基于ANSYS的船闸混凝土非线性仿真分析

王丽英，张庆亮

（1.重庆建筑工程职业学院，重庆400070;2.浙江科欣工程设计咨询有限公司，杭州310000）

基于ANSYS的船闸混凝土非线性仿真分析

王丽英1，张庆亮2

（1.重庆建筑工程职业学院，重庆400070;2.浙江科欣工程设计咨询有限公司，杭州310000）

以长洲水利枢纽1#船闸上闸首为例，采用有限元软件，对施工期闸首混凝土浇筑模拟计算，考虑水化热、外界气温、浇筑层厚度之间的相互影响，对闸首混凝土温度变化进行分析。并以温度场的计算成果为前提，采用顺序耦合法对闸首结构混凝土的浇筑进行热-结构耦合计算，分析施工期混凝土结构的应力变化情况。通过对计算成果合理性的验证表明，利用有限元法可较好地对船闸结构进行整体稳定、应力、应变等全方位计算，且具有精度高、形象直观等特点，更好的模拟施工条件对船闸裂缝的影响。

船闸裂缝；热力耦合；非线性有限元

裂缝作为船闸混凝土最常见的病害之一，严重影响船闸结构的运行［1］。早在20世纪30年代，很多学者就开始对混凝土裂缝问题展开研究，做了大量细致的研究，国内学者以朱伯芳院士为代表，以后来居上的态势，使我国在混凝土温控防裂领域处于国际领先行列［2］。当前对大坝混凝土裂缝的研究比较深入和具体。但由于船闸结构和受力情况较为复杂，多数研究仅限于对结构较为简单的闸室结构施工期温度场和温度应力的分析［3］，相比较而言，闸首结构和受力情况比闸室更为复杂［4］，因此针对整体性更强的闸首结构进行施工期温度场及温度应力的分析，找出裂缝产生的机理以及较易发生混凝土开裂的区域，并提出可行的避免裂缝产生的方法是十分有必要的［5］。

有限单元法则是当前计算混凝土结构温度场和应力场较为成熟的方法，通常采用“增量初变法”来反应随时间发展而变化的温度应力［6-7］。目前很多有限元软件如ANSYS、ABAQUS、ADINA等都具有将多物理场进行耦合计算的功能［8］。

本文应用ANSYS有限元软件建立船闸闸首三维实体模型，对闸首结构温度场施工期、完建工况及运行工况进行模拟分析，并将结构完建工况受力结果与热-结构耦合的计算结果进行对比。综合考虑船闸的结构特点和受力特征，得到船闸真实工作情况下的应力及变形数据，为船闸设计提供参考。

1 工程实例

1.1 工程概况

本文以长洲水利枢纽一号船闸上闸首为例，该工程位于西江下游河段广西境内的最后一个规划梯级，坝址位于广西梧州市上游12 km的浔江干流上，按双线单级船闸设计，双线船闸共用引航道，最大通过1+4× 1 000 t顶推船队，1#船闸有效尺度200m×34m×4.5m（长×宽×门槛水深）。1#船闸按通过最大船舶2 000 t级设计，枢纽正常当水位为20.6m，上游最高通航水位23.9m，下游最低通航水位18.6m，上闸首布置于航上0+005～航下0+048之间，基底高程最低为-9m。闸首结构建立在弱风化岩石地基上，两侧为重力接头坝及两孔冲沙闸。

上闸首基底开挖高程为0～-3.0m，最低为-9m。大部分已达弱风化岩体，局部为强风化岩体，闸基地质条件较好；基坑开挖深度较大，边坡高度达21.0～34.0m，为岩土质混合边坡，左侧边坡稳定性较好；右侧基坑边坡上覆有软弱淤泥质粉质粘土层，自稳能力较差，施工中应采取临时支护措施；坝址所在地区地震基本烈度为VI度，场地地震动峰值加速度为0.05 g。对建筑物按VI度采取必要的抗震措施。

