基于ANSYS的水闸应力与位移分析

李 壮，李芬花，赵萌萌，杨荣海，邓丹平

(华北电力大学，北京 102206)

1 研究背景

近年来，有关水闸应力分析研究主要集中在对不同环境、不同工况水闸部位的分析—地板分析、闸墩分析，包括一些加固措施等，对于水闸整体分析较少。一些针对水闸整体分析，模型相对比较简单，忽略了水闸本体存在的一些细节问题，难免会增加数据结果的不可靠性。本文着重于水闸整体建模与应力、位移分析，旨在探索更为合适严谨的建模路线，以此来为水闸实际设计提供更加合适的模拟参考，对水闸的整体设计、配筋等等提供相应计算模型。

2 水闸设计

2.1 地质条件

工程所在地地质较优，河水流态稳定，地面以下20m内均为粉质壤土，密度1400kg/m3，弹性模量35MN/m3，泊松比为0.2，很适合修建此工程。在自然状况下，内摩擦角φ=21°，地基允许承载力为[σ]=300kN/m3。地基的渗透系数K=5×10-3cm/s。设计地点土的饱和重度是23kN/m3。建设地点两岸平均高程为50m左右，设计河道河底高程确认为38m。由此可知闸室地板高程也可确认为38m。河底平均宽度110m，工程两岸坡比为1∶3。该河道较为平顺，故可近似看作等腰梯形进行相关设计与计算。相关洪水标准见表1，建筑物等级为2级，由水闸设计洪水标准可知，水闸级别应确认为2级。

表1 洪水标准表

2.2 承受荷载

荷载组合见表2。

表2 荷载组合表

水闸稳定分析主要对水闸受力最危险的时期—挡水期进行计算分析，辅以无水期的计算与分析。

无水期水闸受力荷载图如图1所示。

图1 无水期荷载图

挡水期水闸受力荷载图如图2所示：

图2 挡水期荷载图

3 ANSYS建模

3.1 模型属性

工程所在地地质较优，河水流态稳定，地面以下20m内均为粉质壤土，密度1400kg/m3，弹性模量35MN/m3，泊松比为0.2，很适合修建此工程。在自然状况下，内摩擦角φ=21°，地基允许承载力为[σ]=300kN/m3。地基的渗透系数K=5×10-3cm/s。设计地点土的饱和重度是23kN/m3。

模型其他相应的材料属性见表3。

表3 模型材料属性表

工况选择的是水闸最为危险的设计挡水期以及校核挡水期，挡水期对应的设计流量为971m3/s，上游水头H0为7.96m，下游水深hs=7.78m，建模时施加的外力荷载需要参考此对应的水深。其他工况可以使用不同的水深模拟。

3.2 具体模型

本文采用ANSYS命令流建模，知晓模型尺寸之后建立相应模型。建立模型时采用命令流进行建模，其优点是便于修改，可根据不同的需要通过更改命令流达到修改模型的目的，故此处推荐使用命令流建立较为复杂的模型。建立模型时对闸体进行分段分析，故取中央三孔建模分析。

建立的模型如图3所示。

图3 水闸总体图

图4 水闸分析部位图

从水闸总体中提取的中部中间三孔如图4所示，具体分为地基、闸室底板、闸墩、闸门、检修桥、工作桥、支架、交通桥几部分。由于水闸的分缝设计，此模型在建立时也采取的相同的分缝设计：分为两侧两孔，中央三孔的设计。在分析时，为减轻计算量，可取中央三孔作为分析对象进行分析。

模型上下游计算范围为闸墩高度的二倍。模型左右前后施加相应的约束，通过划分单元尺寸来调节计算精度，可以通过修改命令流实现多次计算，找出计算效率与计算精度要求都适合的划分方法。

建模过程如下。

(1)设置单元类型，设置相关参数；

(2)生成点、面、体(由于模型较复杂，采用对称操作进行建模)，分配模型属性；

(3)设置划分精度，划分网格；

(4)施加荷载并求解；

(5)分析结果，若结果不符，则修改模型或荷载；若结果不准确，则回到(3)重新设置精度，直到所得计算结果最为合适为止。

4 计算结果与分析

4.1 计算所得结果

通过相应的计算可以查看相应的变形，以及内部的应力：如图5—7显示的是第一主应力(拉应力)和第三主应力(压应力)的计算结果，前两个图为设计荷载下的应力分析结果；如图7、8、11、12所示显示相应的位移计算结果，图7—8为设计荷载下的位移计算结果，图11—12为校核荷载下的位移计算结果。

