基于ABAQUS的闸室结构整体抗震安全分析

郭子豪 赵英智 杨志刚 苏锴

摘要：抗震安全是水闸结构安全中的重要组成部分，对水闸进行抗震安全复核十分必要。以北京市顺义区南彩节制闸为研究对象，基于ABAQUS三维有限元分析软件，采用振型分解反应谱法对闸室结构整体抗震安全进行有限元复核分析计算。计算结果表明：在正常蓄水工况地震作用下，闸室最大拉应力及压应力均出现在闸墩与排架柱连接处，分别达到6.70 MPa和7.74 MPa，结合工程现场结构配筋考虑，结构满足安全需求。不同工况作用下，闸室结构抗滑稳定安全系数大于水闸设计规范要求值，满足安全需求。工程抗震构造措施不满足现行规范要求，南彩节制闸闸室结构抗震安全综合评定为B级。

关键词：节制闸；振型分解反映谱法；抗震安全复核；结构安全评价

中图法分类号：TV662 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.008

文章编号：1006-0081（2024）02-0048-05

0 引 言

相关研究表明，地震作用对水闸安全影响很大。为确保水闸结构在地震作用下能正常发挥作用，早期学者采用拟静力法对水闸结构进行抗震安全研究。但拟静力法是以静力形式模拟地震放大效应的方法，仅在有限程度上反映荷载的动力特性，不能反映各种材料自身的动力特性以及结构物之间的动力响应，更不能反映结构物之间的动力耦合关系。水闸为三维空间结构，按平面方法简化计算，会忽略闸室各构件之间的联系，计算结果与实际有所偏差。随着有限元及计算机技术的发展，闸室结构的分析方法有了较大突破。根据相关研究，对于闸室的抗震安全，基于有限元法所得计算结果较拟静力法更为准确。三维有限元数值模拟技术在水闸结构领域得到了广泛运用，但对拉应力超过混凝土抗拉强度区进行安全校核的研究还较少。有学者提出了有限元模拟和结构力学计算相结合的方法对水闸进行抗震安全研究，但均是对水闸中某一联而不是闸室整体进行模拟计算，不能体现水闸闸室结构整体受力特性。本文采用有限元数值模拟技术和结构力学相结合的方法对北京市顺义区南彩闸闸室结构整体进行抗震安全复核。

1 工程概况

南彩节制闸位于北京市顺义区箭杆河上段桩号12+700～12+800，主要由上游铺盖、闸室、消力池、海漫及下游防冲槽、工作桥、检修桥等组成，如图1所示。

南彩节制闸设计洪水标准为20 a一遇，校核标准为50 a一遇，工程规模为中型。根据GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》及GB 51247-2018《水工建筑物抗震设计标准》，查得地震动峰值加速度为0.20g，抗震基本烈度为Ⅷ度。闸室顺水流方向长12.0 m，宽22.3 m。闸墩宽1.0 m，高4.7 m，闸底板厚900 mm。闸室设计为5孔平板闸门，检修门槽尺寸为600 mm×300 mm（宽×深），工作门槽为600 mm×300 mm（宽×深），闸门采用SPGZ 3.5 m×3.0 m（宽×高）铸铁闸门。闸总净宽17.5 m，闸底板钢筋混凝土的规格为C30F150W4，其他部位钢筋混凝土规格均为C25F150W4。主要设计指标见表1。

2 有限元模型及相关参数

根据南彩节制闸闸室设计图，采用ABAQUS三维有限元分析软件建立闸室结构立体模型，模型由闸室底板、闸墩、钢闸门、排架柱等组成。模型节点个数为120 492，单元个数为943 10，均采用八结点六面体单元进行空间离散。此次数值模拟中，采用X（横河向），Y（顺河向），Z（铅直向）的笛卡尔坐标系，计算时在节制闸闸底板底部施加X，Y，Z向位移约束，按正常蓄水位闸前水深28.20 m、闸后无水进行模拟计算，具体模型如图2所示。

南彩节制闸主要承受的荷载有结构自重、静水压力、泥沙压力、扬压力、土压力及启閉机荷载等。考虑地震对该闸的影响，对南彩节制闸闸室结构进行正常蓄水工况的位移、应力及稳定性分析。正常蓄水位工况考虑的荷载组合包括结构自重、静水压力、泥沙压力、扬压力、土压力、浪压力、风压力、启闭机荷载和地震荷载。此次有限元模拟计算中，结构自重主要为闸底板、闸墩、交通桥以及启闭机房等的重量，重力加速度g取9.81 m/s，混凝土材料参数取值见表2。由于该工况下闸后无水，仅考虑闸前水体对闸室的作用，且计算时不单独计算泥沙压力，将水作为浑水考虑，密度取1 100 kg/m。扬压力、浪压力、风压力及土压力等均按相关设计规范取值计算。

