镇江水闸二次加固钢结构设计参数优化分析

2021-10-22司黎晶何妙妙冯淑琳袁晓渊

水利技术监督 2021年9期

司黎晶，何妙妙，冯淑琳，袁晓渊

(1.镇江市工程勘测设计研究院有限公司，江苏镇江 212003;2.苏州市吴中区水务局，江苏苏州 215104)

为提升水工结构设计水平，常需要经过多次设计方案的优化分析，获得各设计参数对结构安全稳定性影响特征[1- 2]，从而为工程最优化设计提供重要佐证。设计方案的优化分析有较多种方法，沈卫[3]、陈斌等[4]认为物理模型试验理论是最贴近实际工程设计分析的一种研究方法，因而利用原型材料复制建立水工模型，施加相应的实际运用工况荷载，获得水工建筑在不同设计方案下渗流场或静力场特征，为比选最优设计方案提供重要佐证。不论是模型试验亦或是水工监测，耗时周期较长、试验成本较高，无法较快速高效解决比照各设计方案的优劣性，而数值计算方法较为快捷，利用ANSYS[5- 6]、ABAQUS[7]以及COMSOL[8]等多类型仿真计算平台，可快速解决不同设计方案中水工结构静、动力场特征，为分析最优设计参数提供重要计算依据。本文根据镇江焦南水闸二次加固结构设计方案优化问题，利用ANSYS完成钢结构体型设计参数的优化分析，为工程优化方案提供重要分析参考。

1 仿真建模

1.1 工程概况

为提升镇江地区防洪排涝能力，针对大镇江区域范围内新建一联圩枢纽工程，提升地区整体水利安全性。该防洪联圩枢纽工程设计沿南、北延伸，全长为4558m，设计防洪堤坝顶高程为58.5m，联圩工程内包括有12座中小型水闸工程、5座电排站、3座溢洪道工程以及多个沉砂池等设施。镇江联圩工程设计最大排涝流量85m3/s，设计电排站内、外运营水位分别为1.5、1.2m，泵机最大运营流量为25.5m3/s，地区内河道泥沙含量平均值为8.2kg/m3，总体含沙量偏高，因而各水工设施均设置有沉砂池与拦污栅，降低泥沙淤积以及污染物对水利设施运营影响。根据枢纽联圩工程规划得知，焦南闸作为地区内设计流量最大、运营水位最高的已建水闸，其运营年限较长，是联圩工程与已建水工设施的结合。焦南闸设计最大泄流量为388m3/s，采用多孔式泄流设计形式，布设有宽度为6.8m的拦污栅，采用预应力闸墩作为支撑结构，原设计单孔泄流量需达155m3/s，泄流孔净宽为2.8m，采用弯拱式结构，以排柱作为支撑系统，拱脚与拱顶长度为1.8m，截面最大高度差为0.4m，全断面上水闸抗失稳效果较佳。该水闸采用直径为2.8m的弧形钢闸门，有限元分析该闸门在正常水位运行过程中最大变形属闸室沉降方向，达12.6mm，局部有显著拉应力集中特征，最大拉应力达到1.75MPa，在正常开度流量下，渗流场活跃性较稳定，无涡流等非稳定渗流特征。水闸闸室底板厚度为1.2m，采用预应力闸墩作为结构支撑系统，厚度为0.4m，其剖面图如图1所示。闸室内部渗流场较为活跃，渗透坡降最大可达0.4，原有加固结构存在有预应力锚索，锚筋直径为22mm，配置有主、次锚索，间距分别为140、100mm，采用多层锚筋铰接，如图2所示，根据该水闸结构关键部位应力监测表明，预应力锚索结构出现应力波动，张拉应力增长较显著，分析认为此与汛期水位影响有关。为此，镇江联圩枢纽工程设计部门考虑对该水闸进行二次加固处理，拟采用预应力钢结构作为加固措施，提升焦南闸在整体联圩工程中运营安全性，并针对该钢结构设计方案开展优化分析，确定最适合该水闸的二次加固设计方案。

