基于ABAQUS复杂闸站结构有限元分析

任小飞

（中工武大设计研究有限公司安徽分公司 合肥 230001）

1 前言

对闸站这样一类复杂建筑物结构的结构计算，利用常规的结构应力分析法难以反映其实际工作状况，同时，传统的理论简化结构计算对结构应力计算影响较大，利用三维有限元建立模型计算结构应力可以减小简化对结果的影响。因此，有必要采用空间三维有限元软件对其应力、位移进行研究分析。

2 计算原理

2.1 本构模型的选取

ABAQUS 是国际上功能最强的大型通用有限元软件之一，包含十分丰富的单元模式、材料模型以及分析过程，提供了一系列模拟岩土的本构模型，包括Mohr-Coulomb 塑性模型、扩展的Druker-Prager 模型、Drucker-Prager蠕变模型、Duncan-Chang 模型等。ABAQUS 采用的本构模型是经典Mohr-Coulomb 屈服准则的扩展，采用Mohr-Coulomb屈服函数，包括粘聚力的各向同性的硬化和软化，但该模型的流动势函数在子午面上的形状为双曲线，在π 平面上没有尖角，因此势函数完全光滑，确保了塑性流动方向的唯一性。

本次数值模拟的土体假定其服从Mohr-Coulomb塑性模型，Morh-Coulomb 塑性模型主要适用于在单调荷载下以颗粒结构为特征的材料。

2.2 接触面处理

接触问题是一类非线性问题，既非材料非线性也非几何非线性，而是属于边界条件非线性问题。土与结构的共同耦合作用属于接触问题。接触面之间的相互作用包含两个部分：一是接触面的法向作用，二是接触面的切向作用。

此次计算采用硬接触的法向模型。在本次的接触模拟中使用单纯主从接触算法，在定义接触对时，需要正确的选择主从面，原则是：从面的网格应该比主面更精细；当主从面网格接近时，选择材料刚度较大的平面作为主面；对于有限滑移，从面节点在分析过程中尽可能地不要落在主面之外。在定义接触时，闸室底板作为主控接触面，地基土体作为从属接触面。

3 实例分析

3.1 工程概况

侯阁闸站位于郑集北支河铜山县与沛县交界处，是沛县治理郑集北支河的关键工程，是梯级河道蓄水、排涝、灌溉等多功能的水利枢纽控制工程，设计灌溉面积10 万亩。侯阁闸站安装900ZLB-100 轴流泵4台，配用JSL4-10 型250kW 电动机4 台，装机容量1000kW，设计流量12m3/s，泵站设计扬程4.5m。

侯阁闸站采用新型闸站结合型式，将闸、站、跌水结合成一体，集泄洪、排涝和翻水灌溉于一身。泵室采用湿室型墩墙式结构，开敞式矩形进水池，开敞式出水池出水。站身为新型闸站一体钢筋混凝土结构，由闸室、泵室和跌水组成，采用钢筋混凝土四联孔整体结构，底部为桩基基础，底板为“Z”字型梯型结构。

3.2 计算模型及材料性质

本次计算侯阁闸站工程的地基在顺水流方向取9.5m，垂直水流方向取16.0m。为了提高网格的划分质量，在不影响计算结果的前提下，对所建的模型作了一定的简化处理。由于考虑到了地基模型的尺寸范围的选择，故对地基采用全约束。

侯阁闸站工程结构采用线弹性材料模拟，土体为弹塑性材料，假定服从Mohr-Coulomb 屈服准则，由于土体自重产生的变形已基本完成，故计算中不计入土体自重引起的应变。

侯阁闸站工程整体三维有限元模型见图1，其中八节点六面体单元总数为32226 个，节点总数为45297 个。站身三维有限元模型见图2。

图1 工程整体三维有限元模型图

图2 站身三维有限元模型图

3.3 基本荷载和计算工况

3.3.1 闸室固定荷载

① 结构自重；② 闸上的竖向荷载（包括交通桥、厂房等上部结构），作用在闸墩上。

3.3.2 泵室固定荷载

（1）底板荷载

泵室底板所受的荷载除地基反力外还有：① 上部厂房及水下墙通过壁柱传给底板；② 土压力、水压力及地面活荷载对水下墙底部产生的弯矩传至底板；③ 泵房周围地下水对底板产生的浮托力；④ 泵内设备自重；⑤ 底板自重。

