邊荷載對(duì)某水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響的有限元分析

翁明皓，莊寶慶，張 浩，童琦媛，白少華，王福生

（1.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇淮安 223005；2.無(wú)錫市錫山區(qū)水利局，江蘇無(wú)錫 214000；3.南京市六合區(qū)河道管理所，江蘇南京 211500）

0 引言

水閘工程設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到一系列的荷載，如結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力及土壓力等，在這諸多荷載中，邊荷載屬于一類(lèi)比較“特殊”的荷載。不同于其它直接作用于閘室上的荷載，邊荷載[1]指的是閘室計(jì)算段兩側(cè)作用于地基上的荷載（一般由回填土或相鄰閘室、岸墻引起），對(duì)閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響十分復(fù)雜，需要予以重視。

目前，關(guān)于邊荷載對(duì)水閘應(yīng)力影響的研究[2-5]大多是以彈性地基梁理論為基礎(chǔ)，研究底板的彎矩與配筋；現(xiàn)行的《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]也規(guī)定采用彈性地基梁法分析底板內(nèi)力時(shí)，根據(jù)不同情況采用不同的邊荷載計(jì)算百分?jǐn)?shù)；關(guān)淑萍等[7]采用有限元法分析了兩種不同岸墻結(jié)構(gòu)下的底板內(nèi)力，解決了考慮邊荷載時(shí)的底板結(jié)構(gòu)計(jì)算問(wèn)題，但由于沒(méi)有分析不計(jì)邊荷載的情況，故未能得出邊荷載對(duì)閘室應(yīng)力影響的具體表現(xiàn)方面。本文分別考慮不計(jì)邊荷載與計(jì)入邊荷載兩種計(jì)算條件，采用有限元法分析閘室應(yīng)力在計(jì)入邊荷載前后的具體變化，對(duì)類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

某水閘工程主要功能為蓄水灌溉，灌溉面積約2萬(wàn)hm2，同時(shí)兼顧引調(diào)水、排澇，水閘為排水渠上永久性建筑物，設(shè)計(jì)流量為85 m3/s，屬于3級(jí)水工建筑物。

考慮到擋水高度較高，水閘型式采用胸墻式，閘門(mén)采用平面直升門(mén)。全閘共設(shè)3孔，單孔凈寬3 m；邊墩、中墩厚度均為1 m，邊墩直接擋土，回填土填筑至閘頂處；底板采用整體式平底板，厚度為1 m；閘室垂直水流方向總寬度為13 m，順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)度為12 m。水閘閘室縱剖面圖見(jiàn)圖1，圖中高程單位以m計(jì)，其余均以mm計(jì)。

圖1 閘室縱剖面圖

2 有限元計(jì)算模型

2.1 模型的建立

考慮到上部結(jié)構(gòu)對(duì)閘室應(yīng)力的影響，此次計(jì)算選取包含上部結(jié)構(gòu)的整個(gè)閘室作為研究對(duì)象，采用GTSNX軟件建立水閘整體三維有限元模型，包括底板、閘墩、交通橋、排架、工作橋及地基土體。計(jì)算模型采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，X方向?yàn)轫標(biāo)鞣较?，指向下游；Y方向?yàn)榇怪彼鞣较?，指向左岸；Z方向?yàn)楦叨确较?，豎直向上。在X，Y方向上，地基模型分別延伸2倍相應(yīng)閘室的尺寸，計(jì)算模型X方向尺寸為60 m，Y方向尺寸為65 m；在Z方向上，地基模型深度取15 m。

采用GTSNX提供的混合網(wǎng)格生成器（六面體網(wǎng)格為主）對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成的水閘整體模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為79 920個(gè)，單元總數(shù)為79 468個(gè)，閘室模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為10 022個(gè)，單元總數(shù)為9 658個(gè)。有限元模型示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 水閘有限元模型

