基于MIDAS GTS NX的钢坝闸埋件与土建结构连接应力分析

王登贇，孟凡淇

(上海市政工程设计研究总院(集团)第六设计院有限公司，安徽 合肥 230000)

传统水闸受跨度限制，单孔净宽一般不超过10.0m，这就导致一些情况下需要在河道中设置中墩，从而增加了土建工程量，且减小了过流面积，同时也影响了美观。而钢坝闸作为一种新型挡水建筑物，具有结构安全、运行可靠、管理方便和使用寿命长、景观效果好等优势[1]，近年来得到了较为广泛的应用。钢坝闸底轴驱动埋件承受的荷载传递到土建结构上，对土建结构应力分布具有明显影响，通过对上述应力进行计算分析，可以更好地指导埋件与土建结构的连接设计，使结构具有更好的安全性。

本次计算基于MIDAS GTS NX有限元软件进行，该软件是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，具有建模简单、易于操作等特点，同时具有丰富的网格划分功能和本构模型[2]，适用于三维有限元分析计算。

1 罗河钢坝闸工程概况

罗河钢坝闸位于安徽太湖经济开发区，罗河防洪标准为50年一遇，建筑物级别为2级，50年一遇设计过闸洪水流量为625m3/s，设计上游洪水位33.60m，蓄水位31.60m。设计采用开敞式单孔水闸型式，闸孔净宽42.0m，闸槛高程28.10m，门顶高程31.60m，闸门挡水高度3.50m。闸墩顶高程为34.20m。闸室及闸墩顺水流方向长度均为22.0m，闸墩厚6.0m。闸室总宽度为54.0m，如图1所示。

图1 罗河钢坝闸立面图

2 金属结构设计

闸门采用底轴驱动式闸门，由门体、底横轴、底铰座、止水装置、驱动装置、穿墙装置等组成。旋转底轴直径为1.2m，支铰座布置于河道中及两侧的空箱内。其中包括河道中6个采用开敞结构的支铰座，间距7.8m；以及空箱内4个采用封闭环状结构的支铰座，每侧2个。[3]

启闭机埋件位于两侧空箱内，采用封闭的环状结构。

闸门传动原理为：底横轴的两端穿过墙外伸，其外伸端与启闭机连接。启闭机库位于空箱内，通过控制两侧的启闭机的向上游和下游运行，实现底横轴翻转门的启闭及开度控制。

本文计算主要针对与支铰座和启闭机埋件连接处的土建结构。

3 应力计算

3.1 液压启闭机埋件

3.1.1有限元模型

该计算模型包括液压启闭机埋件，及埋件下方钢筋混凝土基座，见表1，采用映射网格单元。如图2所示。

表1 液压启闭机材料信息

图2 液压启闭机埋件有限元模型

3.1.2材料信息

3.1.3计算荷载

施加在埋件上的等效水平集中力：

1800×2=3600kN

埋件及基座自重，由软件自动添加。

3.1.4边界条件

在基座侧面及底面由软件自动生成约束。

3.1.5应力计算

由计算结果可知，埋件与基座接触面整体受拉，拉应力最大约为8.6MPa(8600kN/m2)，角点出现应力集中处局部应力可达10MPa，远离接触面应力逐渐减小。

3.2 两侧空箱内支铰座

3.2.1有限元模型

该计算模型包括单侧空箱内的支铰座、钢筋混凝土基座以及侧面连接的垂直抗剪块，见表2，同样采用映射网格单元。

表2 空箱材料信息

3.2.2材料信息

3.2.3计算荷载

施加在支铰座上的等效竖向集中力：3910kN

支铰座及基座自重，由软件自动添加。

3.2.4边界条件

在基座侧面及底面由软件自动生成约束。

3.2.1应力计算

由计算结果可知，支铰座底面与基座接触面处，剪应力最大约为2.1MPa(2100kN/m2)，垂直接触面接总体受拉，最大拉应力约为3.6MPa，远离接触面应力逐渐减小。

垂直抗剪块与基座侧壁连接处，剪应力最大约为5.5MPa，垂直接触面上侧受压，下侧受拉，最大拉应力约为1MPa，远离接触面应力逐渐减小。

3.3 跨中支铰座

3.3.1工况一(闭门工况)

(1)有限元模型

该计算模型包括跨中支铰座及支铰座宽度范围内闸门等效受力体组成的构件，以及钢筋混凝土基座，闭门工况时，闸门为竖起状态，承受横向荷载。

(2)材料信息

表3 闭门坝材料信息

(3)计算荷载

施加在闸门等效受力体上的等效梯形静水压力：顶端53.57kN/m2，底端428.57kN/m2；

构件及基座自重，由软件自动添加。

(4)边界条件

在基座侧面及底面由软件自动生成约束。

(5)应力计算

由计算可知，跨中支铰座与基座接触面最大拉应力出现在接触面上端，约为3MPa，远离接触面应力逐渐减小。

3.3.2工况二(启门工况)

(1)有限元模型

该计算启门工况计算模型同样包括跨中支铰座及支铰座宽度范围内闸门等效受力体组成的构件，以及钢筋混凝土基座，闭门工况时，闸门为放倒状态，承受竖向荷载。

(2)材料信息

表4 启门坝材料信息

(3)计算荷载

施加在闸门等效受力体上的等效竖向静水压力：428.6kN/m2;构件及基座自重，由软件自动添加。

(4)边界条件

在基座侧面及底面由软件自动生成约束。

(5)应力计算

由计算可知，启门工况下构件与基座接触面最大拉应力仍然出现在接触面上端，约为4.9MPa，同时在水平接触面最外侧出现较大压应力，约为10MPa，远离接触面应力逐渐减小。

4 结论

文章采用通过MIDAS GTS NX有限元软件对不同埋件位置与土建结构应力进行了计算，按最大荷载工况进行计算。根据以上计算分析结果，可以对基座结构设计，以及基座与支铰座、启闭机埋件的连接设计提供一定的指导。

根据计算结果，应考虑在拉应力集中的连接位置增大配筋面积或通过增设受拉钢筋改善区域受力情况；或通过增大底板厚度，优化结构设计来减小应力集中带来的影响。

目前该钢坝闸已完成施工，运行良好，通过计算和现场变形观测对比分析，MIDAS GTS NX有限元软件可以适用钢坝闸应力的计算，该方法可以延伸至合页坝、翻板坝、气盾坝等同类产品，具有更广泛的运用前景。