（2）水泵梁荷载

对于墩墙式的泵房水泵梁多属单跨梁，根据其与墩墙的刚度，按两端固结进行复核。水泵梁上的荷载：① 水泵梁自重；② 水泵泵体部件重量，包括喇叭口、导叶体、弯管等；③ 倒转时的水平冲击力。

（3）电机梁荷载

① 电机梁自重；② 由电机梁承受的楼板重；③ 楼板传至电机梁的荷载（包括人群及工具设备等）；④ 电机重量、转子及传动装置重量；⑤ 作用在水泵叶轮上的轴向水压力；⑥ 电动机扭矩产生的切向水平力。

（4）侧墙荷载

侧墙承受自重、上部砖墙（包括屋面系统及吊车系统及风载）传递下来的垂直力、弯矩及剪力。3.3.3 回填土荷载根据《水工建筑物荷载设计规范》（SL744-2016），墙后水平土压力按主动土压力和垂直土重进行计算，其余按边荷载考虑。

3.3.4 水荷载

水荷载的加载工况见表1。

表1 计算水位组合表

3.3.5 地震荷载

根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）附录A 和附录D，侯阁闸站所处场地的地震动峰值加速度为0.1g，根据《水工建筑物抗震设计规范》（GB 51247-2018）及《泵站设计规范》（GB 50265-2010），本次复核计算需考虑地震影响。

3.4 计算结果分析

按照上述计算模型和参数，分别对侯阁闸站身结构的各种工况进行了空间有限元计算。求出了各种工况下站身结构在荷载作用下的各点位移、应力。由此可对站身的稳定和强度安全性进行评价。

3.4.1 位移分析

根据计算结果的位移云纹图进行分析，站身整体结构竖向位移（沉降）计算成果见表2，站身整体结构水平位移（顺水流方向）计算成果见表3。

表2 站身整体结构竖向位移（沉降）计算成果表

表3 站身整体结构水平位移（顺水流方向）计算成果表

由表2 可知：站身整体结构最大沉降位移发生在校核期下的左边墩下游端，沿铅直方向整个结构发生向下的位移，最大沉降量为10.4mm，最大沉降差为1.6mm。根据规范，地基最大沉降量不宜超过150mm，相邻部位的最大沉降差不宜超过50.0mm，故地基沉降满足要求。

由表3 可知：各种工况荷载作用下，结构在水平方向的位移都比较小。顺水流向水平位移的最大值发生校核期下的站墩顶部，沿顺水流方向从上游向下游发生位移，最大值为Uxmax=4.81mm。灌注桩桩顶最大水平位移为4.5mm，而灌注桩桩顶不可恢复的水平位移值宜控制不超过5.0mm，故灌注桩水平位移满足要求。

3.4.2 应力分析

根据计算结果的应力云纹图进行分析，泵站站身结构最大主拉应力计算成果见表4；最大主压应力计算成果见表5。

由计算结果的应力云图及表4、表5 可知：在各工况下站身底板的最大主拉应力主要分布在上游段底板中部面层，最大值为0.70MPa，最大主压应力主要分布在底板下游段中部底层，最大值为1.97MPa；站墩的最大主拉应力主要分布在边墩与底板连接处，最大值为1.03MPa，最大主压应力主要分布在中部面层，最大值为2.18MPa；水泵梁的最大主拉应力主要分布在中间底层，最大值为1.62MPa，最大主压应力主要分布在中部面层，最大值为2.40MPa；电机梁的最大主拉应力主要分布在中间底层，最大值为1.76MPa，最大主压应力主要分布在中部面层，最大值为2.61MPa。

表4 站身结构最大主拉应力计算成果表

表5 站身结构最大主压应力计算成果表

4 结论

（1）通过侯阁闸站的位移场分析，在各计算工况下，站身各结构的位移均较小，不影响泵站的正常运行，同时灌注桩桩顶的水平位移均未超过允许值，站身整体的稳定性较好。

（2）通过侯阁闸站的应力场分析，能很直观地反映闸站在各工况下，站身每个部位的最大主拉（压）应力值，能准确反映工程的空间受力状况。

（3）对于结构复杂的水工建筑物，采用理论方法计算较复杂，可采用ABAQUS 三维空间有限元进行数值模拟，全面了解结构的应力应变场及位移场，这样才能更有效、合理地对结构的安全性态进行评价