基于Abaqus的下溢流閘門加固方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

陳素明

(浙江省水利防汛技術(shù)中心，浙江 杭州 310014)

水工結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)優(yōu)化可提升水利設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)水平，特別是病險(xiǎn)水工建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化很有必要，對(duì)提升水利安全性具有重要意義[1- 2]。研究水工結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)需要對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的影響性開(kāi)展分析，而優(yōu)化分析乃是評(píng)判最佳方案的重中之重。周望武[3]、邱海娟[4]、李鶴[5]等利用物理模型試驗(yàn)，在室內(nèi)原型尺寸復(fù)制設(shè)計(jì)了水工建筑，研究了大壩、溢洪道、水閘等水工建筑在不同設(shè)計(jì)方案下滲流場(chǎng)、靜力場(chǎng)特征，為確定最優(yōu)方案提供了重要參照。當(dāng)然，物理模型試驗(yàn)成本較高，因而退而求其次選擇一些精度較高的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)亦是可行的，根據(jù)已有工程的宏、微觀數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，分析工程運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化特征或規(guī)律[6- 7]，為擬建工程的設(shè)計(jì)備選提供參考。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析耗時(shí)周期較長(zhǎng)，不利于工程建設(shè)設(shè)計(jì)管理，因而利用模擬仿真具有高效性優(yōu)勢(shì)。利用Abaqus、ANSYS等仿真計(jì)算平臺(tái)，建立有限元模型，獲得不同水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的靜、動(dòng)力場(chǎng)特征[8- 10]，分析設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)安全性指標(biāo)間的聯(lián)系，進(jìn)而評(píng)價(jià)工程最優(yōu)性方案。本文根據(jù)浙北聯(lián)圩樞紐工程西側(cè)干堤溢流閘門加固設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)開(kāi)展了閘墩加固結(jié)構(gòu)體型最優(yōu)性計(jì)算分析，為西側(cè)干堤建設(shè)提供了依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程分析

浙北地區(qū)降雨量豐富，在汛期極易發(fā)生洪澇災(zāi)害，考慮在富春江上游支流地區(qū)建設(shè)防洪排澇聯(lián)圩樞紐工程，提升地區(qū)整體水利安全性。擬建聯(lián)圩工程設(shè)計(jì)有東、西兩側(cè)干堤，延伸長(zhǎng)度超過(guò)4km，容納有多座中小型水閘，承擔(dān)著聯(lián)圩工程內(nèi)水位控制，各類水閘最大設(shè)計(jì)泄流量為1500m3/s。流經(jīng)河流含沙量最大為8.5kg/m3，水質(zhì)中COD等污染物含量較低，主要是由于上游水源來(lái)自浙北山區(qū)，水質(zhì)受污染程度較低。浙北干堤?hào)|側(cè)采用土石壩與混凝土壩作為主要結(jié)構(gòu)，借助已有水工建筑進(jìn)行串聯(lián)形成防洪干堤，水利設(shè)施已基本處于安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)；西側(cè)干堤目前堤壩運(yùn)營(yíng)效率較低，部分水利設(shè)施運(yùn)營(yíng)年限較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)性能無(wú)法滿足安全要求，更重要的是西側(cè)干堤局部需要進(jìn)行堤壩加固或重修，此乃浙北聯(lián)圩樞紐工程的重中之重。工程設(shè)計(jì)部門考慮，在K1+335～K1+980區(qū)段內(nèi)重修一混凝土堤壩，作為下游地區(qū)重要防洪中樞，設(shè)計(jì)壩頂高程為132.6m，壩底高程為100.5m，最大壩高為32.1m，滿足上游最大蓄水位131.5m要求。在西側(cè)干堤局部重修堤壩基礎(chǔ)上，另在重修混凝土壩與運(yùn)營(yíng)中的西側(cè)堆石壩臨界面處增設(shè)一溢流閘孔，以弧型鋼閘門作為過(guò)閘控制設(shè)施，滿足聯(lián)圩內(nèi)農(nóng)田生產(chǎn)用水灌溉以及排澇輸水等功能需求。該溢流閘孔即為西側(cè)中心溢流閘，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。該溢流閘設(shè)置有直徑為1m的預(yù)應(yīng)力閘墩，閘門與堤頂配置有連接梁設(shè)施，采用連系梁作為加固支撐結(jié)構(gòu)，每根橫、縱連系梁截面尺寸為0.8m×0.8m，溢流堰頂高程與泄流水面線距離為1.2m左右，閘門結(jié)構(gòu)支撐力來(lái)自于背水側(cè)的壓桿與支臂梁結(jié)構(gòu)體系。水利部門調(diào)查得知，溢流閘應(yīng)力穩(wěn)定性需加強(qiáng)，初步計(jì)劃采用增大閘墩直徑方案以及閘墩平臺(tái)與堤頂交界處局部增設(shè)剛度方案兩項(xiàng)措施，為此，需探討溢流閘門加固設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

