弧形水工閘門加固結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案分析研究

繆融融，唐 演

（江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223000）

1 引言

水工結(jié)構(gòu)運(yùn)營過程中，其安全穩(wěn)定性受運(yùn)營年限[1]、材料安全允許應(yīng)力值[2]等影響，研究結(jié)構(gòu)安全可靠性勢必需要考慮設(shè)計因素。為此，基于水工設(shè)計的優(yōu)化分析，探討工程安全的最優(yōu)化結(jié)果，對工程設(shè)計、建設(shè)成本控制等均有重要意義。針對工程設(shè)計最優(yōu)化問題，邱海娟[3]、沈衛(wèi)[4]基于水工模型試驗(yàn)理論，設(shè)計開展泄洪洞、溢洪道等水工設(shè)施的模型試驗(yàn)，分析不同設(shè)計方案下模型試驗(yàn)結(jié)果差異性，進(jìn)而獲得工程建設(shè)的最優(yōu)設(shè)計方案。模型試驗(yàn)方法雖可靠性較大，但試驗(yàn)成本及耗時周期不利于設(shè)計進(jìn)度要求，因而一些學(xué)者利用Abaqus[5]、ANSYS[6]等數(shù)值仿真平臺，通過分析有限元計算模型在不同設(shè)計方案下靜力場或滲流場特征，可較高效獲得不同方案的利弊性，進(jìn)而為工程建設(shè)提供重要計算依據(jù)。文中根據(jù)某節(jié)制閘弧形鋼閘門的加固問題，設(shè)計探討放大增強(qiáng)體截面半徑尺寸參數(shù)最優(yōu)化，為工程除險加固提供重要參考。

2 工程設(shè)計概況

2.1 工程概況

某節(jié)制閘作為區(qū)域內(nèi)重要水利控制樞紐，其運(yùn)營安全穩(wěn)定性乃是日常監(jiān)管、維護(hù)的重中之重，承擔(dān)著地區(qū)農(nóng)田灌溉、防洪排澇、蓄水調(diào)度的水利作用，年可灌溉農(nóng)田270萬畝，所建設(shè)的輸水渠道全長為80 km。節(jié)制閘年最大泄流量超過350萬m3，閘頂高程與泄流水面線距離為1.2 m左右。為減少節(jié)制閘前水力作用影響整體水閘樞紐功能，工程管理部門討論對節(jié)制閘的弧形閘門進(jìn)行加固，既可增強(qiáng)閘體所在區(qū)域的水力控制性能，也可提升節(jié)制閘對下游水利控制效率。設(shè)計部門計劃采用增設(shè)放大增強(qiáng)體的措施，提升閘門結(jié)構(gòu)整體抗傾覆性能，而放大體設(shè)定在弧形閘門的墩體與閘室邊側(cè)相交部位，如圖1所示。

圖1 增強(qiáng)放大體示意圖

2.2 工程仿真

為確保工程設(shè)計方案優(yōu)化分析結(jié)果的可靠性，采用COMSOL有限元仿真平臺建立節(jié)制閘弧型鋼閘門與增強(qiáng)體的計算模型[7]，如圖2所示。該模型主要采用四邊體微單元網(wǎng)格，經(jīng)劃分后獲得微單元體86 282個，節(jié)點(diǎn)數(shù)62 566個。該模型中外荷載包括有結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力及泥沙懸浮沉降作用等，模型計算范圍為節(jié)制閘上、下游各50 m，閘室底部土體影響范圍為20 m。為方便計算分析，文中設(shè)定計算模型的X、Y、Z正向分別為順?biāo)飨掠巍㈤l體豎直向上及閘門右岸向?；诓煌糯笤鰪?qiáng)體設(shè)計方案的對比，分析各設(shè)計方案中增強(qiáng)體尺寸半徑參數(shù)對結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性影響，進(jìn)而獲得最優(yōu)設(shè)計方案。

圖2 節(jié)制閘門整體模型

3 閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征

墩體放大增強(qiáng)體位移節(jié)制閘兩側(cè)，設(shè)定左、右側(cè)增強(qiáng)體截面尺寸半徑參數(shù)均為一致，設(shè)定參數(shù)分別為0.6 m（A方案）、0.8 m（B方案）、1.0 m（C方案）、1.2 m（D方案）、1.4 m（E方案）、1.6 m（F方案），其他設(shè)計參數(shù)一致，計算增大體的截面參數(shù)對節(jié)制閘水工閘門應(yīng)力、位移影響。另一方面，在計算模型中以關(guān)鍵部位的靜力參數(shù)為分析重點(diǎn)，各關(guān)鍵部位如圖3所示。

