基于ANSYS的進水閘閘室結構動靜力數值模擬分析

楊川江

（新疆維吾爾自治區塔里木河流域巴音郭楞管理局開都-孔雀河管理處開都河中（上）游管理站，新疆 和靜 841305）

1 工程背景

某灌區渠首的水閘工程主要由攔河閘、進水閘、泄洪沖沙閘以及電站構成。某灌區建成于上世紀七十年代，截止目前已經運行了40多年，期間僅在1991年進行過小范圍的整修和擴建，其余時間均沒有進行過大的維修和加固，因此灌區設施老化情況十分突出，特別是渠首的進水閘存在十分嚴重的老化銹蝕問題，對灌區功能的有效發揮產生了巨大的不利影響?；诖?，擬對該灌區進行工程節水改造，并對進水閘和泄洪沖沙閘進行重建。其中，進水閘的重建工程設計為開敞式5孔平底閘，單孔凈寬6.5 m，總長40.5 m，寬24.9 m，高14.5 m，由閘前鋪蓋、閘室段以及泄洪道段組成，全長158.62 m。鑒于靜力和動力作用狀態下的水閘結構強度與穩定性分析，對保證水閘的建設和穩定運行具有重要意義[1]。本次研究運用ANSYS三維有限元軟件，對新建進水閘進行結構的靜力和動力分析，以驗證水閘設計的安全性。

2 有限元計算模型的構建

2.1 模型的構建

該灌區的進水閘為5孔閘整體結構設計。其中，中間一孔為單聯孔，兩側為雙聯孔，閘室的底板為厚2.0 m的C25鋼筋混凝土平板結構，順流方向長度為18.5 m。底板的上下游方向均設置深度為0.6 m的齒槽結構。進水閘采用的是上游半圓形下游流線型墩頭的實體閘墩，閘墩的長度為18.0 m，中墩的厚度為1.80 m，縫墩的厚度為2.40 m。進水閘的閘門為寬6.5 m，高3.8 m，厚0.5 m的平板鋼閘門。由于某灌區進水閘中間的兩個閘墩設有沉降縫，因此中間的單聯孔具有相對獨立性，所以研究中選擇該孔閘建立ANSYS三維有限元模型，為了保證模型的計算精度，計算范圍應該包括閘室下部的部分地基，以體現兩者的相互作用[2]?；谏鲜隹紤]，研究中上下游與閘室兩側地基取1倍進水閘閘長，厚度取1倍閘室高度。模型一橫河指向左側的方向為X軸正方向；以豎直向上的方向為Y軸的正方向；以垂直于X軸指向上游的方向為Z軸的正方向。鑒于SOLID65實體單元在混凝土結構模擬方面的突出優勢，研究中利用SOLID65單元進行模型的有限單元劃分[3]，鋼筋和閘門采用彌散鋼筋單元模擬[4]，最終獲得93786個計算單元，99698個計算節點，模型的示意圖見圖1。

圖1 閘室有限元模型示意圖

2.2 材料的物理力學參數

模型主要包括閘室和地基土兩大部分，其中閘室部分主要由底板、閘墩和鋼閘門構成，地基土低液限粘土。結合相關研究成果以及進水閘設計資料[5]，計算中采用的材料物理力學參數見表1。

表1 材料物理力學參數

2.3 荷載與計算工況

荷載及其大小的確定是進水閘動靜力計算的重要前提，本次研究中需要考慮的荷載為閘室自重、靜水壓力、揚壓力以及地震力等四個方面[6]。其中，進水閘的結構自重按照其密度值和體積進行計算和施加[7]；按照正常蓄水水位（231.20 m）和水重度值計算水荷載和水平水壓力，并施加在水閘閘室底板和閘墩的上下游面；以正常蓄水位計算揚壓力，并施加在閘室底面；由于項目所在地的強震記錄資料缺乏，因此研究中選取國際上常用的EL.Centro地震的加速度記錄。由其中的地震波加速圖譜可知，前8 s的地震響應最大，因此，本次研究選取前8 s的地震加速度譜對輸水隧洞的地震響應進行分析。由于項目所在地的地震烈度較高，特選取地震烈度為9度，也就是地震波幅值為0.15 g，豎向取水平向的2/3，對模型施加水平向地震激勵和豎向地震激勵以及兩個方向共同施加，以獲得不同方向地震激勵條件下的水閘動力影響的應力應變特征。結合研究對象的實際特點和相關研究成果，本次研究選取瑞利阻尼，其臨界阻尼比按照經驗值的5%選取。上述荷載利用APDL語言編程以及MASS21單元進行施加。

根據進水閘的建設和使用情況，設計出上下游均無水的完工期工況、上游為興利水位、下游無水的擋水期工況，上游下游均為設計水位的運行期工況，地震工況等計算工況。其中，地震工況為上游為興利水位、下游無水的最不利工況。每種工況的具體參數特征見表2。

