安徽横江梅林坝中墩整体结构有限元数值仿真分析

张红叶

(盐城市建设工程质量检测中心有限公司， 江苏 盐城 224000)

1 工程概况

梅林坝址位于梅林大桥下游约2.2 km的横江河谷，现状河谷宽约300 m，微地貌为横江河床及河漫滩地貌，地势较为平坦，沟谷呈宽“U”字型。场地范围内地形起伏小，地貌单一。坝址岩土层自上而下主要分布为：杂填土(Q4ml)、粉砂(Q4apl)、卵石(Q4apl)、强风化泥质粉砂岩(K1h)、强风化砾岩(K1h)、弱风化泥质粉砂岩(K1h)及弱风化砾岩(K1h)。

梅林坝垂直河流方向一字形布置，泄流总净宽为180 m，共4孔，单孔净宽45 m。采用底轴驱动翻板闸门蓄水，液压启闭机操作。底槛高程为124.5 m，蓄水高程为128 m。坝体底部设置2.5 m×2.8 m廊道，集管路、排水、通行、消防、通风为一体，通过布置内部楼梯沟通控制区、设备区、管理区，连通两岸。墩体内部均布置启闭设备，管理、维修均在墩内操作。

2 计算理论及方法

2.1 计算理论

由于中墩上的帆承受较大的风荷载，帆和中墩结构两者之间采用Tie理论来构建两者之间的受力关系，在刚度数据传递上相当于两个面刚性连接，中墩顶板作为Master面，帆底部柱子底面作为Slave面，同时两者绑定区域不发生相对运动和变形，具有相同的物理量。在FEM模型建立时，中墩结构与帆无需网格协调，大大降低了网格剖分的难度。

2.2 计算方法

计算软件采用具有世界先进水平的通用有限元分析软件ABAQUS6.10。该分析软件有强大的前、后处理和计算分析功能，并且能有效地保证计算成果精度，仿真计算采用Abaqus/Standard分析模块[1]。

假定岩石地基沉降完全，地基存在初始地应力，在本次仿真计算中，对岩石地基施加初始地应力[2]，真实模拟地基与中墩结构的应力分布及整体的变形规律。

地应力平衡仿真模拟步骤：①给岩石地基施加重力，使得地基产生地应力及初始沉降，导出初始地应力场、位移场；②将岩石地基的位移场以相反方向施加到岩石地基，岩石地基的沉降就会抵消，形成岩石地基的初始地应力场，更好的模拟中墩结构的应力、位移真实情况。

3 计算模型及参数

3.1 有限元计算模型

由于中墩三维结构模型非常复杂，有限元建模将岩石地基，混凝土中墩结构及帆分为Part1～Part3，然后将三者组装配成最终的整体模型，详见图1；分别对三者进行有限元的网格剖分，中墩结构中孔、洞、弧形较多，岩石地基须协调中墩结构的底板，帆的框架结构、悬挑梁之间必须相互协调，所以本文网格剖分均采用Free Mesh的方式，均为四面体单元，即为3D-Sress的四节点单位，实体单元总数为85 699，节点数为129 856；混凝土中墩结构为仿真分析的重点、其网格剖分较为细致，岩石地基网格由小变大向四周扩散。

图1 中墩结构+帆的模型图

本文中有限元仿真计算模型主要包括：中墩的底板、墩墙、墩墙顶板、梁、帆等主要混凝土结构，模型中精细的模拟了中墩结构中的廊道、楼梯井、吊物孔、C15素混凝土心墙、中墩结构隔墙、整体结构下侧，四周模拟15 m的岩石地基，三维有限元网格模型见图2。

图2 中墩结构+帆有限元网格模型图(地基土单元未显示)

3.2 边界约束条件

为了便于建模和成果整理，仿真计算中分别采用整体直角坐标系，坐标原点位于上右侧左岸中墩结构底板与岩石地基接触处的角点上，顺河向为X向，横河向为Y向，竖向为Z向。

中墩底板结构与岩石接触的部分假定接触较好，没有相对滑移且不因受力而脱开，地基单元与中墩混凝土单元共节点；岩石地基四周采用法向约束，即Ux=0或Uy=0；地基底面(高程▽104.5 m)采用三向固定约束，即Ux=Uy=Uz=0，其余地基单元的边界面均为自由边界；混凝土中墩结构面为自由边界；帆与中墩顶板结构采用Tie约束条件来传递力和弯矩。

3.3 计算参数

3.3.1 计算水位

黄山市新安江上游段(镇海桥～梅林桥)综合治理工程中的梅林坝中墩的计算特征水位详细见下表1：

表1 中墩结构上、下游的特征水位

3.3.2 材料计算参数

本文有限元计算模型中，假定混凝土、钢筋，岩石基础材料为均匀、连续、各向同性的线弹体，其中墩底板、墩墙、墩墙的顶板、梁的混凝土标号均为C30。其物理力学参数见表2。

表2 混凝土及岩石地基有限元计算力学性能特性参数

3.4 计算工况

根据混凝土中墩结构的设计工况及受力状态，选用以下4种工况来进行有限元计算仿真分析，分别为：

工况1：完建期；

工况2：正常蓄水位组合(上游水位128 m，下游水位125 m)+帆承受的风荷载；

工况3：正常蓄水位组合(上游水位128 m，下游无水)+帆承受的风荷载；

工况4：设计洪水位(132.32 m)，水淹没整个中墩结构；

3.5 计算荷载

根据《水工建筑物荷载设计规范》SL744—2016，施加于模型进行仿真计算的荷载如表3所示。

4 有限元仿真计算成果分析

根据4种不同的工况，静力计算得到中墩结构的位移、应力[3]呈现以下一些规律：(1)结构的整体结构位移较小，在帆与中墩顶板接触处的变形较大，底板、墩墙变形均较小；(2)荷载的对称，结构大致对称，横河向位移场几乎呈现对称的规律；(3)由于中墩上部帆的风荷载，使得顶板上表面与帆接触处的拉、压应力增大；(4)中墩结构的拉、压应力均在混凝土抗拉、抗压强度范围内，在以下几个位置上拉应力较大：中墩顶板中心处的梁下侧拉应力较大，闸门支座处，中墩底板与岩石地基接触处中间并靠近左右岸处、安装油缸板的下侧、廊道[4]附近、通风孔处、中墩中隔墙门洞的上部。计算成果见表4～表6。

综合表4～6汇总的计算数据分析得出，在位移方面：中墩结构整体变形较小，中墩顶板的相对竖向位移较大，墩墙的侧向、竖向位移、底板竖向位移，不均匀沉降均较小；在应力方面：中墩的底板中部与岩石接触处、闸门支座处、设备安装下侧板、廊道附近、中墩顶板梁的下侧，中墩顶板、通风孔附近、中墩中隔墙门顶处的应力均在混凝土抗拉、抗压强度范围内，只需稍微加强配筋、排气孔的间距稍微加大即可。

5 结 语

本文利用有限元通用软件Abaqus，精细的建立了岩石地基+中墩结构+帆的FEM整体计算模型，同时采用Tie理论仿真了帆与中墩结构之间的接触关系，计算得到整个模型的应力及位移结果，分析整个模型的受力状态及变形规律；指出出了结构应力较大的部位需加强配筋的建议，仿真分析的结果能够为此类复杂结构的设计及配筋方案提供科学的技术支撑和经验参考。

表3 有限元计算模型荷载汇总

表4 中墩结构位移最大值(绝对值)汇总

表5 中墩结构压应力最大值汇总

表6 中墩结构拉应力最大值汇总