CN112380754B - 基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法 - Google Patents
基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，根据水闸闸室结构特点，建立了水闸闸室结构三维有限元模型，采用ADINA有限元分析软件，对水闸闸室结构进行了静力计算，并基于计算结果对受弯构件最大挠度限值、闸室结构应力、稳定和裂缝宽度等进行了复核。本发明提出了一种基于有限元数值模拟技术的闸室结构安全分析方法，该方法能有效地解决采用结构力学方法过于简化的问题，可为同类水闸结构安全复核提供相应的依据和参考。
Description
技术领域
本发明涉及结构安全复核方法，具体涉及一种基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法。
背景技术
水闸是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，具有挡水和泄水(引水)的双重功能，在防洪、治涝、灌溉、供水、航运、发电等方面应用十分广泛。结构安全复核是水闸安全鉴定的重要组成部分，水闸工程量大面广，如果水闸结构安全不满足要求，将会在上、下游水荷载、淤沙压力、浪压力、土压力、扬压力、风荷载等多种荷载联合作用下发生破坏，造成严重的经济损失。因此，有必要对水闸结构安全复核进行研究。
目前，大部分学者采用结构力学方法对水闸结构进行抗震复核计算，事实上水闸属于三维空间薄壁结构，如按照常规平面方法简化计算，会忽略闸底板、闸墩、启闭机房以及交通桥等建筑物之间的联系作用，计算结果误差较大。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，解决目前结构力学方法对闸室结构安全复核中计算结果不准确以及不全面的问题。
技术方案：本发明所述的基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，包括以下步骤：
(1)根据水闸闸室的结构尺寸，建立三维水闸闸室结构有限元模型；
(2)基于ADINA有限元分析软件，输入预设的材料参数、边界条件和不同荷载，对水闸闸室结构进行有限元静力计算，得到各个荷载联合作用下闸室结构不同区域的位移和应力，其中，位移包括顺河向位移、横河向位移和竖直向位移，应力包括垂直向应力、第一主应力和第三主应力；
(3)根据步骤(2)的计算结果得到闸室结构受弯构件最大挠度数值，根据闸室结构受弯构件最大挠度数值判定受弯构件最大挠度是否满足安全需求；
(4)根据步骤(2)的计算结果得到不同荷载联合作用下闸室结构不同区域的第一主应力，根据得到的第一主应力是否超过混凝土动态抗拉强度确定较大拉应力区域，较大拉应力区域，采用结构力学计算方法进行复核；
(5)根据步骤(2)的计算结果得到作用于闸室结构上的全部竖向荷载和全部水平荷载，根据竖向荷载和水平荷载计算闸室结构抗滑稳定安全系数，根据闸室结构抗滑稳定安全系数判定是否满足安全需求；
(6)根据步骤(2)中闸底板处各节点的垂直向应力计算闸室基底应力不均匀系数，将得到闸室基底应力不均匀系数与允许地基承载力和应力不均匀系数允许值进行对比，判定闸室基地应力是否满足安全需求；
(7)根据步骤(2)计算结果，计算不同区域混凝土最大裂缝宽度，并与不同环境下钢筋混凝土结构最大裂缝宽度限值进行对比，判定混凝土最大裂缝宽度是否满足安全需求；
(8)根据步骤(3)-(7)的判定结果最终判定闸室结构安全性。
其中，所述步骤(2)中材料参数包括不同区域混凝土密度、弹性模量和泊松比，边界条件是闸底板底部施加三项约束，荷载包括自重荷载、水荷载、泥沙荷载、扬压力、土压力、浪压力、风荷载、公路桥荷载、启闭机荷载，混凝土的弹性模量采用等效的弹性模量，具体等效的公式如下：
式中，Ed为钢筋混凝土材料等效的弹性模量；Ec为素混凝土弹性模量；Es为钢筋弹性模量；As为钢筋截面面积；A为混凝土截面面积。
所述步骤(3)中闸室结构受弯构件最大挠度数值等于在不同荷载联合作用下闸室结构受弯构件竖直向位移，将受弯构件竖直向位移数值与l0/400对比，如果受弯构件竖直向位移小于l0/400，则受弯构件最大挠度满足安全需求，反之，则不满足安全需求，其中l0为构件的计算跨度。
所述步骤(4)中用结构力学计算方法复核的过程为：各个荷载联合作用下，闸墩为偏心受压构件，闸墩正截面上任一点处正应力的计算公式为：
式中，M为正截面上的弯矩；Iz为正截面对中性轴z的惯性矩；y为所求应力的点到中性轴z的距离，对于矩形截面受弯构件而言，其正截面上的弯矩M应满足下列条件：
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x≥2a′s
式中，K为承载力安全系数，fc为混凝土轴心抗压强度设计值，As为纵向受拉钢筋的截面面积，A′S为纵向受压钢筋的截面面积，fy为钢筋抗拉强度设计值，f′y为钢筋抗压强度设计值，h0为截面有效高度，b为矩形截面宽度，x为受压区计算高度，a′s为受压钢筋合力点至受压区边缘的距离；
采用结构力学方法计算得到的正应力结果大于有限元数值模拟计算得到的第一主应力结果，则满足结构安全需求，反之则不满足结构安全需求。
所述步骤(5)中闸室结构抗滑稳定安全系数计算公式为：
