“井”字形梁格式底板水闸三维有限元分析

魏　娟，唐新军，俞　伟

(新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)



“井”字形梁格式底板水闸三维有限元分析

魏娟，唐新军，俞伟

(新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)

结合建设在粉砂地基上的“井”字形梁格式底板水闸的结构设计特点，采用ABAQUS有限元法对其闸室的结构内力及其分布规律进行分析。分析结果表明：完建、挡水和过水三种计算工况下，“井”字梁格式底板在横梁与纵梁Ⅱ交叉部位的弯矩值和剪力值最大；桥柱3(4)底部内表面所受的拉应力最大；在不同弹性模量粉砂地基上“井”字形梁格式底板水闸的适应性较好。

水闸；“井”字形梁格式底板；有限元法；内力；地基弹性模量

建在新疆南疆地区粉砂地基上的宝浪苏木分水闸是一种特殊结构水闸[1]，该闸的外形见图1、图2，其每个闸室单元的结构情况见图3、图4。它的闸墩布置在闸室上游两侧，与闸底板之间设缝，使闸墩与闸室底板分离，闸墩的上部设置闸门槽、油压启闭机。在垂直水流方向上设置了3道底纵梁，顺水流方向设置了2道底横梁，纵、横底梁等用于启闭闸门，下部设置灌注桩插入粉砂地基[2]，上部荷载通过闸墩分离板传递给底部的灌注桩，闸墩不仅起到了承受上部荷载的作用，而且也起到了分隔闸孔的作用；它的闸室底板采用“井”字形梁格式结构，每个闸室单元的底板成了一个“井”字形梁格框架结构。

图1　宝浪苏木分水枢纽右岸下游侧示意图

图2　宝浪苏木分水枢纽左岸上游侧示意图

图3　“井”字形梁格式底板水闸结构示意图

图4“井”字形梁格式底板三维图

闸门承受的上游水平水压力通过闸门下游设置的滚轮传递给上游鱼嘴形2根桥柱上(桥柱1、桥柱2)，桥柱承受交通桥结构的重力、闸门挡水时的水平推力及外部活荷载直接通过四根桥柱传递到底板的梁格交点处，最后通过底部“井”字形梁格框架体系将荷载传递给地基。

这种特殊结构水闸设计巧妙，造型美观，启闭形式灵巧[1]，相对传统的平板式底板水闸节省了闸室钢筋混凝土的用量，但由于这种“井”字形梁格式底板水闸的闸室结构较为复杂，目前尚未形成一整套完整的内力计算方法，在一定程度上影响了这种特殊结构形式水闸在新疆粉砂类地基上的应用与推广。本文结合这种水闸的结构设计特点，采用有限元法[3-5]对其闸室的结构内力及其分布规律进行分析，以期为此类特殊结构水闸的设计及应用提供参考。

1　“井”字形梁格式底板水闸三维模型的建立

“井”字形梁格式底板水闸闸室单元的的底梁、底板、闸墩、桥柱均为C25混凝土。为了提高粉细砂地基的承载力，对闸墩分离板下位置处的粉砂地基采用C20混凝土灌注桩进行了处理，闸室与粉砂地基之间采用摩擦接触，摩擦系数取0.6，灌注桩与粉砂地基之间设置了薄层单元接触[6-8]。“井”字形梁格式底板水闸闸室单元的三维模型各部分的计算参数见表1。

表1　“井”字形梁格式底板水闸闸室单元三维模型计算参数

取一个闸室单元作为分析计算对象，“井”字形梁格式底板水闸闸室单元的地基宽度(垂直水流方向)取闸室宽度的2倍，地基深度(垂直向)取闸闸室高度的3倍，地基长度(顺水流方向)向上、下游方向各延伸闸室高度的3倍[9]。边界条件采用位移约束，坐标系选取顺河向为x方向，垂直水流向为y方向，竖向为z方向[10]。闸室结构和粉砂地基的网格划分主要采用六面体单元[11-12]，局部采用四面体和楔形体单元[13-14]，整个模型的总节点数为90 407个，单元数为83 380个，该水闸闸室单元的三维计算模型见图5。

“井”字形梁格式底板水闸的闸底板高程为1 058.20 m，设计水位1 061.00 m，闸前水深为2.8 m；校核洪水位1 061.30 m，闸前水深为3.1 m。在完建工况(无水情况)下只考虑闸室结构的自重荷载，未考虑交通桥上活荷载；挡水工况(设计水位)下闸门挡水，不仅考虑上部闸室的自重荷载，还要考虑上游水压力形成的水平荷载；过水工况(校核水位)下考虑了闸室自重荷载和底板上水重。

图5“井”字形梁格式底板水闸闸室单元的三维计算模型

2　“井”字形梁格式底板水闸的有限元分析

采用有限元法计算“井”字形梁格式底板水闸在完建工况、挡水工况、过水工况下闸室结构的应力、“井”字形梁格系统中各梁的内力、桥柱的内力以及分析地基弹性模量对井”字形梁格式底板应力的影响。

2.1“井”字形梁格式底板及桥柱的应力分析

“井”字形梁格式底板在挡水工况下的大主应力和小主应力分布分别见图6和图7。由图6、图7可以看出，横梁底部和纵梁Ⅱ底部相交的边角部位的拉应力最大为1.47 MPa，横梁底部和纵梁Ⅲ底部相交的边角部位最大拉应力为1.26 MPa；纵梁Ⅲ顶部表面(桥柱3、桥柱4底部的位置)的压应力最大为-1.92 MPa。

图6“井”字形梁格式底板大主应力等值线云图(单位：MPa)

桥柱在挡水工况下的大主应力和小主应力分布分别见图8和图9。由图8、图9可以看出，桥柱3(4)底部内表面的拉应力最大为1.38 MPa；桥柱3(4)顶部内表面的压应力最大为-3.28 MPa；桥柱1(2)底部内表面和顶部外表面的最大拉应力为0.5 MPa。

图7　“井”字形梁格式底板小主应力等值线云图(单位：MPa)

图8　桥柱大主应力等值线云图(单位：MPa)

图9桥柱小主应力等值线云图(单位：MPa)

将“井”字形梁格式底板和桥柱在其它工况下的应力计算结果列于表2中。由表2可知，“井”字形梁格式底板的拉应力和压应力均在过水工况下最大，这是由于过水工况下，“井”字形梁格式底板受到竖向的水荷载压力最大；桥柱的拉应力和压应力均在挡水工况下最大，这是由于挡水时桥柱受到向下游的水平推力作用。总体来看，“井”字形梁格式底板和桥柱的拉应力不大，能够满足混凝土的允许应力[15]要求。

表2　各工况下“井”字形梁格式底板水闸

2.2“井”字形梁格式底板的内力分析

对“井”字形梁格式底板各梁的弯矩值和剪力值进行计算[16]，“井”字形梁水平放置于地基上，在三种工况下，横梁、纵梁Ⅰ、纵梁Ⅱ和纵梁Ⅲ在垂直于水平方向的弯矩M和剪力Q的分布情况见图10、图11(注：“井”字形梁的各截面弯矩值底部受拉为正，顶部受拉为负；截面剪力值顺时针为正,逆时针为负)。由图10、图11可以看出，在三种计算工况下，横梁和纵梁Ⅱ、纵梁Ⅲ的弯矩值和剪力值均在梁的交叉部位最大；纵梁Ⅰ在梁的跨中截面弯矩值最大，在与横梁交叉处的剪力值最大。三种工况相比较，过水工况各梁所受的内力值最大，纵梁Ⅲ的最大弯矩值为322.3 kN·m，最大剪力值为206.4 kN，纵梁Ⅱ的最大弯矩值为256.4 kN·m，纵梁Ⅰ的最大弯矩值为145.8 kN·m，横梁的最大弯矩值为163.1 kN·m，在对“井”字形梁进行结构设计时，应注意对横梁和纵梁的交叉部位加强配筋。

2.3桥柱的内力分析

“井”字形梁格式底板水闸的桥柱在三种工况下的弯矩M计算结果见图12、剪力Q计算结果见图13。在三种计算工况下，桥柱1(2)在R下截面外表面和H上、G下截面内表面受拉，桥柱3(4)在D上截面内表面和T下截面外表面受拉，交通桥横梁在R右、T左截面上表面和O截面下表面受拉，弯矩数值较为相近。桥柱1(2)底部的A上截面在完建工况和过水工况下内表面受拉，在挡水工况下A上截面的外表面受拉，剪力值在桥柱H截面处变化也较大。挡水工况下桥柱3(4)底部D上截面最大弯矩值为173 kN·m，在交通桥横梁的R右、T左截面和桥柱的A上、D上、H下、R下、T下截面上最大剪力值为102 kN。在对桥柱进行结构设计时，应注意对交通桥横梁的T左截面、桥柱3(4)顶部的T下截面外表面及桥柱3(4)底部的D上截面内表面等加强配筋。

图10　各工况下“井”字梁截面竖向弯矩图(M/(kN·m))

图11各工况下“井”字梁截面竖向剪力图(Q/kN)

2.4地基弹性模量对“井”字形梁格式底板应力的影响

实际工程中，粉砂地基不同的弹性模量对“井”字形梁格式底板及桥柱应力分布会有一定的影响，以完建工况下的“井”字形梁格式底板水闸为分析对象，当地基弹性模量分别取10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa时，横梁与纵梁Ⅱ交叉点倒角(A点)的拉应力，纵梁Ⅲ上表面(桥柱3底部)一点(B点)的压应力的关系曲线见图14。

图13　各工况下桥柱的剪力图(Q/kN)

图14地基弹模与“井”字形梁格式底板应力关系曲线

由图14可以看出，随着粉砂地基弹性模量取值的增加，“井”字形梁格式底板的横梁与纵梁交叉点边角(A点)的拉应力逐渐减小，但是变化梯度较小，B点的压应力随弹性模量的增大而增大，但变化幅度较小，可说明在不同弹性模量粉砂地基上“井”字形梁格式底板水闸结构的适应性较好。

