一帆河闸工程应力有限元分析研究★

王 洁

(扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009)

·水利工程·

一帆河闸工程应力有限元分析研究★

王 洁

(扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009)

以一帆河闸工程为例，采用三维有限元软件ABAQUS，分析了闸室结构在各荷载作用下所产生的拉应力和压应力，根据计算结果可知，在各类各工况下，闸室结构的拉应力均超出了规范规定的混凝土拉应力值上限，需要作配筋处理，结构压应力均小于混凝土允许压应力值，最后指出三维有限元分析能较直观、准确反映水闸工程的应力状况，是解决复杂空间结构问题的有效方法。

闸室，ABAQUS，结构应力，计算模型

1 工程概况

涟水县一帆河闸位于响水县响城镇西村与灌南县交界处，始建于1967年，担负着涟水、灌南和响水三县的一帆河流域623 m2的排涝、挡潮、灌溉和航运交通任务，原设计标准为十年一遇，设计流量420 m2/s。淮安市水利勘测设计研究院于2001年5月进行一帆河拆建工程。新闸设计流排涝流量仍按一帆河十年一遇设计标准设计，设计流量为491 m2/s，按10孔设计，闸孔总净宽64 m。一帆河工程闸室为开敞式平底板结构，共10孔，两边孔为通航孔，净宽8.0 m，中间8孔为非通航孔，每孔净宽6.0 m，闸孔总净宽64.0 m。闸室底板顶高程为▽-3.00 m，分为3块，边块3孔一联，中块4孔一联，底板顺水流方向长16.0 m。

2 计算模型

一帆河工程的地基，顺水流方向取49 m，垂直水流方向取227.38 m，深度取至高程▽-23.0 m。在确保计算精度的前提下，对模型做一定简化处理，以提高网格划分的质量。鉴于需对地基模型的尺寸范围进行考虑[1]，对地基采用全约束。图1为闸室结构空间有限元网格图，其八节点六面体单元的总数为8 848个，节点总数为14 363个。闸室与地基整体三维有限元模型见图1。

2.1 材料性质和力学参数

一帆河闸工程材料计算参数见表1，表2。

表1 地基土材料计算参数表

表2 结构材料计算参数表

2.2 基本荷载和计算工况

1)固定荷载。

水闸结构自重[2]。

2)水荷载。

对各水位同时考虑相应的扬压力[3]。

水荷载的加载工况见表3。

表3 复核计算水位组合表 m

3)车道荷载。

车道荷载按照JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范[4]的方法进行计算，车道荷载由均布荷载和集中荷载组成，本次复核将其简化成集中力作用在闸墩上，该工程交通桥汽车荷载按汽—20，挂—100复核。

3 计算结果分析

按照上述计算模型和参数，对各类工况下一帆河闸工程的应力状态进行空间有限元计算，求出闸室结构在荷载作用下各点的应力状况，由此可对闸室的稳定安全性进行评价。

对所得的应力云图进行分析，受篇幅所限，本文仅列出正向水位云图，闸室最大主拉应力云图分别见图2，图3，最大主压应力云图见图4，图5。

工程主要结构主拉应力计算结果见表4，主压应力计算结果见表5。

表4 闸室结构拉应力计算成果表

在各工况下通航孔边墩的最大主拉应力主要分布在临水侧下游底部，最大值为2.33 MPa，最大主压应力主要分布在岸墙侧下游底部，最大值为3.64 MPa；中墩的最大主拉应力主要分布在下

游侧底部，最大值为2.21 MPa，最大主压应力主要分布在下游端底部，最大值为2.08 MPa；缝墩的最大主拉应力主要分布在临水侧底部，最大值为2.83 MPa，最大主压应力主要分布在背水侧底部，最大值为2.80 MPa；胸墙的最大主拉应力主要分布在上游侧底部，最大值为2.96 MPa，最大主压应力主要分布在下游侧底部，最大值为2.10 MPa；沉井横隔墙最大主拉应力为1.92 MPa，最大主压应力为2.55 MPa；纵隔墙最大主拉应力为2.13 MPa，最大主压应力为4.13 MPa；横隔壁最大主拉应力为1.60 MPa，最大主压应力为2.13 MPa。

表5 闸室结构压应力计算成果表

各类混凝土的容许拉、压应力值见表6。

表6 混凝土容许拉应力与容许压应力值表

对比表6中的数据可知，在各类工况下，通航孔的闸墩及沉井结构的最大主拉应力均超过了C25混凝土的允许拉应力值，故不满足抗拉强度要求，结构需配筋；最大主压应力均小于C25混凝土的允许压应力，故满足抗压强度要求。

4 结语

1)通过对一帆河闸的应力场分析，在各计算工况下，结构混凝土构件的拉应力均超过混凝土允许拉应力，需要配筋，结构各构件的最大主拉应力小于混凝土允许压应力。

2)运用ABAQUS有限元软件对一帆河闸室进行结构计算，得出其结构应力场分布图，便于分析比较，可为评价结构安全状态提供依据。

[1] 李 君,郑 彬,娄一青.基于MARC的水槽地基有限元静动力分析[J].水利与建设工程学报，2008，6(2)：100-102．

[2] DL 5077—1997，水工建筑物荷载设计规范[S].

[3] 马永法,陈平龙,曹邱林.桩基础水闸闸室结构分析研究[J].水利与建设工程学报，2011，9(4)：42-45．

[4] JTG D60—2015，公路桥涵设计通用规范[S].

Analysis and research on stress of Yifanhe sluice project using FEM★

Wang Jie

(CollegeofHydraulic,EnergyandPowerEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China)

Taking the engineering of Yifanhe sluice project for example, the 3D FEM software(ABAQUS) is used here to analyze the tensile stress and compressive stress of the lock chamber structure under each load combination. According to the calculation results, it is found that under various working conditions, the tensile stress of the structure floor is more than that of the concrete, thus it is needed to be reinforced. The compressive stress of the structure floor is less than that of the concrete. The analysis indicates that the 3D FEM is the effective way to solve complex space structure problems, which could reflect the stress of the sluice engineering intuitively and accurately.

sluice, ABAQUS, structural stress, computational model

1009-6825(2017)05-0218-02

2016-12-06★：江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

王 洁(1993- )，女，在读硕士

TV314

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