GB 51247-2018《水工建筑物抗震设计标准》第3.0.3条规定，对依据现行国家标准GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》确定其设防水准的水工建筑物，一般工程应取其场址所在地区地震动峰值加速度的分区值作为水平向，设计地震动峰值加速度代表值，将与之对应的地震基本烈度作为设计烈度。南彩节制闸工程等别为Ⅲ等中型工程，由GB 51247-2018《水工建筑物抗震设计标准》第3.0.1条可知，该节制闸工程设防类别为丙类。因此，南彩节制闸工程抗震设计烈度为Ⅷ度。本次采用振型分解反应谱法对节制闸工程进行抗震复核计算时，水闸结构反应谱最大值的代表值β取2.25，地震动反应谱特征周期为0.35 s，阻尼比为7%。

为体现钢筋作用，混凝土弹性模量采用等效弹性模量。在线弹性阶段，钢筋和混凝土协调变形，具体等效原则如下：

式中：E为钢筋混凝土材料等效的弹性模量，GPa；E为素混凝土弹性模量，GPa；E为钢筋弹性模量，GPa；A为钢筋截面面积，m；A为混凝土截面面积，m。

3 闸室结构自振特性分析

采用Westergard的附加质量法考虑闸前水对闸室结构的作用，对南彩节制闸闸室结构自振特性进行分析，见表3。可以看出，在正常蓄水工况下，南彩节制闸闸室结构自振频率均较大。闸室结构1阶自振频率为7.408 Hz，周期0.135 s；4阶自振频率相比于1阶频率扩大近3倍，为21.93 Hz，周期0.046 s；最大10阶自振频率达到了52.638 Hz，周期0.019 s，比1阶自振频率扩大7倍左右。造成这种情况的主要原因是该节制闸闸室结构每孔宽度较小，且孔与孔之间未设计分缝，闸室结构整体刚度较大，进而导致闸室结构各阶自振频率偏大。

4 模拟计算结果分析

依据上述模型及各计算参数，考虑地震作用，对南彩闸闸室结构进行振型分解反应谱法动静叠加计算，得到闸室结构位移、应力的计算结果，由此可对闸室结构强度及稳定性进行分析研究。由于篇幅原因，本文仅给出部分位移、应力云图。

4.1 位移计算结果分析

图3为动静叠加下节制闸闸室结构X向位移云图。由图3可知，受地震作用影响，闸室结构在启闭机房底板顶部位置出现较大横河向位移，为典型的鞭梢效应，在静+动和静-动工况下闸室结构位移最大数值均为2.7 mm。相较于类似开敞式水闸结构，由于节制闸闸室结构自身刚度较大，导致不同叠加方式下位移数值计算结果偏小。

根据图4（a）可以看出，在正常蓄水工况地震作用下，受地震作用影响，排架柱与闸墩连接部位处拉应力较大，其余部位拉应力数值均未超过1.00 MPa。依据GB 51247-2018《水工建筑物抗震设计标准》，C25混凝土动态抗拉强度为1.43 MPa，C30混凝土动态抗拉强度为1.72 MPa（混凝土动态抗拉强度取其动态抗压强度的10%，混凝土动态抗压强度较静态抗压强度提高20%，下同），图中除排架柱与闸墩连接部位外均未超过规范要求，满足安全需要。

对于排架柱与闸墩连接部位，其最大拉应力为6.70 MPa。事实上，在正常蓄水位地震作用下，排架柱为受弯构件，根据SL 191-2008《水工混凝土结构设计规范》中正截面受弯承载力及纯弯构件正应力计算公式，并结合排架柱配筋情况，计算得知此处能承受的最大拉应力为8.95 MPa，大于该处最大拉应力数值，满足安全需求。排架柱均采用25钢筋，具体配筋图如图5所示，具体计算公式如下：

当截面受弯且截面形状为矩形或翼缘受拉的倒T形截面时，正截面受弯承载力计算公式如下：

当在计算中不符合式（4）条件时，正截面受弯承载力应采用下列公式：

KM≤fA（h-a′）    （5）

式中：f为混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm；b为矩形或T形截面的腹板宽度，mm；x为受压区计算高度，mm；h为截面有效高度，mm；A为纵向受拉钢筋的截面面积，mm；A′ 为纵向受压钢筋的截面面积，mm；f为钢筋抗拉强度设计值，N/mm；f′ 为钢筋抗压强度设计值，N/mm；a′ 为受压钢筋合力点至受压区边缘的距离，mm。

