的有效對(duì)抗。

考慮到該工程地基為軟基，閘底底板的豎向應(yīng)力會(huì)通過閘基單元傳導(dǎo)給地基和土壤，應(yīng)對(duì)閘底與地基的連接部位應(yīng)力做重點(diǎn)考察，若底板與中橋墩、邊橋墩及其連接處的豎向應(yīng)力過大，則該區(qū)域的軟基會(huì)最先被破壞，因此進(jìn)行最大應(yīng)力等值線描繪工作時(shí)，若發(fā)現(xiàn)閘室底板的部分區(qū)域豎向應(yīng)力分布值異常，應(yīng)該對(duì)相應(yīng)區(qū)域的軟基部分進(jìn)行振沖或夯固。

2.2 軟基地震工況位移情況分析

閘室位移方向可從沿著水流方向、垂直水流方向和豎直方向進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，由于該水閘工程地基為軟基，在地震工況下更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)沉降（豎直方向上的位移）。地震工況和完建工況下的水閘閘室結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果分布情況見圖4。

圖4 地震工況與完建工況閘室結(jié)構(gòu)豎直方向位移圖

可以看出在完建工況下閘室兩側(cè)的邊橋墩與閘底連接處出現(xiàn)了豎直方向上的位移最大值，約為0.4 m。這是因?yàn)樵谕杲ür下閘室里沒有水，閘室兩側(cè)的邊橋墩主要承受的荷載為邊負(fù)載，因此邊橋墩出現(xiàn)了向內(nèi)的形變，由于該工程的邊橋墩在設(shè)計(jì)時(shí)的尺寸因素，使得門槽受力在剛體變形協(xié)調(diào)的約束條件下兩側(cè)排架出現(xiàn)了較大的位移變化。

該水閘工程模型選取的地震等級(jí)為VI級(jí)，可以看出在循環(huán)剪切作用下，在閘室的邊橋墩底部及水閘底板下的未加固地基2—4 m處，粉砂土組成的軟基容易達(dá)到液化條件而迅速破壞。在閘室基底底部的5 m深處，碎石樁與軟基接觸部分最早發(fā)生液化，因此對(duì)軟基基地的水閘工程進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工時(shí)，對(duì)閘底不同深度出現(xiàn)的液化區(qū)域可使用振沖加固法，進(jìn)行砂礫石料的填充并夯實(shí)加固，夯實(shí)區(qū)域應(yīng)從基底持續(xù)到非液化區(qū)域，并考慮在閘基基底軟基區(qū)域，可能產(chǎn)生的液化帶，設(shè)置排水管排水降壓，或在排筋量上做一定程度的加強(qiáng)。

3 結(jié)語

水閘是一種具有擋水、泄水雙重作用的低水頭水工建筑物，通過閘門的啟閉控制流量和調(diào)節(jié)水位，有時(shí)還擔(dān)負(fù)著防潮水倒灌和汛期排泄洪水的功能，常與其他水工建筑物組成水利樞紐。運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件，結(jié)合工程實(shí)際，通過對(duì)閘室豎向應(yīng)力計(jì)算分析，可知閘板主要應(yīng)力情況，可以根據(jù)其所在地基土質(zhì)的性質(zhì)，采用不同的措施來提高地基的承載力。這種分析方法能為軟基水工建筑除險(xiǎn)加固提供一定的參考。部中南勘測設(shè)計(jì)研究院.DL 5077-1997水工建