底板厚度变化对闸站结构影响的三维有限元分析研究

李　蕾，郑　健

技术论坛

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)



底板厚度变化对闸站结构影响的三维有限元分析研究

李蕾1，郑健2

技术论坛

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

摘要：文章以某引水枢纽工程闸站底板为主要研究对象，采用ANSYS软件建立三维有限元分析模型。通过改变闸站底板模型的厚度参数，分析其变化对闸站底板结构位移、应力分布及内力的影响，为闸站结构设计和优化提供数值参考和理论根据。

关键词：闸站底板；三维有限元；弯矩；位移；应力；分析

1工程概况

某引水枢纽工程闸站段由左岸引水闸、主泵房、右岸引水闸3个部分组成。整个闸站段底板顺水流方向长26.74 m，垂直水流方向长74.00 m。

闸站底板为水平板，与左右两侧闸墩构成整体结构。底板厚度1.5 m,设3条沉降缝，共分4段。

中间泵站为引排结合的双向泵站，采用双层涵洞式双向进出水流道，如图1所示。泵站设计引水流量为50 m3/s。

2三维有限元建模

文章将闸站底板作为主要研究对象，考虑闸墩、底板和地基的相互作用，按底板分缝，取三孔一联的闸站结构和一定范围的地基作为一个整体，建立三维有限元模型。不同的是底板厚度在设计值1.5 m的基础上，增设1.0 m和2.0 m两个对照组。地基模拟的范围取为：顺水流方向上，上下游各延伸2L(L为底板长度)，即53.48 m；垂直水流方向上，左右各延伸1.5B(B为一联闸站底板总宽度)，即31.47 m；铅直方向上，向下延伸2h(h为闸站高度)，即52.42 m。

2.1有限元网格划分

分析所涉及的闸室混凝土和地基玻屑凝灰岩2种材料的特性相差不大，故不考虑接触单元。同时，为了较好的反映不同材料的特性，增大有限元计算成果的数值差异性，对闸室混凝土采用八节点六面体实体单元Solid65模拟，而对地基岩体则采用八节点六面体实体单元Solid45进行模拟。闸站混凝土和岩基均采用弹塑性本构模型，选用德鲁克-普拉格(Drucker-Prager)屈服准则。考虑到闸室为本次结构计算的重点，故在闸室部分网格划分较密，与闸室相连的地基部分则相对稀疏。1.0 m底板模型计算区域共计离散为30672个节点和25030个单元，1.5m底板模型计算区域共计离散为31590个节点和25888个单元；2.0 m底板模型计算区域共计离散为32508个节点和26746个单元。闸站结构三维有限元模型见图2。

2.2边界条件和初始条件

本模型采用笛卡尔坐标系，取下游面闸站底板与地基接触的右侧角点为坐标原点，逆水流方向为Z轴的正方向，垂直水流方向指向右岸为X轴的正方向，竖直向上为Y轴的正方向。边界条件均取为位移约束条件，约束加载在地基上。在地基四周垂直侧面上施加法向链杆约束，在地基底部施加三向固定约束。初始条件为自重应力场，设置铅直方向的重力加速度g=9.8 N/kg。

2.3计算工况

根据水(潮)位资料及荷载情况，选取最不利的3种控制工况进行计算分析：

1)完建期：外江、内河侧引水河道均无水。

2)正向挡水：外江P=1%高潮位9.15 m+内河排涝停排水位4.73 m。

3)反向挡水：外江P=5%低潮位1.73 m+内河P=5%洪水位5.72 m。

3底板静力影响分析

根据闸站结构对称、荷载对称的特点，选取底板上、下游面各4个节点作为特征点进行底板厚度影响分析。特征点位置分布如图3所示。受本文篇幅所限，只选取正向挡水工况的计算数据进行比较和分析。本次计算所得正向挡水工况成果为正向挡水状态荷载工况除去完建状态荷载工况之后的成果。1.5m底板闸站模型计算成果如图4所示。

注：括号内节点为下游面节点。

图3特征点位置分布示意图

(Ⅰ)正向挡水Y向位移图

(Ⅱ)正向挡水第一主应力图

3.1位移成果分析

由于闸室自身刚度较大，闸室各处Y向位移差值较小。但由于数据真实反映闸站变形的本质特性，故对位移趋势分析的影响不大。通过对图5特征点Y向位移变化曲线图的分析可知，在不同底板厚度的情况下，各特征点沉降值大小随着向闸底板中部靠近而增大；跨中特征点沉降值较闸墩特征点沉降值为大(Node 1