等直梁在纯弯曲时横截面上任一点处正应力的计算公式为

式中：M为横截面上弯矩，kN·m；I为横截面对中性轴z弯矩的惯性矩，mm；y为所求应力的点到中性轴z的距离，mm；

除拉應力外，排架柱与闸墩连接部位也出现了较大压应力区，最大压应力值为7.74 MPa，见图4（b）。规范规定的C25混凝土动态抗压强度为14.28 MPa，C30混凝土动态抗压强度为17.16 MPa，该闸室结构最大压应力数值未超过规范要求，满足安全需要。

4.3 稳定计算结果分析

表4为南彩节制闸闸室结构在动静叠加下的抗滑稳定计算结果。闸室结构竖向荷载为15 394.62 kN。水平向荷载计算时，由于地震作用是随机往复的，应考虑水平地震惯性力朝上游及下游两种工况。当水平向地震惯性力朝上游时，作用在闸室上的水平向荷载为541.05 kN，此时闸室结构抗滑稳定系数为7.11；当该水平向地震惯性力朝下游时，作用在闸室上的水平向荷载为2 635.21 kN，此时闸室结构抗滑稳定系数为1.46。对比两种工况可以看出，当水平向地震惯性力朝下游时，闸室承受水平向荷载最大，为最不利工况，在该工况下抗滑稳定安全系数仍大于水闸设计规范中要求的1.05，满足安全需求。

4.4 抗震构造措施分析

南彩节制闸为5孔钢筋混凝土开敞式水闸，闸室结构布置匀称、整体性强，符合SL 203-1997《水工建筑物抗震设计规范》中对水闸闸室抗震措施的要求。闸墩和闸底板采用C30混凝土，启闭机排架和上下游翼墙结构为C25混凝土。根据现场检测结果，翼墙部位混凝土抗压强度推定强度介于21.3～32.5 MPa之间，有1个构件不满足混凝土设计要求。因此，该节制闸工程混凝土强度等级不满足SL 203-1997《水工混凝土结构设计规范》中规定的“设计烈度为7、8度时，混凝土强度等级不应低于C25”的要求。

5 结 论

基于ABAQUS三维有限元分析软件，采用振型分解反映谱法对南彩节制闸闸室结构进行了抗震安全复核计算，结论如下。

（1）在正常蓄水工況地震作用下，受地震作用影响，除排架柱与闸墩连接部位拉应力较大外，其余部位拉应力数值均未超过C25混凝土和C30混凝土动态抗拉强度，满足安全要求。对于排架柱与闸墩连接部位，根据结构实际受力情况进行复核计算，受拉应力值为6.70 MPa，未超过此处能承受的最大拉应力8.95 MPa，强度满足安全需求。

（2）排架柱与闸墩连接部位出现了较大压应力区，最大压应力值为7.74 MPa，未超过C25混凝土和C30混凝土动态抗压强度，满足安全需求。

（3）不同工况作用下，闸室结构抗滑稳定安全系数大于水闸设计规范要求，满足安全需求。

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（编辑：李 慧）

Seismic safety analysis of whole control chamber structure based on

ABAQUS：a case study of Nancai control gate at Jiangan RiverGUO Zihao，ZHAO Yingzhi，YANG Zhigang，SU Kai

（1.School of Civil Engineering and and Communication，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China； 2.Henan Huangke Engineering Technology Testing Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，China）

Abstract：Seismic safety is an important part of sluice safety，so it is necessary to review the seismic safety of sluices. Based on ABAQUS，the seismic safety of the whole chamber structure of Nancai Control Gate at Jiangan River in Shunyi District of Beijing City was analyzed and calculated by the mode decomposition response spectrum. The calculation results showed that under earthquake and normal water storage conditions，the maximum tensile stress and compressive stress of the lock chamber was at the connection of the gate pier and the rack column，which was 6.70 MPa and 7.74 MPa，respectively，and could met the safety requirements by considering the reinforcement of the structure in the site. Under different working conditions，the anti-slip and stable safety factor of the lock chamber structure was larger than the requirements of the design code，which met the safety requirements．

Key words：control gate；mode decomposition response spectrum；seismic safety review；structural safety evaluation