图5 设计第三主应力应力图

图6 设计z轴方向位移图

图7 设计第一主应力应力图

图8 设计y轴方向位移图

图9 校核第一主应力应力图

图10 校核第三主应力应力图

图11 校核z轴方向位移图

图12 校核y轴方向位移图

4.2 设计洪水挡水期计算结果

应力结果分析：对于第一主应力而言，其应力集中现象出现在两边闸门底部。而对于第三主应力，其应力集中现象主要出现在闸门正面的侧边与下边缘，同时在闸门背面也存在应力集中的现象，其中，中间闸门下边缘应力集中现象最为明显。其主要是由闸门的形变所引起。其次，应力较大值主要集中在上下游闸墩与闸室底板的连接点处，数值大约在1.41MPa，主要是由于闸墩的形状所导致的应力集中现象，此处的混凝土浇筑必须要注意。

对于第三主应力，最大压应力主要出现在上游闸门的底部。最大值位于下游中间闸门的底部。产生的原因同为钢闸门的变形所引起。对于闸墩、闸室底板的混凝土建筑而言，应力较大位置为闸墩与闸门连接部位的中间部分。

位移结果分析：关于z轴方向的位移，最大值出现在闸室底板与地基接触的边缘处，需要注意的是并非全部接触面都会产生最大位移，仅仅在底板中央位置以及边缘位置产生最大位移。同时，水闸后方的地基，也出现大面积的较大位移变化。y轴方向的位移，闸室整体的位移并不大，位移最大值出现在地基最底部，尤其是闸室正下方。主要的原因是由于闸室的自重以及地基的自重，地基最深的地方，其y轴方向的位移最大。由于闸室本体Y轴方向位移不大，故不会影响水闸的正常运行。而地基最底部的最大位移并没有超过150mm，满足地基沉降的位移要求。

4.3 校核洪水挡水期计算结果

应力结果分析：对第一主应力进行分析，其较大值出现在上游闸墩底部，以及下游闸墩底部。应力大的主要原因为闸墩本身的承重问题，对于上游，还存在水压力的问题，最主要是由于应力的集中现象使此处应力达到最大值，为1.67MPa，故闸墩下端边缘处在实际建设使需要着重进行相关设计或者采取对应的措施。其次，应力较大位置还有排架的部分位置，主要是由于排架的承重问题，以及自身的形变产生的应力集中现象，排架的底部尤其需要注意，应该采取垫层等设计措施。最大值出现在闸门底部，为3.4MPa，主要原因是闸门的变形引起的应力集中现象。

第三主应力方面，较大值产生的位置也位于闸门的不同部位，不同的是，压应力最大值位于闸门中央部位，其次是闸墩底部上下游边缘处。故在对闸墩底部进行处理时，尤其要注意边墩下边缘的强化处理。

位移结果分析：z轴方向的位移，最大值出现在上下游地基与闸室底板接触处的中央处与边缘处。需要注意的是，此处是地基的变形，而非闸体的变形。故此处地基可能产生较大问题，在实际设计与建设中，需要对此处地基进行额外的加固处理。y轴方向的位移，校核期位移情况与设计期的位移情况近似，最主要的闸体本身会产生向下的位移，但是位移值并不大，满足设计的要求。由图可以看出，闸体所在位置的地基位移变化梯度明显比其他位置的地基位移变化梯度大，而位移的最大值同样出现在所建模型的地基最底部，原因是闸体整体的重力作用，不过对地基的影响也在设计允许的范围之内，不会对地基本身产生大的破坏效果。

5 结语

本文使用了ANSYS软件分析了水闸在其最危工况下的位移与应力，可以得出较为准确的结果。结合相应的位移安全标准与应力标准，可以初步评价闸体的安全水平。使用ANSYS命令流进行设计，设计过程会简便许多，方便修改，得到最好的设计方案。

ANSYS软件对于水闸设计具有一定的实用性，所得结果具有一定参考性，结合传统设计计算与实际建设计划、当地特有的地质条件，得出最为正确的方案。

本文只对水闸最危工况的设计、校核两种工况进行了应力、位移分析，并没有考虑特殊情况，如温度应力的影响、地震荷载的影响。需要分别对此二者进行分析，再将结果进行叠加，可得出水闸的全面分析结果。