复杂水闸闸室结构分析方法研究

1、复杂水闸闸室结构分析方法研究（扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州225009）摘要：本文主要介绍采用marc软件求解复杂水闸闸室结构在固定水位下的空间位移和主 应力，利用程序提供的接触分析功能，构造闸室结构、灌注桩和地基结构的三维行限元模型 來进行计算分析，得出整体结构的位移场和应力场，判断其整体强度和稳定性，并对在采用 不同水闸底板结构情况卜的水闸工作性态进行分析评价。实例分析表明，对于复杂的闸室结 构，利用三维有限元分析可更直观、精确反映建筑物整体强度与位移状况，采用整体式结构 情况卜水闸适应地基不均匀沉降能力较强，采用分离式结构情况下底板更能体现其结构的优 越性。关键词有限元、复杂闸室

2、结构、应力分析、计算模型1.问题的提出水闸作为水工建筑物的重要组成部分之一，近年来随着工农业生产的发展也发展迅速, 水闸建没积累了丰富的经验，其结构越來越多样化。在复杂水闸闸室结构中，上下游段底板 及闸墩可均为不同结构，且结构不同的闸墩均与上部撑梁相连，下游段柱状闸墩间也由撑梁 连接，底板与闸墩间可以采用整体式结构浇筑，也可以采用分离式结构，设置施工缝。若闸 墩下部有灌注桩，则反拱底板将不承受上部荷载作用，所有上部荷载重量由灌注桩承受。对 于这样的水闸结构，各构件间受力复杂，目前还没有精确的理论分析方法以进行计算。闸基 下的地基反力分布也与底板的尺、h刚度、弹性模量:、荷载大小、分布等因素及地

3、基的变形 特性密切相关，常规计算方法无法全面的考虑到各种因素的共同作川，因而有必要采用三维 有限元软件对其整体强度进行研究分析。2.计算原理及接触面处理msc.marc软件具有强大的建模功能，能自由灵活地建立实体模型、定义材料特性、施 加各种荷载与约束，能根据问题的特殊要求划分网格，方便地生成有限元模型。有限元法的核心是建立单元刚度矩阵，有了单元刚度矩阵，加以适当组合，可以得到总 体刚度矩阵，也就是得到总体平衡方程组。连续介质用有限元法离散后，取出其屮任意一个 结点l在结点上，作用有两种力，其一为变形单元对结点的作用力；其二为作用于结点 的外荷载/>/。根据平衡条件，作用于结点上的合力应

4、为零，即在结点之所有相邻单元的 f点结点力之和与结点荷载平衡，列fli全部结点的平衡条件，得fli总体平衡方程组，ep:e=l式中：/d为总体刚度矩阵，由单元刚度矩阵组合而成，是一个稀疏的正定对称矩阵； 利为全部结点的位移列向s;（门为全部结点的荷载列向s,包括直接作用于结点上的集屮荷载和所有分布荷载、初应力或初应变转换而成的等效结点荷载；称力单元刚度矩阵，它的元素表示当该单元e发生一定的结点位移时所对应的结点力，单元刚度矩阵决定于该单元的形状、大小、方昀和弹性常数，而与单元的位貫无关，即不随单元或坐标轴的平移 而改变。在marc程序中，对于接触面的处理，一般是通过定义接触体和接触表来描述物体

5、间的 接触关系，接触关系类型包括接触、不接触和粘合三种。在接触表中定义接触提之间的摩擦 系数、接触后分离所需的分离力、接触容差及可能的过盈配合值uj。对于整体式底板结构， 定义底板与闸墩间接触为粘合，对于分离式底板结构则定义底板与闸墩间的摩擦系数为0。 在复杂水闸闸室结构中，通过无相对滑动的glue功能和施加很大的分搁力把地基、灌注桩、 闸墩结构粘连起来如一个整体，物体之间无相对滑动速度，接触表面变形满足连续条件n。 各种结构离散成八节点六面体单元等参单元，单元之间通过有限个点连接起来|31。所考虑的 荷裁按有关规范l4j进行处理。接触分析可分为6个步骤：（1）首先对建筑物工程进行平而网格划分

6、，然后用mesh generation菜单下的expand命令扩展成三维立体网格；（2）在marc软件中分别定义以 上三个接触体为变形体，定义变形体过程中耑输入摩擦系数；（3）使川接触表定义接触关系 及类型，这里只要考虑地基土与灌注桩两部分的接触关系；（4）定义边界条件，共有约束、 自重、水重、渗透压力、浮托力以及上下游水平水压力等作用于建筑物之上；（5）在job中 选择定义好的荷载工况，选择输出结果选项以及计算参数后递交作业；（6）计算完毕后使用 marc提供的后处理功能查看结果|51。3实例分析本文结合江苏省黄楼闸实例进行有限元计算分析研宄，并分析比较该水闸底板采取整体 式和分离式两种结构

7、i,水闸整体位移及应力情况。3.1概况黄楼闸位于复新河上游宋楼镇境内，是丰县复新河流域梯级水面三级控制工程，承担116.8km2防洪和排涝任务。该闸建成于1982年6月，规模为中型，闸室为开敝式，闸门共 5孔，每孔净宽4.2m,闸门为钢丝网双曲扁壳结构，启闭机为2x8t手电两用螺杆式，设计 行洪流量122.6m3/s,设计上游蓄水位40.0m。交通桥设在闸室靠下游一侧，桥面净宽7m。3.2计算模型及设计工况（一）黄楼闸结构计算模型取黄楼闸整个底板、闸墩和一定范围内的地基（沿水平方向距底板两端取24.0m,沿深 度方向取至25.5m）作为计算结构模型，剖分网格|61。闸顶以上排架、启闭机等设备作

