论文部分内容阅读
【摘 要】本文主要研究的是某蓄水闸的静力分析。通过对该工程模型参数确定，采用ANSYS软件三维实体单元进行模拟计算并对水闸进行整体建模及网格划分。通过对基本荷载及计算工况的计算，得出水闸最大压应力和最大拉应力。水闸各个工况下的拉压应力以及位移沉降，均在安全范围内。
【关键词】水闸；模型；静力；分析
1、工程基本资料
1.1 工程概况
某蓄水闸设计流量为为182.7立方米/秒，校核流量365立方米/秒，设计水深为4m，校核水深为6m，正常蓄水位为29.4m，闸底板高程25.4m，校核水位31.4m。闸室长10m，闸室总宽25m，共3孔，每孔净宽7m。闸墩均为1米厚，钢筋混凝土底板厚1.2m，闸室上游设三跨交通桥，桥长24m，桥宽5.1m，闸室下游设三跨机架桥，桥长25m，桥宽3.4m，两桥均为钢筋混凝土预制T梁。
本地区属地震基本烈度7度区，按抗震规范，场内不存在液化土层。场地地基土无软弱夹层和下卧层，作为基础持力层。闸址处地基承载力较高，一般在120～130kPa。据《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）的规定，水闸及其他主要建筑物设计烈度为VII度。
1.2 模型参数确定
（1）地基基础。在ANSYS有限元分析中，采用三维实体单元进行模拟计算，闸室采用线弹性模型，地基用弹塑性模型、Drucker-Prager屈服准则。该准则涉及的力学参数有：材料的变形模量 为25Mpa、泊松比 为0.35、容重 为19.0 、摩擦角φ为14度、凝聚力 为0.6 和膨胀角 为19度。
（2）闸首混凝土。闸室混凝包括闸墩底板等采用C20混凝土，因此取弹性模量 为26GPa，泊松比 为0.167，混凝土容重 为24.0 。
1.3 模型建立及网格划分
采用ANSYS有限元软件对水闸进行整体建模。坐标X轴顺水流指向下游，Y轴竖直向上，Z轴垂直水流指向右岸。采用无质量地基模型，地基厚度取1.5倍闸室高度15m，闸室两端及上下游侧地基延伸长度为1倍闸室宽度10m。水闸闸底板及闸墩采用C20混凝土，采用SOLID65单元进行单元划分。地基采用SOLID45单元进行网格化分。该有限元模型共有21128个单元， 24906个节点。计算中闸墩外侧部分为自由端，不施加约束，地基底面施加竖向约束，两侧及上下游侧地基施加链杆约束。机架橋等上部设备作为附加质量施加在闸墩上。
1.4 基本荷载及计算工况
进行水闸的静力分析，首先要了解作用在闸室上的各项荷载，以及荷载的大小方向和作用位置。
1.固定荷载
（1）结构自重；
（2）闸上部的竖向荷载（包括交通桥、工作桥、闸门和启闭设备），其中交通桥总重为47825kg，交通桥重为65117kg，闸门及启闭设备重量为27548 3kg。
2.水荷载
（1）正常运行期：上游水位为29.9米，下游水位为29.8米；
（2）校核洪水期：上游水位为31.23米，下游水位为30.90米。
根据上述情况，本次研究选用以下三种控制工况进行静力分析：
工况一（完建期）：只考虑结构自重；
工况二（运行期正常水深），考虑荷载有自重、扬压力和水压力；
工况三（校核期校核水深），考虑荷载有自重、扬压力和水压力。
2、静力计算成果分析
2.1 位移
该水闸建于软土地基上，工程完工以后会产生较大的地基沉降，完建期地基的最大沉降为1.32cm。关于水闸的沉降量的容许值，目前尚无统一规定，根据经验，对于整体式钢筋混凝土底板，一般最大沉降量可达10-15cm，最大沉降差容许达到3-5cm。由于闸底板采用整体式结构沉降均匀，地基沉降在水闸规定的允许范围内，不会给闸室结构应力产生过大影响。水闸不同工况下的地基沉降位移列于表1：
限于篇幅有限，以下列出了正常运行情况下的沉降位移图：
由以上位移云图可见，闸室垂直于水流方向沉降均匀。顺水流方向闸室上游沉降量略大于下游沉降差为6-8mm，在允许范围内。水闸正常运行期闸门裆水高度为4.0m，水平推力作用于闸门产生向下游倾斜的趋势，闸室在Z向产生1.8mm的位移。
2.2 应力
水闸不同工况下的三个方向和第一、第三主应力分别列于下表2