圖3 節(jié)制閘關(guān)鍵部位示意圖

3.1 拉應(yīng)力特征

根據(jù)墩體放大增強(qiáng)體的設(shè)計方案對比，獲得節(jié)制閘拉應(yīng)力變化特征，如圖4。依據(jù)圖4中應(yīng)力變化趨勢可知，3個關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力隨增強(qiáng)體半徑參數(shù)均為遞減變化，但各部位拉應(yīng)力量值均有差異，以閘墩內(nèi)側(cè)面部位上的拉應(yīng)力為節(jié)制閘上最高。從整體來看，各設(shè)計方案中閘墩內(nèi)側(cè)面部位最大拉應(yīng)力分布為1.45~4.7 MPa，而墩體外側(cè)面、連接梁部位最大拉應(yīng)力與前者差幅分別為21.5%~32.7%、54.4%~82%，即3個部位中連接梁部位處拉應(yīng)力最低，且各設(shè)計方案中連接梁處拉應(yīng)力均未超過2.2 MPa，而墩體內(nèi)側(cè)面部位最大拉應(yīng)力在半徑0.6 m方案中甚至可達(dá)3.45 MPa，為工程安全設(shè)計考慮，設(shè)計配筋之時應(yīng)重點(diǎn)加密墩體內(nèi)側(cè)面，增強(qiáng)其剛度。

圖4 關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力與增強(qiáng)體半徑參數(shù)關(guān)系

對比放大增強(qiáng)體對閘體關(guān)鍵部位拉應(yīng)力影響可知，各部位最大拉應(yīng)力隨墩體半徑參數(shù)變化的降幅具有轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)，3個部位均在增強(qiáng)體半徑1.2 m處拉應(yīng)力降幅放緩。在增強(qiáng)體半徑0.6~1.2 m區(qū)間內(nèi)，半徑參數(shù)每增大0.2 m，墩體外側(cè)面最大拉應(yīng)力隨之減少29.7%；而增強(qiáng)體半徑參數(shù)超過1.2 m后，墩體外側(cè)面最大拉應(yīng)力平均降幅僅為3.1%，即增強(qiáng)體截面尺寸對墩體外側(cè)面拉應(yīng)力抑制作用減弱，特別是在半徑尺寸參數(shù)超過1.2 m后，墩體外側(cè)面上最大拉應(yīng)力均低于1.5 MPa，滿足結(jié)構(gòu)材料安全允許值。同樣，在增強(qiáng)體半徑0.6~1.2 m區(qū)間內(nèi)，墩體內(nèi)側(cè)面、連接梁部位最大拉應(yīng)力分別具有平均降幅31.2%、45.9%；而在增強(qiáng)體半徑1.2~1.6 m內(nèi)，兩部位的降幅又為1.9%、11.4%，即連接梁部位受增強(qiáng)體截面尺寸參數(shù)影響更為敏感，因此，控制墩體半徑參數(shù)在適宜區(qū)間乃是更為有利，從文中拉應(yīng)力計算結(jié)果考慮，放大增強(qiáng)體半徑參數(shù)1.2 m時乃是最優(yōu)。

3.2 壓應(yīng)力特征

同理，可獲得3個關(guān)鍵部位上最大壓應(yīng)力隨增強(qiáng)體半徑參數(shù)變化關(guān)系，如圖5。依據(jù)圖5中壓應(yīng)力表現(xiàn)可知，3個部位中壓應(yīng)力最大為連接梁，在6個設(shè)計方案中連接梁壓應(yīng)力分布在8.66~15.45 MPa，而墩體內(nèi)側(cè)面、外側(cè)面最大壓應(yīng)力較前者的差幅分布為25.7%~43%、13.3%~24.2%；從結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮，連接梁部位乃是重要耦合節(jié)點(diǎn)，其受靜水壓力、結(jié)構(gòu)自重等影響，因而壓應(yīng)力乃是閘體最大。從3個部位與增強(qiáng)體半徑參數(shù)變化關(guān)系可知，連接梁部位最大壓應(yīng)力隨之為先增后減變化，以增強(qiáng)體半徑1.2 m方案為壓應(yīng)力最大。在增強(qiáng)體半徑參數(shù)0.6~1.2 m區(qū)間內(nèi)，連接梁最大壓應(yīng)力隨半徑參數(shù)為遞增，半徑每增大0.2 m，連接梁最大壓應(yīng)力增長21.5%，該區(qū)間內(nèi)連接梁所受預(yù)壓效果最為顯著，有利于結(jié)構(gòu)抗傾覆[8]；而在半徑1.2~1.6 m區(qū)間內(nèi)，平均降幅為9.5%，分析表明連接梁部位壓應(yīng)力效果最好為半徑1.2 m。墩體內(nèi)、外側(cè)面最大壓應(yīng)力隨半徑參數(shù)均為遞增態(tài)勢，各設(shè)計方案中墩體內(nèi)、外側(cè)面最大壓應(yīng)力隨增強(qiáng)體半徑參數(shù)的平均增幅分別為11.9%、10.3%，但在半徑0.6~1.2 m區(qū)間，內(nèi)、外側(cè)面壓應(yīng)力的平均增幅可達(dá)19.6%、17%，超過1.2 m后最大壓應(yīng)力變幅較小，分別穩(wěn)定在9.33 MPa、12.05 MPa。綜合分析認(rèn)為，當(dāng)放大增強(qiáng)體的半徑為1.2 m時，不僅連接梁部位抗傾覆效果最佳，且墩體內(nèi)、外側(cè)面的壓應(yīng)力處于最經(jīng)濟(jì)，因而增強(qiáng)體半徑1.2 m時結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力效果最優(yōu)。