图1 泄流水闸墩设计剖面图

图2 原加固锚索结构布置图

1.2 工程仿真

针对焦南闸二次钢加固结构设计优化，其采用型钢结构布设形式，截面体型如图3所示，型钢厚度为0.25m，施工保护层厚度为0.4m，布设水平面角度为30°，本文重点探讨该钢结构截面体型高度H、宽度L两设计参数的优化问题。利用ANSYS仿真平台建立加固闸墩有限元模型，并划分网格后，获得微单元125882个，节点数116284个[9- 10]，如图4所示，该模型中包括有墩顶、上游面墩底及型钢铰束点三个关键部位，在型钢加固区域划分网格时特别加密。计算模型中X、Y、Z正向分别为顺水流下游、垂直向上以及水闸右岸方向；以静荷载工况作为设计方案计算依据，该工况下上游水位为15.5m，边界荷载包括有结构自重、静水压力等，模型底部为无自由度边界条件，顶部具有法向约束，闸墩迎水侧、背水侧均为自由边界。基于上述工程资料以及荷载工况，分析钢结构截面不同体型设计方案下关键部位应力变化特征，进而确定工程设计最优方案。

图3 型钢结构截面体型

图4 型钢结构二次加固有限元模型

2 钢结构截面高度设计参数优化分析

为分析焦南水闸二次加固钢结构截面体型设计方案对水工建筑应力影响，在确保钢结构截面体型参数符合设计规范的前提下(不超过2m)，设定钢结构截面高度分别为0.8(A方案)、1(B方案)、1.2(C方案)、1.4(D方案)、1.6(E方案)、1.8m(F方案)，其他设计参数均保持一致，计算不同方案下水闸关键部位应力变化特征。

2.1 拉应力特征

根据对不同二次加固方案下水闸关键部位应力特征计算，获得加固钢结构截面高度影响下关键部位最大拉应力变化特征，如图5所示。从图中可知，三个关键部位中最大拉应力为型钢铰束点，在截面高度1m方案中，铰束点最大拉应力达1.74MPa，而与之同时墩顶、墩底处最大拉应力仅为前者的44.7%、73.2%；从整体各设计方案对比中可得到，铰束点最大拉应力相比墩顶部位差幅达62.5%～200%，而相比墩底部位差幅也达到了25.7%～45.8%；分析认为，虽水闸采用了二次加固方案，但在一些特征部位处仍然存在较大张拉应力集中特征，如本文焦南水闸的闸墩型钢铰束点，结构设计时应加密配筋，提升该部位抗拉刚度。当加固钢结构截面高度增大时，铰束点、墩底部位最大拉应力分别为递减变化，高度0.8m时墩底最大拉应力为1.84MPa，而当高度增大至1.2、1.4、1.8m后，最大拉应力较之分别减少了45.5%、53.4%、54.6%；从整体幅度亦可知，当截面高度每增大0.2m，墩底处最大拉应力平均减少13.8%，但从拉应力降幅快慢可知，当截面高度为0.8～1.4m区间内时，平均降幅可达23.2%，而高度在1.4～1.8m区间内时，最大降幅仅为1.7%，平均降幅为1.3%，表明截面高度并不是一味愈大，对加固结构的抗拉效果就越好，其抑制结构张拉应力的效果乃是逐渐减弱的过程。在型钢铰束点部位最大拉应力变化幅度亦是如此，其在高度0.8～1.4m与1.4～1.8m区间内的平均降幅分别为18.3%、1.8%，由此可见，控制截面高度在适宜区间值即可，反而愈大的截面高度，对工程施工难度、建设成本均是较大考验，因而在确保二次加固方案安全稳定基础上，控制截面高度位于0.8～1.4m区间内最适宜。与前两关键部位不同的是，墩顶处最大拉应力在各设计方案中均保持为0.77MPa，最大波动幅度不超过1%，表明墩顶处最大拉应力受截面高度参数影响较小，改变截面高度设计参数，对墩顶处拉应力发展无显著效果。从抗拉效果来看，当截面高度为1.4m时，型钢铰束点、墩底、墩顶处最大拉应力分别为1.25、0.86、0.771MPa，均满足安全设计要求，且工程经济性最高，初步可认为该方案较优。

