摘要:该闸桥工程主要功能是防洪排涝,闸墩在各种使用条件下结构受力复杂,常规计算方法难以满足要求,因此采用有限元法对闸墩进行计算分析。本文以该节制闸闸墩为研究对象,以ANSYS软件为平台对闸墩在不同荷载组合工况下进行计算分析,尤其对闸门支墩等重点部位予以关注,其计算分析研究结果为工程设计提供参考,以利于改进和优化闸墩结构设计。
关键词:闸墩;有限元;支墩
1 概述
该闸桥工程位于广州南沙区,其主要功能是挡潮、排涝、通航,并满足河涌两岸交通和旅游景观的需要,该闸桥为5孔拱桥,闸室布置在闸桥中孔,闸室为单孔,宽为16m,考虑到闸门运行、通航及景观要求,闸室长为32.9m。为钢筋混凝土整体坞式结构。水闸闸槛高程-2.80m,底板高程-3.30m,底板厚1.50m。工作们选用闸桥结合的液压弧型门门型,其特点是闸门藏于桥下,具有隐蔽性,闸顶交通桥兼做闸门门库。闸室两侧分别为两孔连接拱桥,净跨分别为15m和16m,闸桥总长度为82.40m,总宽度为26m,桥面顶高程为8.35m,中部为14m宽车行道,两侧各设6m宽人行道,闸桥荷载按公路-Ⅱ级设计,闸桥两侧与两岸现有堤防直接相连。
2有限元模型的建立
2.1 计算范围及模型
在建立有限元模型时,为了能精确反映堰闸段周边的应力分布规律,计算基础深度取1.0倍闸室高度80m,上游基础长度取50m,下游基础长度取150m,左右两侧基础长度与节制闸闸室宽度相同。闸室周边结构缝按自由边界对待,基础按固定边界对待,建筑物基础面按设计开挖形状考虑。根据闸墩结构尺寸建立实体模型,然后对实体模型进行网格划分,闸墩混凝土本构模型为线弹性模型,网格划分均采用六面体单元,单元类型为solid45,网格划分单元尺寸为0.5m。闸墩有限元模型见图3。坐标系x向为顺水流方向,y向竖直向上,z向垂直水流方向。
2.2计算假定
(1)假定材料为均质弹性、各向同性的连续体,不考虑混凝土的应力重分布;
(2)不考虑闸桥整体变形对闸墩应力的影响;
(3)不考虑闸墩顶部启闭设备荷载。
2.3 材料力学参数
闸室底板混凝土强度等级为C40,混凝土弹性模量取3.25×104 N/mm2,闸墩和支墩混凝土强度等级为C45,混凝土弹性模量取3.35×104 N/mm2,泊松比取0.167,容重取25kN/m3。
2.4计算挡水水位组合
水闸计算挡水水位组合见表2-1:
表2-1 挡水水位组合表
2.5计算荷载与工况组合
完建工况,非常荷载条件:自重;
反向挡水:设计(校核)水位静水压力 +闸门支铰推力+自重+扬压力;
正向挡水:设计(校核)水位静水压力 +闸门支铰推力+自重+扬压力;
反向(正向)挡水启门瞬间:设计水位静水压力+闸门支铰推力+液压启闭机力+自重+扬压力;
闸门全开工况:正向挡水设计水位静水压力+闸门支铰推力+锁定装置力+自重+扬压力。
水压力按面力施加在闸墩表面,支铰推力、液压启闭机力及锁定装置力施加在节点上。
3计算结果分析
由于弧门推力较大,且推力方向与闸墩表面不在同一平面内,同时闸墩承受的荷载及结构形式相对复杂,不同工况下闸墩的应力分布不均匀且变化较大,采用结构力学等常规的方法很难客观评价闸墩应力的状况,因此宜采用三维有限元法来详细分析结构的应力水平和变形趋势。本文正是利用通用软件ANSYS对闸墩进行了三维有限元分析,从而进一步验证闸墩设计的可行性和合理性。
(1)在完建工况下,闸墩和支墩产生的最大拉应力为0.04Mpa,最大压应力为0.16MPa,其应力峰值较小,满足混凝土的抗拉与抗压强度。
(2)在反向挡水工况下,闸墩和支墩产生的最大拉应力为1.17Mpa,出现在支墩 最大压应力为0.72 MPa,其应力峰值满足混凝土的抗拉强度。
(3)在正向挡水工况下,闸墩和支墩产生的最大拉应力为0.79Mpa,出现在支墩 最大压应力为1.50 MPa,其应力峰值满足混凝土的抗拉强度。
(4)闸门开启瞬间工况下,在反向挡水时产生的最大拉应力为0.65Mpa,出现在支墩顶部,最大压应力为0.59 Mpa,出现在闸墩与支墩结合处。在正向挡水时产生的最大拉应力为0.61Mpa,也出现在支墩顶部,产生的最大压应力为1.15Mpa,出现在支墩支铰处,其应力峰值满足混凝土的抗拉、抗压强度。
(5)闸门全开工况下,在支墩支铰处产生的最大拉应力约0.2Mpa,在闸墩底部产生的最大压应力为0.47MPa,其应力峰值满足混凝土的抗拉、抗压强度。
(6)对各个工况下的计算结果进行对比分析,在支墩支铰处出现的最大拉应力值为1.17MPa,范围为150mm,所以其配筋计算如下:
4 结论
对闸墩及支墩在各工况下的计算结果进行分析,得出以下几点结论:
(1)经计算分析,闸墩及支墩在各个工况下的应力峰值较小,符合混凝土应力控制标准,满足闸墩运行要求。
(2)根据应力分析结果对闸墩、支墩进行了配筋计算,并满足混凝土结构配筋构造要求。
(3)通过三维有限元计算分析,最终确定闸墩及支墩的结构尺寸,并将计算分析结果运用于工程实际中。
参考文献:
[1]SL191-2008,水工混凝土结构设计规范[S].
[2]SL265-2016,水闸设计规范[S].
[3]朱伯芳.《有限单元法原理与应用》(第二版).北京:中国水利水电出版社,1998
[4]江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2005
作者简介:
李振龙(1983-),男,汉族,硕士研究生,工程师,主要从事水工结构方面设计与研究工作。
论文作者:李振龙
论文发表刊物:《基层建设》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/17
标签:应力论文; 闸门论文; 工况论文; 混凝土论文; 推力论文; 荷载论文; 力为论文; 《基层建设》2017年第16期论文;