随着底板厚度的增加，上游面闸墩特征点Y向沉降值有增大的趋势，而跨中特征点Y向沉降值有减小的趋势；下游面各特征点Y向沉降值均有减小趋势；各特征点Y向位移变化曲线的斜率趋于平缓，特征点位移变化幅度变小，最终达到一个相对平均的数值。

(Ⅰ)特征点Y向位移变化曲线

(Ⅱ)特征点Y向位移变化曲线

3.2应力成果分析

如图6所示，通过对特征点第一主应力变化曲线图的分析可知，在不同闸站底板厚度的情况下，各特征点第一主应力均为拉应力；中墩特征点第一主应力值最大；上游面特征点第一主应力值比下游面对应特征点第一主应力值大。随着底板厚度的增加，各特征点第一主应力值中除最大值有减小趋势，其他较小值均有增大趋势，最终趋于一个相对平均的数值。

(Ⅰ)特征点第一主应力变化曲线

(Ⅱ)特征点第一主应力变化曲线

4底板内力分析

采用单元节点力求和法计算闸站底板控制截面内力。根据闸站的受力特点，在底板垂直于水流方向的三个横断面(Z=25.94 m、Z=20.1 m、Z=0.8 m)各选取4个截面作为控制截面进行底板内力计算。正向挡水工况闸站底板弯矩图如图7所示。

图7　控制截面位置分布示意图

通过对闸站底板弯矩图的比较分析可知，随着底板厚度增加，正弯矩减小，负弯矩增大；最大负弯矩值发生在上下游边缘附近的边跨中点。相比弹性地基梁法的计算结果，闸站底板的空间作用使得地基反力的分布更趋于均匀，从而造成底板受均布荷载作用正弯矩减小，闸墩受均布荷载作用负弯矩增大，两者叠加使得闸站底板上下游边缘附近的负弯矩较大，详见图8。

(Ⅰ) Z=25.94m横断面弯矩图

(Ⅱ) Z=20.10m横断面弯矩图

(Ⅲ) Z=0.80m横断面弯矩图

5结语

通过本文的研究工作，得出以下主要结论：

1)当闸站底板厚度在一定值范围内增加时，各特征点在X、Y、Z方向上的位移值大小趋于均匀，且绝大部分特征点位移值有减小的趋势；各特征点主应力值大小趋于均匀，第一主应力最大拉应力值、第三主应力压应力值均有减小的趋势；底板正弯矩值减小，负弯矩值增大，最大负弯矩值发生在上下游边缘附近的边跨中点。

2)增加底板厚度有利于改善闸站底板结构的变形和应力分布情况，可在一定程度上避免底板出现应力集中破坏。但底板厚度的增加导致自重变大，对地基承载力提出了更高的要求，同时也加大了钢筋、混凝土等材料损耗，不再符合经济合理性原则。

参考文献：

[1]华东水利学院编．水闸设计[M]．上海：上海科学技术出版社，1985：12-47．

[2]殷宗泽．土工原理[M]．北京：中国水利水电出版社，2007：21-60．

Three-dimensional Finite Element Analysis of Effects on Lock Station Structure due to Changes of Chamber Floor Thickness

LI Lei1and ZHENG Jian2

(1.Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation,Design and Research Institute，Harbin 150080，China;2.Heilongjiang Provincial Water Conservancy Scientific Research Institute，Harbin 150080，China)

Abstract：Taking the chamber floor of a water diversion key project as the major studied object in the paper，ANSYS software is adopted to build the three-dimensional finite element analysis model.By changing the parameters of chamber floor thickness，the effects on floor structure shifting，stress layout and internal forces due to the changes are analyzed to provide value and rationale for designing and optimizing the structure of lock station.

Key words：chamber floor；three-dimensional finite element；bending moment；shifting；stressing force；analysis

[作者简介]李蕾(1986-)，女，黑龙江哈尔滨人，助理工程师；郑健(1988- )，男，江西万年人，助理工程师。

[收稿日期]2015-06-28

中图分类号：TV66；TV311

文献标识码：A

文章编号：1007-7596(2015)10-0019-04