1.2 船闸闸首结构有限元模型

应用ANSYS有限元软件建立长洲水利枢纽船闸1#船闸上闸首三维有限元模型，闸首宽77m，基础水平工作范围L取3B为231m，基础深度H取1.29B为100m。考虑到闸首结构边墩及底板均是大体积混凝土结构，本文针对混凝土的浇筑过程及结构分析，选取全部上闸首建立有限元模型［9］。在进行有限元整体分析时，底板及边墩作为一个整体考虑［10］。为模拟施工混凝土浇筑，根据船闸施工进度，将闸首划分为19层，每一层代表一个混凝土浇筑周期［11］。模型整体坐标系采用笛卡尔直角坐标系，Z轴与水流方向一致，指向上游；Y轴为铅垂方向，向上为正；X轴以右手法则确定；坐标原点为基础最低点船闸中心线靠近闸室一侧。实体模型如图2所示。

1.3 网格划分

根据有限元单元网格划分的原则结合分析计算类型及整个分析过程的特点，热单元采用SOLID70、SOLID90、SOLID87，结构单元采用SOLID45、SOLID95、SOLID92，输水廊道附近模型形状不规则，无法采用SOLID70单元划分网格，因此采用其高阶单元SOLID90，用自由式网格划分方法划分四面体网格［8］。考虑到节点过多会增加计算负担，在此引入SOLID87单元，此单元为10个节点，划分网格时，为平衡计算精度、计算时间及计算所需的代价，闸首结构绝大部分采用扫略方式划分网格，网格单元为高1.5m，长、宽均为1m的六面体。局部不规则部分采用自由画网，为边长1m的四面体网格。基础部分都为六面体网格，网格最大边长5m，最小边长1m。本模型中共有358 090个单元，413 999个节点。闸首结构计算网格模型如图3所示。

图1 船闸闸首横断面布置图Fig.1 Cross⁃sectional layout of lock head

图2 船闸闸首模型图Fig.2 Ship lock chambermodel

2 计算求解

在模型基础底部施加X、Y、Z方向约束，基础左右两侧面施加X方向约束，而基础前后两侧面施加Y方向约束，之后进行计算分析。

2.1 加载

根据《船闸水工建筑物设计规范》JTJ307-2001，ANSYS有限元结构计算荷载包括以下内容：（1）闸首自重由程序根据材料容重自动加载计算。（2）作用于闸首边墩表面的静水压力，需根据不同水位经过计算后加载到边墩上，水重度9.8 kN/m3。（3）作用于闸首底板上的水重力，需要将其还算成水压力加载于底板的上表面。（4）扬压力为渗透压力与浮托力之和，同样可根据规范规定，将扬压力作为平面上的水压力加载到底板下表面。（5）作用在闸门上的水压力以闸门推力的形式通过闸门作用在边墩上，并最终通过边墩作用在整个闸首结构上。

2.2 基础承载力分析

船闸基础为弱风化花岗岩，地基承载力和基础弹性模量较大，自重造成的沉降较小。因此在有限元模型的分析时，将不对基础变形做过多分析。模型分析方法为：基础上部船闸模型单元杀死→模拟基础在自身重力作用下的沉降作用→激活闸首模型单元→计算及工况分析。

图3 船闸闸首模型网格图Fig.3 Ship lock chambermodelmesh

图4 特征点位置图Fig.4 Location of feature points

结合实体模型受力特点，特选取以下7个点，作为位移的特征点进行分析。本文所选用的船闸闸首为对称结构，且两边墩外侧均无回填土，所以仅选取左侧边墩上的。特征点所在具体位置如图4所示。

3 计算成果分析

选取施工工况和运行工况对闸首结构进行应力、应变分析。

3.1 施工工况

施工结束后，边墩及闸门两侧没有水压力，1#船闸闸首两侧分别为重力坝和泄水闸坝，将闸首简化为两边墩外侧为悬空状态，忽略两边墩外侧与两边坝体彼此间的影响。因此在施工工况下，闸首只有自重。施工工况下，无顺水流的纵向荷载及垂直水流方向的横向荷载，闸首在X、Z方向的位移很小，选取Y方向云图进行分析。应力应变图如图5～图8所示。运行工况下应力应变图如图9～图12所示。

3.2 运行工况

闸首结构在正常高水位运行时，闸墩支持段内侧受上游高水位作用，其他边墩内侧受下游相应水位作用，边墩外侧悬空状态无水压力，底板上部一部分承受上游水压力，一部分承受下游水压力，底板下部为上下游水位差产生的扬压力。闸门因水压力产生的推力则直接作用在边墩支持墙上。水压力载荷按照水位的高低及受力部分的高程进行梯度加载计算。选取如图4所示的7个特征点，根据有限元分析计算结果，每个特征点的位移统计如图15所示。