圖1 西側(cè)干堤溢流閘門設(shè)計(jì)圖

1.2 工程建模

利用Abaqus仿真平臺(tái)結(jié)合溢流閘孔設(shè)計(jì)圖，建立溢流閘與堤壩整體有限元模型[11- 12]，如圖2所示，模型采用四邊體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格單元后共獲得微單元體98288個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)78652個(gè)，模型材料參數(shù)均按照西側(cè)干堤實(shí)際取材計(jì)算，如主材料為C30混凝土，而閘門推動(dòng)結(jié)構(gòu)為支鋼支臂，以鋼材物理力學(xué)參數(shù)代入計(jì)算。計(jì)算模型中外荷載包括結(jié)構(gòu)自重、水壓力以及閘門推力等作用力，其中水壓力包括上揚(yáng)壓力與泥沙壓力等水流荷載。模型計(jì)算邊界包括河流上、下游100、200m，閘室底部為30m，在模型頂部設(shè)置有水平向自由度，而模型底部與兩側(cè)均為無(wú)自由度邊界條件，本文模型中X、Y、Z正向分別設(shè)定為順下游水流向、豎直向上、閘孔右岸向?；谏鲜鲅芯抗r開(kāi)展不同閘墩體型與閘墩局部增設(shè)剛度方案開(kāi)展仿真計(jì)算優(yōu)化分析，確定最優(yōu)方案。

圖2 溢流閘門整體模型

2 閘墩厚度對(duì)閘門應(yīng)力影響

閘墩作為溢流閘與堤壩重要支撐結(jié)構(gòu)，開(kāi)展閘墩體型加固很有必要，設(shè)計(jì)加固閘墩厚度參數(shù)分別為1(不增加、A方案)、1.2(B方案)、1.4(C方案)、1.6(D方案)、1.8(E方案)、2m(F方案)，其他設(shè)計(jì)參數(shù)保持一致，計(jì)算閘墩厚度對(duì)溢流閘門應(yīng)力影響。

