基于ANSYS的进水闸闸室结构动静力数值模拟分析

2020-08-14杨川江

陕西水利 2020年7期

杨川江

（新疆维吾尔自治区塔里木河流域巴音郭楞管理局开都-孔雀河管理处开都河中（上）游管理站，新疆和静 841305）

1 工程背景

某灌区渠首的水闸工程主要由拦河闸、进水闸、泄洪冲沙闸以及电站构成。某灌区建成于上世纪七十年代，截止目前已经运行了40多年，期间仅在1991年进行过小范围的整修和扩建，其余时间均没有进行过大的维修和加固，因此灌区设施老化情况十分突出，特别是渠首的进水闸存在十分严重的老化锈蚀问题，对灌区功能的有效发挥产生了巨大的不利影响。基于此，拟对该灌区进行工程节水改造，并对进水闸和泄洪冲沙闸进行重建。其中，进水闸的重建工程设计为开敞式5孔平底闸，单孔净宽6.5 m，总长40.5 m，宽24.9 m，高14.5 m，由闸前铺盖、闸室段以及泄洪道段组成，全长158.62 m。鉴于静力和动力作用状态下的水闸结构强度与稳定性分析，对保证水闸的建设和稳定运行具有重要意义[1]。本次研究运用ANSYS三维有限元软件，对新建进水闸进行结构的静力和动力分析，以验证水闸设计的安全性。

2 有限元计算模型的构建

2.1 模型的构建

该灌区的进水闸为5孔闸整体结构设计。其中，中间一孔为单联孔，两侧为双联孔，闸室的底板为厚2.0 m的C25钢筋混凝土平板结构，顺流方向长度为18.5 m。底板的上下游方向均设置深度为0.6 m的齿槽结构。进水闸采用的是上游半圆形下游流线型墩头的实体闸墩，闸墩的长度为18.0 m，中墩的厚度为1.80 m，缝墩的厚度为2.40 m。进水闸的闸门为宽6.5 m，高3.8 m，厚0.5 m的平板钢闸门。由于某灌区进水闸中间的两个闸墩设有沉降缝，因此中间的单联孔具有相对独立性，所以研究中选择该孔闸建立ANSYS三维有限元模型，为了保证模型的计算精度，计算范围应该包括闸室下部的部分地基，以体现两者的相互作用[2]。基于上述考虑，研究中上下游与闸室两侧地基取1倍进水闸闸长，厚度取1倍闸室高度。模型一横河指向左侧的方向为X轴正方向；以竖直向上的方向为Y轴的正方向；以垂直于X轴指向上游的方向为Z轴的正方向。鉴于SOLID65实体单元在混凝土结构模拟方面的突出优势，研究中利用SOLID65单元进行模型的有限单元划分[3]，钢筋和闸门采用弥散钢筋单元模拟[4]，最终获得93786个计算单元，99698个计算节点，模型的示意图见图1。

图1 闸室有限元模型示意图

2.2 材料的物理力学参数

模型主要包括闸室和地基土两大部分，其中闸室部分主要由底板、闸墩和钢闸门构成，地基土低液限粘土。结合相关研究成果以及进水闸设计资料[5]，计算中采用的材料物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数

2.3 荷载与计算工况

荷载及其大小的确定是进水闸动静力计算的重要前提，本次研究中需要考虑的荷载为闸室自重、静水压力、扬压力以及地震力等四个方面[6]。其中，进水闸的结构自重按照其密度值和体积进行计算和施加[7]；按照正常蓄水水位（231.20 m）和水重度值计算水荷载和水平水压力，并施加在水闸闸室底板和闸墩的上下游面；以正常蓄水位计算扬压力，并施加在闸室底面；由于项目所在地的强震记录资料缺乏，因此研究中选取国际上常用的EL.Centro地震的加速度记录。由其中的地震波加速图谱可知，前8 s的地震响应最大，因此，本次研究选取前8 s的地震加速度谱对输水隧洞的地震响应进行分析。由于项目所在地的地震烈度较高，特选取地震烈度为9度，也就是地震波幅值为0.15 g，竖向取水平向的2/3，对模型施加水平向地震激励和竖向地震激励以及两个方向共同施加，以获得不同方向地震激励条件下的水闸动力影响的应力应变特征。结合研究对象的实际特点和相关研究成果，本次研究选取瑞利阻尼，其临界阻尼比按照经验值的5%选取。上述荷载利用APDL语言编程以及MASS21单元进行施加。