2.2 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

此次計(jì)算中，閘室底板、閘墩及上部結(jié)構(gòu)的材料為C30混凝土，采用線(xiàn)彈性模型進(jìn)行模擬，彈性模量取3×104MPa，泊松比取0.167，容重取25 kN/m3；墻后回填土的摩擦角取30°，容重取19 kN/m3；地基土體自上而下可分為3層，采用摩爾庫(kù)倫（Mohr-Coulomb）模型進(jìn)行模擬。各層土體的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地基土體計(jì)算參數(shù)

在閘室底板與地基土體之間設(shè)置接觸對(duì)，接觸主對(duì)象為底板，附屬對(duì)象為地基土體，摩擦系數(shù)取0.5。同時(shí)，在地基模型底部施加固定約束，四周側(cè)面施加水平法向鏈桿約束。

2.3 計(jì)算工況及荷載

由于該水閘的主要功能為蓄水灌溉，因此主要對(duì)完建與擋水兩個(gè)工況下的水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。各工況下的水位組合見(jiàn)表2。

表2 各工況水位組合表

為了研究邊荷載對(duì)水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，此次計(jì)算針對(duì)上述工況分別考慮了不計(jì)邊荷載與計(jì)入邊荷載兩種不同的計(jì)算情況，因此，將上述兩種計(jì)算工況進(jìn)一步細(xì)分為完建（不計(jì)邊荷載）、完建（計(jì)入邊荷載）、擋水（不計(jì)邊荷載）及擋水（計(jì)入邊荷載）4種計(jì)算情況。

計(jì)算中，由于不設(shè)岸墻，邊墩直接擋土，故邊荷載為閘室兩側(cè)回填土（邊墩外側(cè)8.2 m回填范圍內(nèi)）作用于地基上的荷載，即回填土重。邊墩承受的土壓力雖然由回填土引起，但其直接作用于閘室，因此不能作為邊荷載考慮。各計(jì)算情況下的荷載組合見(jiàn)表3，表中“√”表示考慮該荷載。

表3 荷載組合表

3 計(jì)算結(jié)果及對(duì)比分析

3.1 閘室應(yīng)力分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，對(duì)4種計(jì)算情況下的閘室主拉應(yīng)力展開(kāi)分析。由于閘室模型與承受荷載在垂直水流方向上是對(duì)稱(chēng)的，因此整個(gè)閘室的主拉應(yīng)力在該方向上呈對(duì)稱(chēng)分布。完建（不計(jì)邊荷載）情況下的閘室最大主拉應(yīng)力發(fā)生在胸墻與邊墩連接處，最大值為0.456 MPa，計(jì)入邊荷載后的最大主拉應(yīng)力發(fā)生在底板下游齒墻靠近邊墩處，為0.390 MPa；擋水（不計(jì)邊荷載）情況下的閘室主拉應(yīng)力分布規(guī)律與完建（不計(jì)邊荷載）基本保持一致，主拉應(yīng)力最大值為0.413 MPa，考慮邊荷載后，由于上游水位較高，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在底板上游齒墻處，最大值為0.402 MPa。。

C30混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.430 MPa，上述4種計(jì)算情況下的主拉應(yīng)力最大值均未超過(guò)這一數(shù)值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)不會(huì)因拉應(yīng)力過(guò)大發(fā)生破壞，然而在計(jì)入邊荷載的情況下，閘室的主拉應(yīng)力最大值往往發(fā)生在底板上，盡管此次計(jì)算中結(jié)構(gòu)未發(fā)生受拉破壞的情況，但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以注意。上述分析表明，邊荷載對(duì)閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力存在直接的影響，這是由于考慮邊荷載后，地基在閘室兩側(cè)回填土重的影響下反作用于底板，導(dǎo)致底板的應(yīng)力發(fā)生變化。