2.1 拉應(yīng)力特征

根據(jù)閘墩厚度設(shè)計(jì)方案開(kāi)展溢流閘門應(yīng)力計(jì)算，獲得閘墩厚度參數(shù)與溢流閘門關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力變化關(guān)系，如圖3所示。從圖3中可知，溢流閘門最大拉應(yīng)力位于閘墩內(nèi)側(cè)面，在閘墩厚度1.4m時(shí)閘墩內(nèi)側(cè)面最大拉應(yīng)力為3.2MPa，而閘墩外側(cè)面、閘門與壩頂連接梁部位的最大拉應(yīng)力較前者分別降低了22.5%、52.5%；從整體各設(shè)計(jì)方案知閘墩內(nèi)側(cè)面最大拉應(yīng)力分布為2.18MPa～5.33MPa，而閘墩外側(cè)面及連接梁最大拉應(yīng)力較前者分別降低了19.3%～29.5%和51.6%～58.7%。從結(jié)構(gòu)加固角度考慮，應(yīng)重點(diǎn)考慮閘墩內(nèi)側(cè)面潛在張拉破壞，加密配筋，提升閘墩內(nèi)側(cè)面剛度[13- 14]。分析3個(gè)關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力隨閘墩厚度變化特征可知，兩者具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)閘墩厚度為1m時(shí)閘墩外側(cè)面最大拉應(yīng)力為4.3MPa，而厚度1.4、1.8、2m方案中最大拉應(yīng)力相比分別降低了42.3%、58.4%、59.5%，當(dāng)閘墩直徑增大0.2m時(shí)，閘墩外側(cè)面最大拉應(yīng)力平均降幅達(dá)15.9%，而閘墩內(nèi)側(cè)面與連接梁部位亦是如此，隨閘墩厚度每增大0.2m，最大拉應(yīng)力平均降幅分別可達(dá)15.7%、18.3%，即3個(gè)關(guān)鍵部位中以連接梁受閘墩厚度參數(shù)影響敏感度最大。具體分析溢流閘門關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力降幅可知，當(dāng)閘墩厚度為1～1.6m時(shí)，關(guān)鍵部位拉應(yīng)力降幅顯著高于厚度1.6m的方案，在厚度1～1.6m設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)，閘墩內(nèi)、外側(cè)面、連接梁最大拉應(yīng)力隨厚度每增長(zhǎng)0.2m，平均降幅分別為23.6%、24.4%、26.5%；而在厚度超過(guò)1.6m后，降幅顯著減小，拉應(yīng)力處于較平穩(wěn)，3個(gè)關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力平均降幅達(dá)3.6%、3.3%、6.1%。從結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)分析，閘墩厚度超過(guò)1.4m后，溢流閘門各部位中最大拉應(yīng)力并未超過(guò)3MPa，均滿足安全運(yùn)營(yíng)要求，而當(dāng)厚度超過(guò)1.6m后，增大閘墩直徑，對(duì)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力抑制效應(yīng)有所減小，提升結(jié)構(gòu)安全性并不顯著，設(shè)計(jì)“性價(jià)比”有所降低。

圖3 關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力與閘墩厚度變化關(guān)系

2.2 壓應(yīng)力特征

結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)僅通過(guò)拉應(yīng)力特征來(lái)評(píng)判，具有片面性，因而本文計(jì)算出各設(shè)計(jì)方案中溢流閘門壓應(yīng)力變化特征，如圖4所示。

從圖4中可知，溢流閘門壓應(yīng)力最大亦是閘墩內(nèi)側(cè)面，當(dāng)閘墩厚度為1.2m時(shí)其最大壓應(yīng)力為11.26MPa，與之同時(shí)閘墩外側(cè)面、連接梁處最大壓應(yīng)力較前者分別減少了44.2%、52.1%，各設(shè)計(jì)方案中閘墩內(nèi)側(cè)面最大壓應(yīng)力為7.33 MPa～13.65MPa，而外側(cè)面、連接梁壓應(yīng)力相比之下分別減少了6.2%～54%、46%～55.3%。由此可知，閘墩內(nèi)側(cè)面不僅僅是受到張拉應(yīng)力集中顯著，其受壓狀態(tài)亦較為關(guān)鍵，在該部位處增大結(jié)構(gòu)剛度，有利于控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力穩(wěn)定性。隨閘墩厚度增大，溢流閘門上閘墩內(nèi)側(cè)面、連接梁部位處的最大壓應(yīng)力隨之為先減后增變化，兩者均以閘墩厚度1.6m時(shí)為壓應(yīng)力最低方案，達(dá)7.33MPa、3.48MPa。當(dāng)閘墩厚度為1、1.4m時(shí)，閘墩內(nèi)側(cè)面上最大壓應(yīng)力較厚度1.6m方案分別增大了86.2%、27.6%；而厚度1.8、2m方案壓應(yīng)力相比最低方案也有29.9%、73%增幅。從閘墩厚度區(qū)間變化性考慮，當(dāng)閘墩厚度為1～1.6m時(shí)，對(duì)閘墩內(nèi)側(cè)面、連接梁部位壓應(yīng)力均為抑制效應(yīng)，每增長(zhǎng)0.2m墩厚，兩部位壓應(yīng)力平均降低18.7%、17.4%；而在厚度1.6～2m區(qū)間，兩部位壓應(yīng)力為遞增變化，平均增幅分別為31.5%、40.3%。另一關(guān)鍵部位閘墩外側(cè)面最大壓應(yīng)力與前兩者有所不同，其在閘墩厚度1～1.6m區(qū)間內(nèi)時(shí)，最大壓應(yīng)力處于較穩(wěn)定狀態(tài)，為6.28MPa左右，無(wú)顯著波動(dòng)，當(dāng)閘墩厚度超過(guò)1.6m后，外側(cè)面最大壓應(yīng)力有所增大，厚度1.8、2m方案中閘墩外側(cè)面最大壓應(yīng)力較前述穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)壓應(yīng)力值分別增大了42.2%、84.1%，表明閘墩厚度不應(yīng)過(guò)大，避免溢流閘門局部部位出現(xiàn)過(guò)大的壓應(yīng)力分布，影響整體結(jié)構(gòu)安全性[15- 16]。筆者認(rèn)為，閘墩厚度對(duì)結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力影響并不是一致性規(guī)律，而是具有階段性影響特征，對(duì)閘墩厚度影響壓應(yīng)力表現(xiàn)應(yīng)“一分為二”考慮，而對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)，可選擇影響變化轉(zhuǎn)折節(jié)點(diǎn)，本文溢流閘門模型中閘墩厚度1.6m即為臨界節(jié)點(diǎn)。

