基于COMSOL分析下沭新閘加固后閘門靜力特征分析研究

宋 峰

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223005)

閘門結(jié)構(gòu)體系是水閘等水利控制樞紐工程中必不可少的水利設(shè)施，開展閘門結(jié)構(gòu)運(yùn)營評價分析對提升水利工程的安全設(shè)計具有重要意義[1-2]。閘門在長期運(yùn)營過程中需要加固設(shè)計，而設(shè)計方案的優(yōu)選性分析是確定最佳方案的重要基礎(chǔ)[3-4]。一些專家與學(xué)者利用物理模型試驗方法，設(shè)計有不同設(shè)計方案的水工模型，分析水閘、壩體或溢洪道等水工建筑在模型試驗中水力特征[5-7]，進(jìn)而比選獲得最優(yōu)設(shè)計方案。相比物理模型試驗成本較高的特點(diǎn)，一些水利工程中在施工建設(shè)時就已安裝有相關(guān)監(jiān)測設(shè)備，根據(jù)工程運(yùn)營過程中數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，亦可為擬建工程的設(shè)計提供相關(guān)參照[8-9]。不論是物理模型試驗抑或是數(shù)據(jù)監(jiān)測，其計算或分析效率均較低，因而數(shù)值仿真方法在一些水工結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中得到廣泛應(yīng)用，時靜[10]、沈志平[11]、葛萬明等[12]利用ANSYS、ABAQUS等平臺計算分析了水閘、水工擋土墻或其他水工建筑的設(shè)計方案，以靜力特征下應(yīng)力或變形參數(shù)為評判對象，為工程設(shè)計提供重要參考。本文根據(jù)沐新水閘的閘門加固設(shè)計方案，提出增設(shè)壓桿支撐結(jié)構(gòu)體系，對比分析了原有閘門與壓桿式閘門的靜力特征，獲得了壓桿式閘門靜力特征下的應(yīng)力、變形安全可靠性，為沐新閘門加固設(shè)計提供了重要依據(jù)。

1 工程概況

沐新閘是淮河上游地區(qū)水資源控制重要樞紐，承擔(dān)著沐新干渠渠首流量控制任務(wù)，設(shè)計干渠渠首流量最大為0.8 m3/s，該水閘同時也是新沂河防洪北干堤重要泄洪設(shè)施，最大泄流量為100 m3/s。沐新干渠全長超過100 km，采用U型防滲混凝土砌塊作為渠基礎(chǔ)，渠邊坡受上游水閘控制流量影響，最大滲透坡降不超過0.2；新沂河防洪干堤涉及有多座中小型水閘，組成防洪排澇重要水利樞紐，而其中沐新閘乃是北干堤上排澇中轉(zhuǎn)站，配備有3座泵站，水利功能性多樣。沐新水閘設(shè)計為多孔斷面形式，總凈寬為3 m，底板設(shè)置有鋼加固結(jié)構(gòu)，確保整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形滿足設(shè)計要求，運(yùn)營監(jiān)測表明，上游泄流量為 850 m3/s 時，底板鋼結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.1 MPa；另在水閘兩側(cè)設(shè)置有擋土邊墻，采用預(yù)制拼裝式擋土墻結(jié)構(gòu)，頂、底板厚度為1.2 m、0.8 m，箱涵內(nèi)可承受最大土壓力超過8 MPa，整體抗滑移、抗傾覆性較好。沐新水閘整體設(shè)施在修建運(yùn)營15年 后已采用加固墩形式作為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)剛度方案，墩厚為1.6 m，且各墩間布設(shè)有橫、縱聯(lián)系梁，梁截面均為半圓弧型，根據(jù)目前所獲得數(shù)據(jù)表明聯(lián)系梁上最大拉應(yīng)力不超過0.6 MPa，而各向最大變形仍較小，垂向沉降變形滿足設(shè)計安全要求，可滿足上游最大泄洪流量8600 m3/s。該水閘過流斷面設(shè)置有一弧形鋼閘門，直徑為4.8 m，高度為3.6 m，乃是沐新閘重要水利控制設(shè)施，閘門的安全運(yùn)營關(guān)乎著水閘過流斷面流量控制精確度，也與下游渠首輸水效率密切相關(guān)，因而，不可忽視沐新閘門的安全設(shè)計。根據(jù)目前調(diào)研得知，沐新閘門局部銹蝕變形，液壓啟閉機(jī)動能減弱、閘門開度控制精準(zhǔn)度降低，水閘運(yùn)營效率顯著降低，因而工程設(shè)計部門考慮對沐新水閘開展病危加固重修設(shè)計，擬考慮在原有弧形閘門后端支撐結(jié)構(gòu)體系中增設(shè)一壓桿加固結(jié)構(gòu)，且根據(jù)閘門尺寸設(shè)計有4個支撐壓桿，形成新的壓桿式沐新閘門，已有閘門與新式壓桿型閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖1所示。為確保重設(shè)加固的壓桿式閘門能夠?qū)嵸|(zhì)性發(fā)揮作用，在修建前對其設(shè)計方案進(jìn)行仿真計算，并結(jié)合已有沐新閘門開展對比分析，評判壓桿式閘門結(jié)構(gòu)形式的安全可靠性。