水闸完建期处于无水状态，只承受结构上部结构传来的荷载以及自身自重，闸墩处于受压状态，最大压应力为2.14MPa，小于混凝土的抗压强度。底板由于承受上部荷载略有不同，在底板底部及两边孔侧底板上部有较小拉应力，其最大值为0.4MPa，小于混凝土的抗拉强度。边墩两端与底板连接处
【关键词】水闸；模型；静力；分析
1、工程基本资料
1.1 工程概况
某蓄水闸设计流量为为182.7立方米/秒，校核流量365立方米/秒，设计水深为4m，校核水深为6m，正常蓄水位为29.4m，闸底板高程25.4m，校核水位31.4m。闸室长10m，闸室总宽25m，共3孔，每孔净宽7m。闸墩均为1米厚，钢筋混凝土底板厚1.2m，闸室上游设三跨交通桥，桥长24m，桥宽5.1m，闸室下游设三跨机架桥，桥长25m，桥宽3.4m，两桥均为钢筋混凝土预制T梁。
本地区属地震基本烈度7度区，按抗震规范，场内不存在液化土层。场地地基土无软弱夹层和下卧层，作为基础持力层。闸址处地基承载力较高，一般在120～130kPa。据《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）的规定，水闸及其他主要建筑物设计烈度为VII度。
1.2 模型参数确定
（1）地基基础。在ANSYS有限元分析中，采用三维实体单元进行模拟计算，闸室采用线弹性模型，地基用弹塑性模型、Drucker-Prager屈服准则。该准则涉及的力学参数有：材料的变形模量 为25Mpa、泊松比 为0.35、容重 为19.0 、摩擦角φ为14度、凝聚力 为0.6 和膨胀角 为19度。
（2）闸首混凝土。闸室混凝包括闸墩底板等采用C20混凝土，因此取弹性模量 为26GPa，泊松比 为0.167，混凝土容重 为24.0 。
1.3 模型建立及网格划分
采用ANSYS有限元软件对水闸进行整体建模。坐标X轴顺水流指向下游，Y轴竖直向上，Z轴垂直水流指向右岸。采用无质量地基模型，地基厚度取1.5倍闸室高度15m，闸室两端及上下游侧地基延伸长度为1倍闸室宽度10m。水闸闸底板及闸墩采用C20混凝土，采用SOLID65单元进行单元划分。地基采用SOLID45单元进行网格化分。该有限元模型共有21128个单元， 24906个节点。计算中闸墩外侧部分为自由端，不施加约束，地基底面施加竖向约束，两侧及上下游侧地基施加链杆约束。机架橋等上部设备作为附加质量施加在闸墩上。
1.4 基本荷载及计算工况
进行水闸的静力分析，首先要了解作用在闸室上的各项荷载，以及荷载的大小方向和作用位置。
1.固定荷载
（1）结构自重；
（2）闸上部的竖向荷载（包括交通桥、工作桥、闸门和启闭设备），其中交通桥总重为47825kg，交通桥重为65117kg，闸门及启闭设备重量为27548 3kg。
2.水荷载
（1）正常运行期：上游水位为29.9米，下游水位为29.8米；
（2）校核洪水期：上游水位为31.23米，下游水位为30.90米。
根据上述情况，本次研究选用以下三种控制工况进行静力分析：
工况一（完建期）：只考虑结构自重；
工况二（运行期正常水深），考虑荷载有自重、扬压力和水压力；
工况三（校核期校核水深），考虑荷载有自重、扬压力和水压力。
2、静力计算成果分析
2.1 位移
该水闸建于软土地基上，工程完工以后会产生较大的地基沉降，完建期地基的最大沉降为1.32cm。关于水闸的沉降量的容许值，目前尚无统一规定，根据经验，对于整体式钢筋混凝土底板，一般最大沉降量可达10-15cm，最大沉降差容许达到3-5cm。由于闸底板采用整体式结构沉降均匀，地基沉降在水闸规定的允许范围内，不会给闸室结构应力产生过大影响。水闸不同工况下的地基沉降位移列于表1：
限于篇幅有限，以下列出了正常运行情况下的沉降位移图：
由以上位移云图可见，闸室垂直于水流方向沉降均匀。顺水流方向闸室上游沉降量略大于下游沉降差为6-8mm，在允许范围内。水闸正常运行期闸门裆水高度为4.0m，水平推力作用于闸门产生向下游倾斜的趋势，闸室在Z向产生1.8mm的位移。
2.2 应力
水闸不同工况下的三个方向和第一、第三主应力分别列于下表2
水闸完建期处于无水状态，只承受结构上部结构传来的荷载以及自身自重，闸墩处于受压状态，最大压应力为2.14MPa，小于混凝土的抗压强度。底板由于承受上部荷载略有不同，在底板底部及两边孔侧底板上部有较小拉应力，其最大值为0.4MPa，小于混凝土的抗拉强度。边墩两端与底板连接处