圖4 關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力與閘墩厚度變化關(guān)系

3 閘墩厚度對(duì)閘門位移影響

根據(jù)對(duì)溢流閘門閘墩厚度加固方案的仿真計(jì)算，可獲得閘門上位移特征，閘墩厚度1m(未加固)、厚度1.6m方案下閘墩內(nèi)、外側(cè)面Z向位移特征如圖5—6所示。

從圖5中可看出，閘墩內(nèi)側(cè)面位移負(fù)方向值集中在墩頂，筆者認(rèn)為張拉應(yīng)力亦是集中在該區(qū)域，位移方向指向閘室左岸，量值為2.27～2.94mm，其受閘門與壩頂連接梁處受力不均影響，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)負(fù)值位移，此為影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要根源。當(dāng)閘墩厚度為1.6m時(shí)，閘墩內(nèi)側(cè)面雖仍分布有張拉應(yīng)力，但指向左岸位移值限制較小，相比未加固時(shí)位移量值降低了11.6%～32.7%，達(dá)1.98～2.6mm。分析表明，溢流閘門產(chǎn)生張拉應(yīng)力根本來(lái)源于結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)面出現(xiàn)指向左岸負(fù)向位移，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部發(fā)生張拉應(yīng)力；而增大閘墩厚度后，結(jié)構(gòu)受力均勻性增強(qiáng)，位移值減小，因而產(chǎn)生的拉應(yīng)力亦較小。結(jié)合溢流閘門加固方案的應(yīng)力與位移特征，當(dāng)閘墩厚度為1.6m時(shí)，結(jié)構(gòu)安全性最穩(wěn)固，此即為適合于浙北聯(lián)圩樞紐工程西側(cè)干堤溢流閘加固的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

圖5 閘墩Z(yǔ)向位移特征(閘墩厚度1m)

4 結(jié)論

(1)閘墩內(nèi)側(cè)面拉、壓應(yīng)力均為閘門上最大，各方案中閘墩外側(cè)面、連接梁最大拉應(yīng)力較前者降幅分別達(dá)19.3%～29.5%、51.6%～58.7%；關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力與閘墩厚度具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，但在厚度超過(guò)1.6m后降幅減小。

圖6 閘墩Z(yǔ)向位移特征(閘墩厚度1.6m)

(2)內(nèi)側(cè)面、連接梁最大壓應(yīng)力隨厚度為先減后增變化，以厚度1.6m時(shí)為最低，兩部位在厚度為1～1.6m中降幅為18.7%、17.4%，而厚度1.6～2m區(qū)間內(nèi)增幅31.5%、40.3%；外側(cè)面壓應(yīng)力在厚度低于1.6m時(shí)穩(wěn)定在6.28MPa，超過(guò)1.6m后遞增。

(3)內(nèi)側(cè)面拉應(yīng)力產(chǎn)生根源為內(nèi)側(cè)面墩頂發(fā)生負(fù)向Z位移，隨閘墩厚度增大，負(fù)向位移減小。

(4)綜合認(rèn)為閘墩厚度1.6m時(shí)為西側(cè)干堤溢流閘孔加固最佳方案。