圖1 閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2 仿真建模

采用COMSOL仿真平臺對沐新閘門進(jìn)行建模，簡化閘門側(cè)向不影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性構(gòu)件，并對閘門進(jìn)行網(wǎng)格劃分[13-14]，獲得閘門有限元仿真模型，總共獲得單元節(jié)點(diǎn)數(shù)96 863個，單元數(shù)126 862個，所采用的微單元體為桿件單元，其節(jié)點(diǎn)幾何圖如圖2所示。原有閘門與新型壓桿式閘門結(jié)構(gòu)均為鋼材料，因而結(jié)構(gòu)仿真計算時相關(guān)材料物理力學(xué)參數(shù)均保持一致，例如密度均為7.85 g/cm3。以正常運(yùn)營水位時荷載狀態(tài)為研究工況，該工況下閘門底部為無自由度，兩側(cè)亦為0自由度，僅在頂部具有法向約束。為分析方便，本文計算模型中設(shè)定X、Y、Z正向分別為水流上游向、豎直向上、水閘右岸向。根據(jù)沐新水閘運(yùn)營狀態(tài)以及閘門安全設(shè)計要求可知，不論是傳統(tǒng)已有閘門，抑或是改良壓桿式閘門，其最大變形不可超過跨度的1/800，而本文中跨度為8000 mm，因而結(jié)構(gòu)允許最大變形為10 mm。

圖2 微單元體節(jié)點(diǎn)幾何圖

3 閘門變形特征

3.1 位移變化特征

為分析方便，本文以閘門結(jié)構(gòu)上的面板、橫、縱梁三個關(guān)鍵部位為主要分析對象，經(jīng)計算獲得兩種不同形式閘門結(jié)構(gòu)的三個關(guān)鍵部位上X、Y、Z向變形對比結(jié)果，如圖3所示。