3.2 底板應(yīng)力分析

由于底板應(yīng)力受邊荷載的影響較為明顯，因此需要針對(duì)底板應(yīng)力展開(kāi)分析?？紤]到擋水工況下閘室上、下游水位差異較大，需要分別考慮底板上、下游兩側(cè)的應(yīng)力分布情況，因此，在底板上截取X=4 m（上游側(cè)）和X=9 m（下游側(cè)）兩個(gè)平面，并在面層、底層選取一系列典型點(diǎn)，分別研究底板面層與底層在Y方向（垂直水流方向）的應(yīng)力分布規(guī)律及變化情況。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，完建、擋水工況下的底板Y方向應(yīng)力分布橫斷面圖見(jiàn)圖3、圖4。

當(dāng)考慮邊荷載的情況下，比較圖3、圖4中計(jì)入邊荷載前后的底板應(yīng)力分布情況，能夠發(fā)現(xiàn)：完建期，考慮邊荷載前后的底板應(yīng)力分布規(guī)律總體上保持一致，但在靠近中墩處發(fā)生變化；前后的應(yīng)力大小有明顯的變化，大部分面層底板的壓應(yīng)力有所減小，中孔處甚至出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，底層底板壓應(yīng)力有所增大，主要受壓，僅在兩側(cè)邊孔靠近邊墩處受拉。擋水期，計(jì)入邊荷載后的上游底板應(yīng)力分布規(guī)律產(chǎn)生較大的差異，而下游底板的應(yīng)力分布仍呈現(xiàn)“總體一致，局部變化”的規(guī)律；底板面層大部分區(qū)域的壓應(yīng)力減小，中孔及邊孔出現(xiàn)拉應(yīng)力，底板底層僅在兩側(cè)邊墩附近有一定的拉應(yīng)力，中孔及大部分邊孔普遍受壓，壓應(yīng)力增大，其中部分區(qū)域由之前的受拉轉(zhuǎn)為受壓。

圖3 完建工況下底板Y方向應(yīng)力分布橫斷面圖

圖4 擋水工況下底板Y方向應(yīng)力分布橫斷面圖

同時(shí)，以擋水工況下的上游底板為例（其余工況分析方法類(lèi)似），選取底板上的5個(gè)典型部位，進(jìn)一步研究底板不同部位對(duì)邊荷載的敏感性。表4為該工況下上游底板各典型部位應(yīng)力的變化情況（表中“不計(jì)”與“計(jì)入”表示邊荷載的計(jì)入與否），可以看出，底板中孔位置處對(duì)邊荷載的敏感性最強(qiáng)，受力狀態(tài)從本質(zhì)上發(fā)生了變化，應(yīng)力變化值也最大，而邊孔處的應(yīng)力變化相對(duì)較??；與面層相比，由于底板底層直接與地基接觸，因此，該部位對(duì)邊荷載的敏感性總體上更強(qiáng)。

表4 擋水工況上游底板應(yīng)力變化

綜合上述分析，計(jì)入邊荷載后的底板壓（拉）應(yīng)力大小、受壓（受拉）狀態(tài)均可能與不計(jì)邊荷載時(shí)的結(jié)果有所出入，建議在比較重要的水閘工程設(shè)計(jì)中采用考慮邊荷載影響的有限元方法來(lái)分析閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力，從而使得應(yīng)力分析結(jié)果更加符合實(shí)際情況，避免結(jié)構(gòu)破壞或建筑材料過(guò)度浪費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)論

1）各工況下，不計(jì)邊荷載時(shí)的閘室主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在胸墻與邊墩連接處，計(jì)入邊荷載后的主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在底板齒墻附近，主拉應(yīng)力最大值未超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生受拉破壞。

2）底板Y方向應(yīng)力分析表明，邊荷載對(duì)底板應(yīng)力的影響十分明顯。與不計(jì)邊荷載相比，各工況計(jì)入邊荷載時(shí)的底板面層壓應(yīng)力減小，中孔由受壓轉(zhuǎn)為受拉，底層底板的兩側(cè)存在一定范圍受拉區(qū)，底板中孔及底層位置處受邊荷載的影響最為明顯。水閘設(shè)計(jì)階段中，應(yīng)分析清楚邊荷載對(duì)閘室應(yīng)力的具體影響方式，并在重大水閘工程設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮。