利用ansys进行水闸闸室结构应力分析

刘成 曾钢锋 朱婷

【摘要】利用ansys有限元分析软件对山头泾新闸进行三维有限元模型建立，可整体分析受力较为复杂的闸墩和底板的应力大小及分布情况。该方法不仅为配筋计算提供了可靠的依据，同时可优化结构配筋设计，节省大量结构计算时间和精力投入，对于发展生产力、提高生产效率具有积极的作用。

【关键词】水闸；ansys；应力分析；配筋

在进行水闸结构内力计算时，通用的方法是将闸墩和底板分成两个单独部分分别计算，这种方法虽然简单，但是很难全面反映水闸整体内力效应。根据《水闸设计规范》（SL265-2001），第7.5.1条规定：水闸结构应力分析应根据各分部结构布置型式、尺寸及受力条件等进行；第7.5.8条规定：受力条件复杂的大型水闸闸室结构宜视为整体结构采用空间有限单元法进行应力分析，必要时应经结构试验验证。山头泾新闸工程等别为Ⅲ等，主要建筑为3级，水闸孔径1孔×20m，且水闸上部设有人行廊桥（拱桥），外部荷载情况较为复杂。因此有必要采用ansys有限元分析软件建立此水闸三维有限元计算模型，以便整体分析闸墩和底板受力情况，为水闸结构配筋提供准确的内力计算值。

1、 工程概况

山头泾新闸工程位于黄岩区江口街道山头金村南侧安然山山腳处，是西江水系与金清水系的分界闸，东官河拓宽后，于原闸址南侧28m山嘴处新建山头泾新闸。工程由水闸主体部分及上下游引河两部分组成，其中水闸主要建筑物包括：上游连接段、闸室段及下游连接段，总长58m；上下游引河为矩形断面型式，总长221m。工程任务以防洪排涝、水环境改善为主，兼顾灌溉等综合利用。根据《防洪标准》（GB50201-94）、《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）等规范的有关规定，确定本工程等别为Ⅲ等，主要建筑为3级。

山头泾新闸采用平底板开敞式整体结构，顺水流方向全长18.0m，净宽20.0m（1孔×20m），底板顶高程-2.15m；闸底板采用C30钢筋砼厚1.5m，边墩厚1.5m。闸室设可倾倒钢闸门一道，采用QHQ-2×500KN卷扬式启闭机启闭。为连接两岸交通，闸上设人行廊桥，桥面宽5.5m，桥长25m，桥梁为单跨C40钢筋砼拱桥结构。山头泾新闸上游立视图如图1所示。

2、 基本设计参数

2.1 设计水位

金清水系正常水位1.60～1.80m（水闸下游侧），西江水系正常水位2.40～2.60m（水闸上游侧），20年一遇设计洪水位3.34m，50年一遇设计洪水位3.56m。

2.2 工程地质参数

工程区地层以第四系冲海积沉积、坡残积和冲洪积堆积物为主，地震基本烈度小于Ⅵ度。根据地质探勘揭露，水闸闸室段基础全部坐落于基岩上。各地层分布及参数详见表1。

2.3 外部荷载

人群荷载：4.2kN/m2；

廊结构荷载：每根立柱30kN。

3、 三维有限元结构计算

3.1 模型的建立

利用ansys有限元分析软件对山头泾新闸闸室段进行三维有限元模型建立。模型坐标原点取水闸左侧底板下游末端外侧与基岩相交处，将沿水闸纵向轴线指向上游方向定为Y 轴，沿水闸横向轴线指向右岸方向定为X 轴，垂直水闸底板向下定为Z 轴。具体模型见图2。

3.2 计算结果

选取水闸最不利工况进行有限元分析计算，将闸室所受外部荷载通过ansys有限元分析软件加载至结构对应的部位上，分析得出水闸闸墩和底板的应力大小及分布情况。水闸具体应力分布见图3～图5。

从以上应力分布图可以看出，水闸闸墩最大拉应力为0.31MPa，最大压应力为0.44MPa；水闸底板最大拉应力为0.20MPa，最大压应力为0.23MPa；人行廊桥（拱桥）最大拉应力为0.22MPa，最大压应力为0.89MPa。由三维有限元模型计算所得内力值结果，按照《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）中钢筋混凝土结构的配筋计算原则，即可进行水闸闸室结构配筋设计。

4、结论

为全面、真实的反映水闸受力情况，本文一改以往采用的通用计算方法，而是将水闸闸室的闸墩、底板和地基作为整体结构进行应力分析，并采用ansys软件建立闸室段整体三维有限元模型，选取水闸最不利工况，分析计算出闸室各结构部位的应力大小及分布情况，进而选取出最大应力值进行配筋计算。该方法不仅为水闸闸室结构提供了可靠的配筋依据，亦能让设计人员针对不同结构部位的受力情况进行水闸配筋优化设计，同时与通用计算方法相比节省了大量的计算时间和精力投入，对于发展生产力、提高生产效率具有积极的作用。

参考文献：

[1]SL265-2001.水闸设计规范[S].

[2]张朝晖.ANSYS结构分析与实例解析[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]彭志荣，金晶.基于ANSYS 的水闸闸室结构分析.水利科技与经济，2016（6）：23-25.