8、为荷载 作用在闸墩顶上，拱内混凝土填料作为荷载作用在底板顶面上，墙后填土作为土压力作用在 墙背和底板上，周边填土作为边荷载作用在地基上。由于考虑到了地基模型的尺寸范围的选 择，故采用全约束|71。坐标系取为：零点设置在底板而和闸墩的接触处，x轴垂直于水流方 向指向右边，y轴垂直指向上方，z轴顺水流方向指向k游。图1为黄楼闸结构空间有限元 网格图。该黄楼闸生成131786个八节点六面体等参单元，24根灌注桩共生成44880个八节点六面体等参单元，地基划分成38454个八节点六囬体等参单元。图1黄楼闸有限元计算模型图（二）荷载的施加黄楼闸所处场地区地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度6

9、度。可不进行地 震计算。对于黄楼闸计算模型取以t合计固定荷载+回填土荷载+没计水位荷载+浪压力 对黄楼闸闸室结构进行空间有限元计算，求出/各种工况下结构在荷载作用下的各点位移和应力。由此分析闸室位移与应力变化规律。3.3计算结果分析及比较分别对整体式和分离式底板模型进行材料参数的设罝和边界条件的加载，进而对其位移场和应力场比较，得出两种结构的不同特征在整体式底板情况下，黄楼闸首在没计工况下的位移分布图示意如图2、3、4。图2整体式结构位移分布图图3整体式结构沉降分布图l»c :tim 4 000002 | -1l -* noo»ii .图4整体式结构底板位移分布图«

10、;»>m2v由计算结果可知，该闸沿顺水流方向从上游向下游发生位移，顺水流方向最大位移发生 在闸顶上游端，力uxmax=0.483cm,竖直方向黄楼闸发生向下的位移，最大值沉降在闸壞 上游部位，为uymax=5.39cm。闸底板最大位移发生在与上游闹壞处，为uymax=5.39cm。 灌注桩桩顶水平位移为0.324cm,小于水闸设计规范(sl265-2001)规定的0.5cm,满足 要求。图5分离式底板结构位移分布图图6分离式底板结构沉降分布图在分离式底板情况t,黄楼闸首在设计工况t的位移分布图及最大主应力示意如图5、图7分离式结构底板位移分布图由计算结果可知，该闸沿顺水流方向从

11、上游向下游发生位移，顺水流方向最人位移发生 在闸顶上游端，为uxmax=0.593cm,竖直方句黄楼闸发生向下的位移，最大值沉降在底板 上游部位，为uymax=5.73cm。灌注桩桩顶水平位移为0.412cm,小于水闸设计规范 (sl265-2001)规定的0.5cm,满足要求。综上比较可以看出，整体式底板结构较分离式底板整体结构沉降较小，采用整体式底板 结构下水闸底板和闸墩间沉降较分离式底板结构也较均匀。在整体式底板情况下，黄楼闸首在设计工况下的应力分布阁示意如阁8、9。图8整体式结构最大主应力分布图图9整体式结构底板最大主应力分布图在分离式底板怙况下，黄楼闸首在设计工况下的应力分布图示意如

12、图10、11。图10分离式结构最大主应力分布图图11分离式结构底板最大主应力分布图黄楼闸各工况下应力见表1表i有限元应力计算比较成果表工况计算构件分离式底板结构整体式底板结构最大拉应力(mpa)域大ffi应力(mpa)最大拉应力(mpa)最大压应力(mpa)设计闸墩5.800.936.671.03闸墩撑梁14.100.9316.231.03下游反拱底板3.923.994.931.20上游底板10.731.0911.640.79交通桥支墩4.440.874.561.07交通桥支墩撑梁5.130.666.021.07巾表结果可知，无论采用整体式还是分离式结构，该闸闸墩、闸燉掙梁、闸底板、交通 桥支

13、墩和交通桥支墩撑梁结构在设计工况的荷载作用下所受的最大拉应力均超过其材料的 允许最大拉应力81，所受的最大压应力均不超过其材料允许的最大压应力。各构件的抗压强 度满足要求，抗拉强度不满足要求。采用整体式结构水闸整体所受的最大拉应力大于采用分离式结构情况下的最大拉压力， 尤其对于反拱底板来说，采用分离式结构更能体现.其结构的优越性。4结论(1) 有限元计算法是目前解决复杂空间结构力学问题最有效的数值方法之一，它可以 方便地处理各种复杂的几何条件、物理条件和荷载条件。对于实际复杂工程，可以根据变形 和受力特点的不同，采用不同类型的单元进行离散，以提高对工程问题的计算效率和计算精(2) 黄楼闸闸室在

14、两种不同结构下各构件的最大拉压应力均超过其构件材料的抗拉允 许值，结构须进行配筋。最人压应力均未超过构件材料的抗压允许值。抗压强度满足要求。(3) 采用整体式底板结构下，黄楼闸整体地基沉降较小，底板与闸墩间沉降也较均匀,采用整体忒底板结构能更好的适应地苯条件，有效减小地基沉降。但足整体忒底板结构情况 下该闸各构件间的最大拉应力普遍大于分离式底板结构情况丁的最大拉应力，相比较下采用分离式底板结构更能体现反拱底板结构的优越性，有效减少配筋，节约工程成本。参考文献1张宝生.髙度非线性有限元分析软件marc及在接触分析中的应用j.应用科技，2001，28(12)： 3639.1 zhang bao-s

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