從圖3中對比可知，三個關(guān)鍵部位中位移最大值位于面板，在傳統(tǒng)原有閘門結(jié)構(gòu)中面板Y向最大位移為9.992 mm，而相同閘門設(shè)計方案中橫、縱梁整體Y向位移較前者分別降低了48.7%、46.0%，而在X、Z向上僅橫梁位移就較之減小了47.0%，表明面板部位為閘門上承受水荷載威脅最大破壞面，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)重點(diǎn)加密配筋，提升面板部位剛度。與之同時，新型壓桿式閘門中橫、縱梁部位相比面板處X、Y、Z向位移亦分別有平均降幅52.1%、54.8%、72.9%，其中以Z向位移差距最為顯著。從各方向位移最大值亦可知，原有閘門的各部位位移值均高于壓桿式閘門，最大降幅差距可達(dá)88.7%，屬縱梁在Z向上。對比不同方向上位移可知，兩種閘門形式位移最大均為Y向，原有閘門的縱梁部位處Y向位移為6.392 mm，而在X、Z向縱梁位移較之分別降低了1.4%、5.5%；同理在改良壓桿式閘門的縱梁上亦有降幅，降幅為3.4%、81.8%；表明閘門結(jié)構(gòu)中變形產(chǎn)生仍以豎向沉降為主，即豎向自重應(yīng)力仍然是閘門結(jié)構(gòu)體系中最為關(guān)鍵應(yīng)力，其對結(jié)構(gòu)影響超過上游水力荷載。在面板部位上，各方向位移上降幅為8.2%～18.3%，其中以X向位移差距最為明顯，而橫、縱梁上位移降幅分別為24.8%～37.0%、41.3%～88.7%，均以Z向位移差距為最大。當(dāng)閘門增設(shè)壓桿結(jié)構(gòu)后，其抗滑移能力得到提升，壓桿結(jié)構(gòu)可削弱一部分水力荷載對閘門的沖擊作用，進(jìn)而表現(xiàn)在閘門各方向上位移降低特征。在計算結(jié)果中各方向最大位移值均低于10 mm，但不可忽視原有閘門的面板在Y向上位移值逼近安全允許臨界值，達(dá)9.992 mm，極易發(fā)生閘門傾覆破壞，因而從位移安全有效性考慮，壓桿式改良閘門結(jié)構(gòu)形式合理可靠。

圖3 閘門結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位各向變形對比結(jié)果

3.2 位移分布特征

在計算閘門結(jié)構(gòu)位移變化特征時，也可獲得閘門上位移分布特征，圖4為兩種閘門設(shè)計形式關(guān)鍵部位位移分布特征結(jié)果。從圖中可知，兩種閘門形式的面板部位位移分布特征基本一致，最大位移均位于面板頂部區(qū)域，且最大位移方向為順?biāo)飨掠蜗?；另一方面，兩種閘門設(shè)計方案的面板X向位移分布具有對稱性，原有閘門面板中部X向位移以3.304～5.174 mm為主，而壓桿式新型閘門面板在該區(qū)域位移分布為2.710～4.379 mm，即在原有閘門基礎(chǔ)增設(shè)壓桿支撐體系后，對面板位移分布影響較小，僅影響位移量值。兩種閘門設(shè)計形式的縱梁Z向上位移值最大分布區(qū)域一致，縱梁Z向正位移僅出現(xiàn)在閘門背水側(cè)，而縱梁大部分區(qū)域均以指向水閘左向位移為主。兩種閘門設(shè)計形式的橫梁位移分布具有相似性，差距性僅在位移量值，比如原有閘門的橫梁最大位移值為5.01 mm，位于橫梁靠近閘門底部部位，而壓桿式閘門最大位移值亦在該部位，量值為3.77 mm?？偨Y(jié)上述三個典型位移分布對比圖可知，增設(shè)壓桿支撐結(jié)構(gòu)體系后，不影響閘門位移分布形式，壓桿結(jié)構(gòu)體系對位移影響僅在量值上，壓桿式閘門結(jié)構(gòu)形式有利于控制結(jié)構(gòu)位移，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗滑移能力。

圖4 關(guān)鍵部位位移分布特征

4 閘門應(yīng)力特征

4.1 應(yīng)力變化特征

同理，基于COMSOL計算獲得兩種閘門設(shè)計方案中關(guān)鍵部位應(yīng)力變化特征，本文為分析方便，結(jié)合等效應(yīng)力理論， 以閘門各關(guān)鍵部位等效應(yīng)力、剪切應(yīng)力作為對比分析對象，如圖5所示。從圖中可知，原有閘門結(jié)構(gòu)中等效應(yīng)力值最大位于縱梁部位，達(dá)183.5 MPa，而橫梁、面板上最大等效應(yīng)力值相比前者分別降低了70.8%、12.0%；但不同的是壓桿式閘門最大等效應(yīng)力位于面板，達(dá)143.0 MPa，兩個閘門設(shè)計形式中等效應(yīng)力最小值均為橫梁，在壓桿式閘門設(shè)計方案中橫梁等效應(yīng)力值相比面板減少了71.0%，僅為41.5 MPa。分析認(rèn)為，當(dāng)增加壓桿體系后，閘門上縱梁所承受的應(yīng)力有所“緩和”，進(jìn)而減弱結(jié)構(gòu)體系中拉應(yīng)力對橫、縱支撐梁的張拉威脅，此即為壓桿結(jié)構(gòu)帶來的“拉壓平衡”效應(yīng)[15-16]。對比兩種閘門設(shè)計形式可知，壓桿式閘門各部位中等效應(yīng)力值較之降幅達(dá)11.5%～26.0%，以橫、縱梁上等效應(yīng)力值降低最為顯著，其平均降幅可達(dá)24.2%。

