黄河规划设计

西霞院工程泄洪闸闸室结构应力分析

孟旭央刘全鹏侯咏梅(工程设计院) [摘要] 泄洪闸结构采用普通钢筋混凝土，结构受力条件复杂，各部位应力变幅较大，因此需要对结构进行各种工况的应力分析。本文研究各种工况组合下开敞式泄洪闸闸室的应力情况。[关键词] 有限元分析应力泄洪闸西霞院 1. 引言西霞院工程属大(2)型，Ⅱ等工程，泄洪闸为主体建筑物之一，为2级建筑物，地震设计烈度为7度。泄洪闸闸体总长度34m，上游闸底板高程118m，下游闸底板高程114.0m。闸室堰顶面设平板检修门和弧形工作门各一道，闸门槽尺寸为1m×0.6m，闸墩顶部高程139m。泄洪闸共设21孔，闸段总宽301m，其中14孔开敞式泄洪闸段宽214.25m，两孔一联，共7联，7孔胸墙式泄洪闸段宽86.75m。开敞式泄洪闸闸室单孔净宽12m，堰顶高程126.4m，堰体采用WESIII曲线剖面实用堰，堰面曲线方程为y=x1.836/9.424，上游接双圆弧曲线段和3:1直线段与上游118m高程闸底板相连，下游接1:0.88直线段和半径为14m的反弧段与闸下消力池底板相接。为满足交通和运行要求，泄洪闸顶面设交通桥和工作桥。上游侧交通桥采用预制钢筋混凝土T型梁结构，梁高1.1m；门机轨道下设门机大梁，梁高2.0m，宽0.6m；液压启闭机室下游侧设宽2.5m的工作桥，主要用于各闸门检修的交通通道。泄洪闸坝段间以及与相临建筑物间设沉降变形缝，缝宽50px，缝间设止水和高压聚乙烯闭孔板填缝材料。结构布置见图1-1。根据泄洪闸各部位环境条件的不同，混凝土强度、抗渗、抗冻及抗冲耐磨性能要求也不同，其混凝土材料分区如下：闸墩133.0m高程以上C25W4F100，133.0m高程以下、堰体以上C30W4F100；过流表面C30W6F100CM，与堰体的交接面呈台阶状，最小厚度1.0m；堰体部位采用C20W4F100混凝土，闸底板C20W4F50。泄洪闸闸室为普通钢筋混凝土结构，结构受力复杂，各部位应力变幅较大。由于布置条件所限，边墩混凝土厚度仅为1.74m，在正常运用情况下，结构某些部位将产生较大的拉应力。本文研究的目的是分析泄洪闸运行期、正常蓄水期和检修期的结构受力状况，针对产生的部位而采取的应对措施，确保泄洪闸结构的安全运用。 2. 泄洪闸闸室结构的分析方法本文计算的数值分析方法采用三维有限元法。该方法的基本理论建立在平衡方程、协调方程、本构方程基础上，由三个方程建立单元计算方程，再由变分式虚功原理确立有限元计算方程。计算程序采用美国John Swanson博士编制的ANSYS有限元分析软件中结构静力分析，用来求解外荷载引起的位移、应力和内力。ANSYS程序通过把数值问题用到相同的传统工程概念上来解决静力分析问题。在ANSYS程序中的静力分析控制方程为： {K}{U}={F} (2-1)其中{K}是结构刚度矩阵，{U}是位移向量，力向量{F}包括集中力、地震荷载、压力及体积载荷。 3. 计算荷载及工况计算中考虑的荷载主要有：水荷载、结构自重、淤沙荷载、地震荷载、闸顶荷载、扬压力、提门力等。(1)水荷载：水平水压力采用三角形荷载或梯形荷载，竖直荷载采用均布荷载，P=γ水h。；(2)结构自重：钢筋混凝土容重为γ=25.0KN/m3，自重由程序自动计算；(3)淤沙荷载：水平泥沙压力采用三角形荷载或梯形荷载，竖直荷载采用均布荷载，P=γ淤沙htg2(45o-φ/2)，淤沙容重18kN/m3；(4)地震荷载：采用拟静力法计算地震作用效应，沿建筑物高度作用于质点i的水平向地震惯性力加速度按下式计算：Fi＝ahξGEiai/g。(5)闸顶荷载：闸顶荷载按结构平均0.5m厚计算；(6)扬压力：按水头垂直作用在闸室底板上；(7)提门力：平行墩面F＝4752.82KN≈4753KN，与水平面夹角9.94o，垂直墩面且垂直F的力S＝780KN，垂直墩面的力T＝800KN。根据闸室运行情况，共分五种工况，见表3-1。4 有限元模型分析计算中将结构离散为块体单元，ANSYS程序的混凝土单元为Solid65号，每个节点有3个自由度，即X、Y和Z方向的位移。单元结构形式如图4-1所示。Solid65体单元需要定义的材料常数有杨氏模量、泊松比(或剪切模量)、密度等。输出结果主要有节点各方向的应力、应变、位移、主应力、主应变以及相应的单元导出解。Solid65体单元主要用来模拟混凝土材料构成的三维体结构，材料性质既可以是各向同性也可以是各向异性。在泄洪闸模型中，可以用它来模拟闸体材料。取一联闸室进行有限元网格剖分，三维有限元模型的网格剖分见图4-2。共剖分38944个单元，48072个节点。坐标系为泄洪闸指向下游方向为X正向，高度(铅垂向上方向)方向为Y正向，指向闸室右侧为Z正向。计算中将泄洪闸离散为混凝土单元，闸室结构两侧为结构缝，因此闸墩外侧部分为自由端，不施加约束；对底面施加竖向约束，沿其余两个方向可以移动；对两侧及上下游施加水平链杆，沿其余两个方向可以移动。 5．计算成果分析5.1 结构应力成果本文主要对泄洪闸闸室结构应力进行了计算分析，主要分析以下四个部位：闸底板、闸墩底部、门槽后溢流堰表面、闸墩126.4m高程剖面。应力成果表见表5-1。 5.2 应力成果分析⑴ 从应力成果表看出，各项成果的分布规律与其承受的荷载相一致，其结构设计合理，结构状态正常，无异常现象发生。⑵ 正常蓄水工况对闸墩底部产生了较大拉应力，由于为正常运用,故该工况对闸墩为最不利的工况。⑶ 溢流堰表面在各种工况组合下应力相对较低，仅个别部位(与门槽相交处)出现了2MPa左右的拉应力。这是角点处应力集中造成的。⑷综合考虑多种荷载及工况，闸室结构压应力均小于14.0MPa，且均小于混凝土抗压强度15.0MPa。闸墩底部、门槽后溢流堰表面拉应力值均较大，需配置适当的结构钢筋，其余可配置构造钢筋且满足要求。 6．结语本文采用ANSYS三维有限元法对西霞院泄洪闸闸室进行了五种工况的计算分析，结果表明泄洪闸闸室结构设计合理，绝大部分结构应力满足设计强度要求。利用大型仿真程序ANSYS通过建立实体模型和有限元离散化，能较真实地模拟泄洪闸闸室在各种工况下的应力分布，为实际工程设计提供了依据。参考文献1. 朱伯芳著. 有限单元法原理与应用(第二版).中国水利电力出版社，19982. 沈凤生等. 故县水库大坝裂缝的成因分析、稳定分析及处理措施的研究. 1999