运行工况下，闸首结构竖向为水压力及扬压力，弱风化花岗岩基础的弹性模量较大，因此竖向受力变化对基础沉降变形影响不大，所以特征点在运行工况与施工工况下的竖向位移相差甚小。X，Y方向位移较完建工况有所增加，但同竖向位移（图15）相比仍然很小。

图5 施工工况Y方向应变等值线云图Fig.5 Y direction strain isolinemap of construction condition

图6 施工工况Y方向等值线图Fig.6 Y direction stress isolinemap of construction condition

图7 施工工况第一主应力等值线图Fig.7 Stress isolinemap of construction condition for σ1

图8 施工工况第三主应力等值线图Fig.8 Stress isolinemap of construction condition for σ3

图9 运行工况Y方向应变等值线图Fig.9 Y direction strain isolinemap of operation condition

图10 运行工况X方向应变等值线图Fig.10 X direction strain isolinemap of operation condition

图11 运行工况第一主应力等值线图Fig.11 Stress isolinemap of operating condition for σ1

图12 运行工况第三主应力等值线图Fig.12 Stress isolinemap of operating condition for σ3

3.3 有限元法与解析法计算结果对比分析

3.3.1 应力计算结果对比

假设边墩支持段为独立结构。应用解析法对闸首边墩进行了计算，并得出边墩支持段前趾的应力值。选取左边墩支持段底部18个点（图4），经验算X和Y方向节点应力均能满足稳定性要求，为了更好的对比两种计算方法，现将计算结果进行对比如图14、图15。

图13 特征点位置图Fig.13 Feature points location

图14 X方向应力计算结果对比Fig.14 Stress calculation result contrast of X direction

图15 Y方向应力计算结果对比Fig.15 Stress calculation result contrast of Y direction

如表1所示，两种方法计算运行工况下左边墩底部18个点的竖向压应力结果，有限元方法除边缘角点出现局部较大的集中应力外，其余各点的计算结果较解析法小。相比解析法，有限元法计算结果与符合实际结果走势和数值更为接近，应力分布更为合理数据，并显示结构边缘部分出现集中应力现象，2个方向各点应力呈梯次规律，可以较为准确的反应出结构出现应力集中的位置，为设计人员提供依据。

3.3.2 应变计算结果对比

两种工况下结构位移变化，选取闸首结构上特征点进行对比分析。不同工况下特征点的应变数据整理见表1。

不同工况下各特征点位移对比如图14、图15，根据分析可知，各特征点应变数值X、Z方向较小，部分点出现拉应变，可以忽略不计。各特征点Y向沉降是主要位移量，两种工况基本一致。X，Z方向位移施工工况较运行工况有所增加，但同竖向位移相比仍然很小。

应用ANSYS软件，对船闸闸首结构进行三维有限元建模、求解及计算分析表明：

（1）两种情况下，闸首最大沉降为1.12 cm。运行高水工况，两边墩在水压力的作用下，顶部有较小的X、Z方向位移。应力结果，施工工况和运行高水工况，闸首结构输水廊道附近出现了一定的受拉情况，最大拉应力0.7mPa，容易出现裂缝，其余位置均承受压应力作用。

（2）有限元法同解析法计算结果相比较，有限元法计算数据跟实际数据更为接近，并且应力分布规律也更符合结构实际规律，可以较为准确的反应出结构出现应力集中的位置，可为设计人员提供参考。

（3）解析法具有计算简单方便的优点，但有限元方法在计算结构内力，分析结构应力分布情况及分布特点方面结果准确，更具优越性。

表1 不同工况下特征点位移对比表Tab.1 Feature point′s displacement contrast under different conditions

4 结语

基于ANSYS有限元软件，综合考虑结构材料非线性、几何非线性、接触非线性等问题，闸首混凝土浇筑模拟计算，考虑水化热、外界气温、浇筑层厚度之间的相互影响，对闸首混凝土温度变化进行分析。并以温度场的计算成果为前提，采用顺序耦合法对闸首结构混凝土的浇筑进行热-结构耦合计算，分析施工期混凝土结构的应力变化情况；通过对计算成果合理性的验证表明，利用有限元法可较好地对船闸结构进行整体稳定、应力、应变等全方位计算，且具有精度高、形象直观等特点，更好的模拟施工条件对船闸裂缝的影响。两种方法计算结果对比说明了模型和计算的正确性，解析法具有计算简单方便的优点，而有限元方法在计算结构内力、分析结构应力分布情况及分布特点方面更具优越性。

［1］徐斌.船闸混凝土病害处理研究［D］.南京∶河海大学，2005.