3　结　论

(1) 水闸底板采用“井”字形梁格式底板，闸墩与底板间分缝，底板不承受闸墩的重力荷载。闸门启闭方式采用油压启闭机。交通桥桥柱设置在纵、横梁的交点处，底板通过“井”字梁系把上部荷载更均匀地传递给地基，这种特殊的水闸具有设计巧妙、造型美观，钢筋混凝土用量少等优点。

(2) 在三种计算工况下，井”字形梁的横梁和纵梁Ⅱ、纵梁Ⅲ截面竖向的弯矩值和剪力值均在梁的交叉部位最大；纵梁Ⅰ在梁的跨中截面竖向的弯矩值最大，在与横梁交叉处竖向的剪力值最大。三种工况相比较，过水工况各梁所受的内力值最大，在对“井”字形梁进行结构设计时，应注意对横梁和纵梁的交叉部位加强配筋。

(3) 在三种计算工况下，桥柱1(2)在R下截面外表面和H上、G下截面内表面受拉，桥柱3(4)在D上截面内表面和T下截面外表面受拉，交通桥横梁在R右、T左截面上表面和O截面下表面受拉，弯矩数值较为相近。桥柱1(2)底部的A上截面在完建工况和过水工况下内表面受拉，在挡水工况下A上截面的外表面受拉，在对桥柱进行结构设计时，应注意对交通桥横梁的T左截面、桥柱3(4)顶部的T下截面及桥柱3(4)底部的D上截面等加强配筋。

(4) 通过有限元法对该闸室下不同地基弹性模量的模拟计算，结果表明，当地基弹性模量在一定范围内变化时，该闸室结构的内力变化并不明显。说明在不同弹性模量的粉砂地基上“井”字形梁格式底板水闸结构的适应性较好。

[1]刘鸿崴.“井”字梁底板在开都河第二分水枢纽闸室设计中的应用[J].中国水运月刊,2013,13(4):158-159.

[2]王荣，任刃，朱金卫.大直径素混凝土灌注桩复合地基在高层建筑地基加固中的应用[J].四川水力发电，2015,34(4):98-100.

[3]马永法,陈平龙,曹邱林.桩基础水闸闸室结构分析研究[J].水利与建筑工程学报,2011,9(4):42-45.

[4]苏燕，邓安妍，谯雯，等.泄洪闸有底坎折线型闸底板三维有限元研究[J].水利科技,2010(3):22-24.

[5]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京：中国水利水电出版社，1998.

[6]费康，张健伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[7]殷宗泽.土工原理[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

[8]卢廷浩，王益群，刘志刚.周边缝结构模型试验及缝单元本构关系[C]//混凝土面板堆石坝国际研讨会论文集.北京：水利出版社，2000.

[9]新疆巴州水利勘察设计研究院.宝浪苏木分水闸加固工程初步报告[R].巴音郭楞：新疆巴州水利勘察设计研究院，2010．

[10]张鹏飞.水闸底板结构静力综合分析[D].郑州：华北水利水电大学，2013.

[11]贾冬.厚覆盖层上的水闸三维有限元静力分析和动力响应分析[D].南京：河海大学，2005．

[12]梁景奇.基于ABAQUS的水闸闸室三维有限元分析[D].石河子：石河子大学,2014.

[13]卢羽平.水闸参数化三维有限元分析软件的研究[D].南京：河海大学，2005.

[14]胡兆球.水闸结构设计现代计算方法及其应用研究[D].南京：河海大学，2003.

[15]曹金凤，石亦平.ABAQUS有限元分析常见问题解答[M].北京：机械工程出版，2009.

[16]中华人民共和国水利部.水工混凝土结构设计规范：SL191-2008[S].北京：中国水利水电出版社，2008.

[17]俞伟,苏枋,唐新军.碎石桩加固软土地基处理的有限元分析[J].水利与建筑工程学报,2013,11(5):114-117，168.

Three Dimensional Finite Element Analysis of the Jing Form Bottom Board Sluice

WEI Juan, TANG Xinjun, YU Wei

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

Combined with the structure design features constructed on jing shaped beam grid bottom board sluice of silty sand foundation, we use the finite element method to analyze the chamber’s structure internal force and its distribution rules. Analysis results showed that under three kinds of calculation conditions, the bending moment value and shear value of jing shaped sluice gate in the cross site of cross beam and the longitudinal beam II, and the bottom surface of the bridge column 3 (4) bears the maximum tensile stress. The jing shaped sluice bottom board on silty sand foundations with different elastic modulus of the foundation has good adaptability.

water gate; jing shaped beam grid bottom board sluice; finite element method; internal force; elastic modulus of the foundation.

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.029

2016-05-01

2016-06-05

魏娟(1988—)，女，江苏邳州人，硕士研究生，研究方向为水工结构设计理论。 E-mail: 1637383495@qq.com

唐新军(1959—)，男，陕西蒲城人，教授，博士生导师，主要从事水工结构工程理论教学与科研工作。 E-mail: tangxj59@163.com

TV662

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1672—1144(2016)04—0147—05