根据进水闸的建设和使用情况，设计出上下游均无水的完工期工况、上游为兴利水位、下游无水的挡水期工况，上游下游均为设计水位的运行期工况，地震工况等计算工况。其中，地震工况为上游为兴利水位、下游无水的最不利工况。每种工况的具体参数特征见表2。

表2 计算工况设计

3 计算结果与分析

3.1 位移计算结果与分析

对4种工况的进水闸闸室位移进行计算，各向最大位移值见表3。由表3的计算结果可知，在静力作用的工况1、工况2和工况3条件下，闸室的位移主要表现为竖向位移，水平位移量较小，不会对闸室的稳定造成明显影响。同时，工况1、工况2和工况3的竖向位移分别为9.11 cm、7.25 cm和6.82 cm。主要因为在水闸蓄水条件下，水体的扬压力可以抵消一部分闸室的重力，因此造成沉降位移的变小[8]。同时，根据相关研究经验和成果，水闸整体式底板的最大沉降量可以达到10 cm～15 cm，而上述三种工况下的最大沉降量为9.11 cm，根据《水闸设计规范》（SL 265-2001），处于容许值（25 cm）范围内。同时，由于水闸采用的是整体式底板，因此沉降变形比较均匀，不会对闸室结构产生明显的不利影响。由工况4的计算结果可知，进水闸闸室在静、动荷载的综合作用下，水闸的最大位移仍旧表现为沉降位移，最大位移值为8.28 cm。由此可见，相对于静力荷载的工况，水闸闸室在地震作用下位移明显增大，但是均在容许值范围之内，不会对闸室的稳定造成显著影响。

表3 不同工况最大位移计算结果

3.2 应力计算结果

对4种工况的进水闸闸室各向应力进行计算，在计算结果中提取不同工况下各向应力的最大值和最小值，结果见表4。

由表4的计算结果可知，在工况1条件下，闸室仅受到自重的作用，最大压应力值为2.33 MPa，出现在闸墩的内侧和闸室底板衔接的部位；最大拉应力值为1.47 MPa，位于闸门槽的部位；底板底部为受压状态，最大压力值为0.37 MPa，上述应力值均显著小于C25混凝土的25 MPa抗压强度标准和2.5 MPa的抗拉强度标准。

在工况2条件下，闸室主要受到自重和上游水压力的作用。由于上游水体扬压力的抵消作用，闸门的压应力相对于工况1有所减小，最大值为1.89 MPa，闸门槽部位由于是闸室的结构薄弱部位，因此受到较大的拉应力作用，最大拉应力值为1.66 MPa，上述数值均显著小于C25混凝土的抗压和抗拉强度标准。

在工况3条件下，上、下游的水位高度分别为3.80 m和2.74 m，上下游的闸室底板均受到水压的作用。与工况1和工况2类似，闸墩的内侧与闸室底板的衔接部位存在比较明显的应力集中现象，闸室受到的最大拉应力和压应力值分别为1.67 MPa和1.78 MPa，均显著小于C25混凝土的抗压和抗拉强度标准。

在工况4条件下，由于水闸受到静力和地震动力的共同作用，因此水闸闸室的结构应力值均有不同程度的增大，但是从各向应力的具体计算成果来看，与前三种工况相比并没有十分显著的增加，且均显著小于C25混凝土的抗压和抗拉强度标准，存在比较大的冗余量。

表4 各工况下应力计算结果单位：MPa

3.3 模态分析结果

本次研究根据水工建筑物抗震设计规范中推荐的反应谱，计算获取工况4条件下水闸的10阶自振频率和反应谱值，结果见表5。由计算结果可知，进水闸闸室的自振频率会随着阶数的增高而增大，且自振特点符合一般水工结构的自身规律，并没有出现大的振型参与系数。因此，水闸闸室本身具有较好的振动特征，在地震荷载作用下，不会出现明显破坏。