圖5 關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力與增強(qiáng)體半徑參數(shù)關(guān)系

4 閘門結(jié)構(gòu)位移特征

根據(jù)對增強(qiáng)放大體設(shè)計方案位移計算，獲得典型方案下閘墩內(nèi)、外側(cè)面位移分布特征，圖6、圖7為放大體半徑0.6 m、1.2 m時墩體Z向位移特征。

從圖6中可看出，在放大體半徑0.6 m設(shè)計方案中墩體內(nèi)側(cè)面負(fù)向位移最大為2.94 mm，該部分負(fù)向位移乃是由于墩體內(nèi)側(cè)面部位上的拉應(yīng)力產(chǎn)生，負(fù)向位移集中區(qū)間位于2.27~2.94 mm。該設(shè)計方案中墩體內(nèi)側(cè)面指向閘體右岸方向最大位移為3.13 mm，分布于內(nèi)側(cè)面與外側(cè)面轉(zhuǎn)角處，分布面積較小，穩(wěn)定在2.45~3.31 mm，表明增大體的半徑參數(shù)增大，有助于控制結(jié)構(gòu)體系位移的擴(kuò)展延伸。外側(cè)面位移分布與內(nèi)側(cè)面具有對稱特性，其正、負(fù)向最大位移與內(nèi)側(cè)面為“鏡面”特性。當(dāng)放大體半徑增大至1.2 m后，墩體內(nèi)側(cè)面上最大位移逐步轉(zhuǎn)移至墩頂，該部位處抗拉、抗傾覆效果最佳，而Z向最大負(fù)位移位于該處，有利于控制結(jié)構(gòu)材料裂紋的擴(kuò)展，且位移分布為1.79~2.49 mm，降幅達(dá)24.8%~45.9%。該設(shè)計方案下，結(jié)構(gòu)的位移分布顯著處于較安全合理。綜合對比，可知放大增強(qiáng)體半徑1.2 m時為最優(yōu)設(shè)計方案。

圖6 放大體半徑0.6 m時墩體Z向位移特征

圖7 放大體半徑1.2 m時墩體Z向位移特征

5 結(jié)論

（1）3個部位中拉應(yīng)力最大為墩體內(nèi)側(cè)面，墩體外側(cè)面、連接梁部位最大拉應(yīng)力與之差幅分別為21.5%~32.7%、54.4%~82%；各部位最大拉應(yīng)力隨墩體半徑參數(shù)為遞減，墩體內(nèi)、外側(cè)面及連接梁部位最大拉應(yīng)力的平均降幅分別為31.2%、29.7%、45.9%，而半徑1.2~1.6 m降幅分別為1.9%、3.1%、11.4%。

（2）3個部位中壓應(yīng)力最大為連接梁部位，連接梁部位最大壓應(yīng)力在半徑1.2 m方案為壓應(yīng)力最大。墩體內(nèi)、外側(cè)面最大壓應(yīng)力隨半徑參數(shù)均為遞增，但在半徑1.2 m后增幅較小，分別穩(wěn)定在9.33 MPa、12.05 MPa。

（3）墩體內(nèi)、外側(cè)面正、負(fù)Z向位移分布具有“鏡面”特性，放大體半徑增大至1.2 m后，Z向負(fù)位移向墩頂集中。

（4）綜合應(yīng)力、位移特征，節(jié)制閘的放大增強(qiáng)體半徑1.2 m時為最優(yōu)設(shè)計方案。