圖5 閘門結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力對比結(jié)果

對比閘門各部位剪切應(yīng)力可知，其應(yīng)力特征與等效應(yīng)力值有所類似，原有閘門剪切應(yīng)力穩(wěn)定在21.7～84.3 MPa，以縱梁上剪切應(yīng)力為最大；壓桿式閘門各部位剪切應(yīng)力較原閘門降低了10.1%～36.4%，分別為13.8～63.6 MPa，最大降幅出現(xiàn)在縱梁部位，有利于結(jié)構(gòu)抗剪切性能。從等效應(yīng)力值與剪切應(yīng)力變化特征可知，壓桿式閘門穩(wěn)定性得到顯著增強(qiáng)，應(yīng)力安全性提升，閘門結(jié)構(gòu)抗拉、抗剪切性能較強(qiáng)。

4.2 應(yīng)力分布特征

基于COMSOL仿真計算獲得壓桿支撐加固前、后應(yīng)力分布特征，如圖6。從圖中可看出，面板上等效應(yīng)力從頂部至閘門底部為遞增特征，此種趨勢在兩種閘門設(shè)計方案中均是一致；原有閘門與壓桿式閘門方案的縱梁部位中最大等效應(yīng)力所處區(qū)域均一致，但等效應(yīng)力最小值所處區(qū)域有所差異性，壓桿式閘門縱梁的最小等效應(yīng)力位于邊梁區(qū)域，另縱梁上等效應(yīng)力分布特征具有相似性；橫梁等效應(yīng)力在兩種閘門方案中基本保持相似性，量值存在差距，壓桿式閘門橫梁上的大等效應(yīng)力值分布區(qū)域有所減小。從等效應(yīng)力分布特征結(jié)果來看，選擇壓桿式加固閘門方案，各關(guān)鍵部位等效應(yīng)力均低于材料安全值，且無顯著應(yīng)力集中效應(yīng)，方案應(yīng)力安全性優(yōu)勢較大，故而采用該方案較合理。

圖6 關(guān)鍵部位應(yīng)力分布特征

5 結(jié) 論

(1)閘門上位移最大值位于面板，原有閘門中橫、縱梁整體Y向位移較前者分別降低了48.7%、46%；閘門位移最大均為Y向，豎向自重應(yīng)力仍是閘門結(jié)構(gòu)體系中最關(guān)鍵應(yīng)力；原有閘門位移值均高于壓桿式閘門，以X、Z向位移差距為最大。

(2)兩種閘門形式的位移分布特征基本一致，僅量值存在較大差異，壓桿支撐體系不影響閘門位移分布特征；面板X向位移分布具有對稱性，縱梁Z向正位移僅出現(xiàn)在閘門背水側(cè)，壓桿式閘門結(jié)構(gòu)形式對結(jié)構(gòu)體系位移控制較好。

(3)原有閘門與壓桿式閘門的等效應(yīng)力值最大分別位于縱梁、面板部位，而等效應(yīng)力最小值均為橫梁；壓桿結(jié)構(gòu)有助于應(yīng)力“拉壓平衡”效應(yīng)，壓桿式閘門與原有閘門各部位等效應(yīng)力值、剪切應(yīng)力值降幅分別達(dá)11.5%～26.0%、10.1%～36.4%。

(4)應(yīng)力分布特征表明壓桿式閘門無顯著應(yīng)力集中，相比原有閘門應(yīng)力安全性優(yōu)勢較大，設(shè)計合理。