图5 截面高度参数影响下关键部位最大拉应力特征

2.2 压应力特征

在计算获得截面高度影响下最大拉应力特征时，亦可获得关键部位最大压应力随截面高度变化特征，如图6所示。从图中可看出，闸墩上最大压应力位于墩底，在截面高度1.2m方案中其最大压应力为15.43MPa，相比之下铰束点、墩顶处最大压应力降低了10.3%、51.5%，在各设计方案中，墩底最大压应力相比型钢铰束点、墩顶处的差幅分别达11.5%～26.5%、58.7%～120%，即墩底处预压效果最佳，抗失稳倾覆性能最优。笔者认为，当焦南闸建设有二次加固结构后，其自重会逐步影响墩底，对结构抗失稳滑移乃是正面作用。对比不同设计方案下关键部位最大压应力变化可知，墩底、铰束点最大压应力随截面高度为先增后减变化，压应力最大属高度1.4m方案，该方案下前两部位最大压应力分别为16.4、14.5MPa，相比之下截面高度0.8、1.2、1.8m方案铰束点最大压应力相比前一方案分别减少了35.2%、4.6%、27.1%。总结来看，当截面高度位于0.8～1.4m区间内时，墩底、铰束点最大压应力平均增幅可达11.3%、15.9%，该区间内增大截面高度，结构抗失稳性能稳定增长；但高度为1.4～1.8m区间内时，关键部位压应力降低，两部位最大压应力平均降幅分别为11.8%、14.5%，预压效果降低，不利于结构静力稳定性。因而，从结构安全性考虑，截面高度应选择区间0.8～1.4m，避免结构抗倾覆性能减弱[11- 12]。与墩顶拉应力受截面高度参数影响一致，墩顶最大压应力在各设计方案中均保持一致，为7.49MPa，表明改变二次加固钢结构截面高度，对墩顶处拉、压应力影响均较小，且拉、压应力稳定值均满足安全要求，故截面高度设计时，不需过多考虑该部位应力特征。综合拉、压应力影响特征可知，截面高度为1.4m时，关键部位拉、压应力特征表现均最佳，故其属最优设计方案。

图6 截面高度参数影响下关键部位最大压应力特征

3 钢结构截面宽度设计参数优化分析

为分析二次加固钢结构截面宽度最优设计参数，在满足设计规范的前提下(不超过2m)，设定截面宽度对比方案分别为0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5m，高度为1.4m，其他设计参数均保持一致，计算各方案下关键部位应力特征。

3.1 拉应力特征

同理，根据截面宽度各设计方案应力计算，获得截面宽度设计参数影响下的关键部位最大拉应力变化特征，如图7所示。从图中可知，三个关键部位最大拉应力与宽度参数具有二次函数关系，随宽度参数为先减后增变化，拉应力最低方案为宽度0.9m，型钢铰束点、墩底、墩顶处在该方案下最大拉应力分别为1.27、0.91、0.68MPa，而在截面宽度0.5、1.1、1.5m下墩底最大拉应力相比宽度0.9m时分别增大了61.5%、19.9%、84.4%。从拉应力变化区间可知分别为递减区间0.5～0.9m和递增区间0.9～1.5m，在递增区间内，铰束点、墩底、墩顶最大拉应力平均降幅分别为14.8%、22.7%、25.7%，而在递减区间内，宽度每增大0.2m，关键部位拉应力平均涨幅为20.6%、21.3%、19.5%。从提升结构抗拉效果来看，拉应力处于最低时，结构抗拉效果最好，而本文所计算出截面宽度0.9m时为最低拉应力，当超过该节点后，拉应力递增，而低于该节点时，抗拉效果并不属最优，结构抗拉性能并未最大化[13- 14]，因而笔者认为截面宽度0.9m为最佳抗拉设计方案。

图7 截面宽度参数影响下关键部位最大拉应力特征

3.2 压应力特征

各截面宽度设计方案中关键部位最大压应力变化特征如图8所示。从图中可看出，关键部位最大压应力随宽度参数为递增关系，两者具有正相关变化；当截面宽度参数为0.5m时，墩顶处最大压应力为6.2MPa，而宽度0.9、1.3、1.5m时最大压应力较前者分别增长了66.3%、79.1%、79.1%，即墩底压应力增幅在减小。从截面宽度参数影响压应力变化可知，整体各设计方案中铰束点、墩底、墩顶处最大压应力平均增幅分别为11.2%、8.8%、13.2%，但其增幅主要集中宽度0.5～0.9m区间内，该区间内各关键部位压应力的平均增幅可达25%、20.5%、29.3%，而在宽度0.9～1.5m区间内三个部位的最大增幅分别仅为3.5%、2.9%、4.8%，平均增幅为2%、1%、2.5%。分析认为，截面宽度不必过大，控制在低于0.9m即可，而宽度超过0.9m后，虽能提升结构预压效果，但效果“性价比”并不高。从本文各设计方案压应力表现来看，当宽度为0.9m时，结构预压效果非常好，三个关键部位在该方案下最大压应力分别为12.4MPa、13.8MPa、10.3MPa，结构抗失稳性能最优，满足最优设计要求。综合结构应力特征变化，认为宽度参数0.9m时为截面体型最优设计。