［2］杨斌，朱旭.船闸闸首非线性有限元计算分析［J］.水道港口，2010，31（5）∶537-542. YANG B，ZHU X.Calculation on lock head of ship lock by 3⁃D nonlinear finite element［J］.Journal of Waterway and Harbor，2010，5（31）∶537-542.

［3］胡纯忠，刘兴普.化学灌浆技术处理樊口大闸船闸混凝土裂缝［J］.人民长江，2008，39（3）∶12-13.

［4］辛彦青，李振声，刘春俊.船闸混凝土温度裂缝的经验教训［J］.水运工程，2002（8）∶78-85. XIN Y Q，LI Z S，LIU C J.Experience and Lessons about Thermal Cracks in Shiplock Concrete［J］.Port&Waterway Engineering，2002（8）∶78-85.

［5］赵元秀.阜阳船闸闸室边墙裂缝成因分析及处理措施［J］.江淮水利科技，2011（5）∶10-11，28.

［6］张磊.盘式制动器热结构耦合分析及制动性能优化［D］.长春：吉林大学，2012.

［7］许有飞，何江达，梁照江，等.混合式闸墙与基岩间的非线性接触分析［J］.红水河，2004，23（4）∶71-75. XU Y F，HE J D，LIANG Z J，et al.Non⁃linear Analysis on Contact Area Between Lock Chamber and Foundation Rock［J］. Hongshui River，2004，23（4）∶71-75.

［8］王东栋.基于ANSYS的泄洪洞出口闸室三维有限元分析［D］.南京：河海大学，2006.

［9］王一凡，宁兴东，陈尧隆，等.大体积混凝土温度应力有限元分析［J］.水资源与水工程学报，2010，21（1）∶109-113. WANG Y F，NING X D，CHEN Y L，at al.Finite Element Analysis on the Tempreature Stress ofmassive Concrete［J］.Journal of Water Resources and Water Engineering，2010，21（1）∶109-113.

［10］黄达海，殷福新，宋玉普.碾压混凝土坝温度场仿真分析的波函数法［J］.大连理工大学学报，2000（2）∶214-217. HUANG D H，YIN F X，SONG Y P.Method of wave functions of RCC dam temperature field simulation analysis［J］.Journal of Dalian University of Technology，2000（2）∶214-217.

［11］张晓飞.大体积混凝土结构温度场和应力场仿真计算研究［D］.西安∶西安理工大学，2009.

Nonlinear finite element analysis of lock concrete based on ANSYS

WANG Li⁃ying1,ZHANG Qing⁃liang2
（1.Chongqing Vocational College of Architectural Engineering,Chongqing 400070,China；2.Engineering Design Consultation Limited Company of Zhejiang Kexin,Hangzhou 310000,China）

Taking the head bay of the Changzhou hydro⁃junction No.1 lock for instance,the study was carried out to analyze the temperature changes of lock head concrete by using the finite element software.With the consider⁃ation of interaction among hydration heat,air temperature,and layer thickness of structure,analog computation for concreting of lock head was initialized during construction period.Meanwhile,on the premise of results of tempera⁃ture field,the changes of concrete stress during construction period were analyzed by using Sequential Coupled⁃Fieldmethod to initialize the Thermal⁃Structural Coupling Analysis on concreting of lock head construction.The re⁃sult of the reasonableness testmanifests that ANSYS finite elements software can be applied to calculate the overall stability,stress and strain and other elements in the lock head with high accuracy and vividness,and better simulate the influence of construction conditions on the ship lock cracks.

lock cracks;Thermal⁃Structural Coupling;nonlinear finite element analysis

TV 314

A

1005-8443（2015）03-0239-05

2014-07-21；

2014-10-08

王丽英(1984-)，女，河南省人，讲师，主要从事建筑工程技术及道桥专业相关的教育科研工作。

Biography：WANG Li⁃ying(1984-),femal,lecturer.