表2 計算工況設計

3 計算結果與分析

3.1 位移計算結果與分析

對4種工況的進水閘閘室位移進行計算，各向最大位移值見表3。由表3的計算結果可知，在靜力作用的工況1、工況2和工況3條件下，閘室的位移主要表現為豎向位移，水平位移量較小，不會對閘室的穩定造成明顯影響。同時，工況1、工況2和工況3的豎向位移分別為9.11 cm、7.25 cm和6.82 cm。主要因為在水閘蓄水條件下，水體的揚壓力可以抵消一部分閘室的重力，因此造成沉降位移的變小[8]。同時，根據相關研究經驗和成果，水閘整體式底板的最大沉降量可以達到10 cm～15 cm，而上述三種工況下的最大沉降量為9.11 cm，根據《水閘設計規范》（SL 265-2001），處于容許值（25 cm）范圍內。同時，由于水閘采用的是整體式底板，因此沉降變形比較均勻，不會對閘室結構產生明顯的不利影響。由工況4的計算結果可知，進水閘閘室在靜、動荷載的綜合作用下，水閘的最大位移仍舊表現為沉降位移，最大位移值為8.28 cm。由此可見，相對于靜力荷載的工況，水閘閘室在地震作用下位移明顯增大，但是均在容許值范圍之內，不會對閘室的穩定造成顯著影響。

表3 不同工況最大位移計算結果

3.2 應力計算結果

對4種工況的進水閘閘室各向應力進行計算，在計算結果中提取不同工況下各向應力的最大值和最小值，結果見表4。

由表4的計算結果可知，在工況1條件下，閘室僅受到自重的作用，最大壓應力值為2.33 MPa，出現在閘墩的內側和閘室底板銜接的部位；最大拉應力值為1.47 MPa，位于閘門槽的部位；底板底部為受壓狀態，最大壓力值為0.37 MPa，上述應力值均顯著小于C25混凝土的25 MPa抗壓強度標準和2.5 MPa的抗拉強度標準。

在工況2條件下，閘室主要受到自重和上游水壓力的作用。由于上游水體揚壓力的抵消作用，閘門的壓應力相對于工況1有所減小，最大值為1.89 MPa，閘門槽部位由于是閘室的結構薄弱部位，因此受到較大的拉應力作用，最大拉應力值為1.66 MPa，上述數值均顯著小于C25混凝土的抗壓和抗拉強度標準。

在工況3條件下，上、下游的水位高度分別為3.80 m和2.74 m，上下游的閘室底板均受到水壓的作用。與工況1和工況2類似，閘墩的內側與閘室底板的銜接部位存在比較明顯的應力集中現象，閘室受到的最大拉應力和壓應力值分別為1.67 MPa和1.78 MPa，均顯著小于C25混凝土的抗壓和抗拉強度標準。

在工況4條件下，由于水閘受到靜力和地震動力的共同作用，因此水閘閘室的結構應力值均有不同程度的增大，但是從各向應力的具體計算成果來看，與前三種工況相比并沒有十分顯著的增加，且均顯著小于C25混凝土的抗壓和抗拉強度標準，存在比較大的冗余量。

表4 各工況下應力計算結果 單位：MPa

3.3 模態分析結果

本次研究根據水工建筑物抗震設計規范中推薦的反應譜，計算獲取工況4條件下水閘的10階自振頻率和反應譜值，結果見表5。由計算結果可知，進水閘閘室的自振頻率會隨著階數的增高而增大，且自振特點符合一般水工結構的自身規律，并沒有出現大的振型參與系數。因此，水閘閘室本身具有較好的振動特征，在地震荷載作用下，不會出現明顯破壞。

表5 閘室模態分析結果

4 結論

本次研究以某灌區節水改造工程中新建的進水閘為例，利用三維有限元數值模擬的方法對水閘的靜、動力響應特點進行模擬計算，獲得的主要結論如下：

（1）在4種計算工況下，水閘閘室的位移均主要表現為沉降位移，且均在容許值范圍之內，不會對閘室的穩定造成顯著不利影響。

（2）從應力計算結果來看，在各種工況下，閘室的局部存在應力集中現象，但是最大拉應力和壓應力值均顯著小于C25混凝土的抗壓和抗拉強度標準，存在比較大的冗余量。

（3）從模態分析結果來看，進水閘閘室的自振特點符合一般水工結構的自身規律，并沒有出現大的振型參與系數，具有較好的振動特征，在地震工況下不會發生明顯破壞。

（4）綜上，某灌區新建進水閘的工程設計滿足相關要求，但是部分部位存在應力集中現象，在具體工程設計中應予以重視。