式中：Kc为抗滑稳定安全系数；f为基础底面与地基土之间的摩擦系数；∑G为根据有限元数值模拟结果得到的作用在闸室上的全部竖向荷载；∑H为根据有限元数值模拟结果得到的作用在闸室上的全部水平荷载；n为闸室底板节点个数；gi为第i个闸室底板节点上所受的竖向荷载；hi为第i个闸室底板节点上所受的水平向荷载；i为编号，取值范围为1到n；
通过闸室结构抗滑稳定安全系数与规范值进行对比，判定闸室结构抗滑稳定是否满足安全需求。
所述步骤(6)中应力不均匀系数计算公式为：
式中，η为闸室基地应力不均匀系数；Pmax为闸室基地应力最大值；Pmin为闸室基地应力最小值；(σzz)max为闸底板处垂直应力最大值；(σzz)min闸底板处垂直应力最小值；
闸底板各节点垂直向应力小于地基允许承载力且闸室基地应力不均匀系数小于应力不均匀系数允许值则满足结构安全需求，反之则不满足结构安全需求。
所述步骤(7)中裂缝宽度计算公式为：
式中：α为考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数；c为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区边缘的距离；d为钢筋直径；ρte为纵向受拉钢筋的有效配筋率；Ate为有效受拉混凝土截面面积；AS为受拉区纵向钢筋截面面积；σsk为按荷载标准值计算的构件纵向受拉钢筋的应力；FN为根据有限元内力法求得的整体截面所受拉力；ES为钢筋的弹性模量；
计算得到的混凝土裂缝宽度小于规范的允许值，则满足结构安全需求，反之则不满足结构安全需求。
有益效果：本发明根据水闸闸室结构特点，建立了水闸闸室结构三维有限元模型，基于ADINA有限元分析软件，对水闸闸室结构进行了静力分析；然后基于计算结果对水闸闸室结构受弯构件最大挠度、各部位应力、抗滑稳定、基底应力以及混凝土裂缝宽度等进行复核；最后，根据复核计算结果对闸室结构安全进行评价。本发明不仅能有效地避免单纯采用结构力学方法对闸室结构安全复核计算所带来的的不足，还能更直观的给出水闸结构在不同荷载联合作用下的位移和应力状态，可为同类水闸结构安全复核提供相应的依据和参考。
附图说明
图1是跌水闸闸室结构有限元模型斜视图；
图2是跌水闸闸室结构有限元模型正视图；
图3是跌水闸闸墩、闸底板和钢闸门结构有限元模型；
图4是跌水闸钢闸门结构有限元模型；
图5是跌水闸启闭机有限元模型；
图6是跌水闸公路桥有限元模型；
图7是正常蓄水位工况跌水闸闸室结构X向位移云图(m)；
图8是正常蓄水位工况跌水闸闸室结构Y向位移云图(m)；
图9是正常蓄水位工况跌水闸闸室结构Z向位移云图(m)；
图10是正常蓄水位工况跌水闸闸墩和底板结构第一主应力云图(Pa)；
图11是正常蓄水位工况跌水闸公路桥结构第一主应力云图(Pa)；
图12是正常蓄水位工况跌水闸启闭机房结构第一主应力云图(Pa)；
图13是跌水闸启闭机房主梁横剖面配筋图；
图14是跌水闸启闭机房主梁纵剖面配筋图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
某跌水闸共4孔，每2孔一联，每联之间设置有分缝。考虑到边墩两侧所受土压力和水压力的不同，本次计算主要对边孔一联跌水闸闸室结构进行静力计算分析。根据拦河闸闸室结构特点，建立包括闸底板、闸墩、钢闸门、牛腿、公路桥和启闭机房的三维有限元模型，具体模型如图1-6所示。
本次计算仅针对正常蓄水位工况，该工况下跌水闸闸室结构前后水深，具体如表1所示。
表1跌水闸闸室结构闸前后水深表
基于ADINA有限元分析软件对水闸闸室结构进行有限元静力计算，首先，将建立的三维水闸闸室结构有限元模型导入到ADINA有限元分析软件中；其次，在ADINA有限元分析软件里输入预设的材料参数、边界条件和不同荷载；然后，基于ADINA有限元分析软件，对水闸闸室结构进行静力计算，其中，材料参数主要包括不同区域混凝土密度、弹性模量和泊松比等，边界条件是闸底板底部施加三项约束。
另外，为体现出钢筋的作用，混凝土的弹性模量采用等效的弹性模量。其中，在线弹性阶段，钢筋和混凝土是协调变形的，具体等效的原则如下：
式中，Ed为钢筋混凝土材料等效的弹性模量，GPa；Ec为素混凝土弹性模量，GPa；Es为钢筋弹性模量，GPa；As为钢筋截面面积，m2；A为混凝土截面面积，m2。
计算所采用的材料参数见表2，其中，表中给出的是各材料参数均为等效后的材料参数，同时，依据《水闸设计规范》(SL265-2016)，本次计算中主要考虑自重荷载、水荷载、泥沙荷载、扬压力、土压力、浪压力、风荷载、公路桥荷载、启闭机荷载和地震荷载。
表2各闸室结构混凝土材料参数
图7-9分别给出了正常蓄水位工况下跌水闸闸室结构位移计算结果云图，由图可知，正常高水位运行工况下拦河闸闸室结构各向位移均较小，其中，受公路桥荷载和自重作用影响，最大的Z向位移位于公路桥跨中位置处，其数值为2.5mm。
不同工况下进水闸启闭机房和公路桥下大梁挠度对比情况如表3所示：
表3不同工况进水闸启闭机房和公路桥下大梁挠度计算结果对比情况
《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)中表3.2.8规定了工作桥及启闭机下大梁受弯构件挠度不得超过l0/400，其中l0为构件的计算跨度。由表可知，不同运行工况下进水闸公路桥及启闭机下大梁的最大挠度分别为1.2mm和2.5mm，未超过l0/400(l0/400＝30mm)，满足规范要求。
图10-12分别给出了正常蓄水位工况下跌水闸闸墩、公路桥和启闭机房第一主应力云图，受公路桥自重、公路桥荷载以及水荷载的影响，跌水闸闸墩与闸底板相交处出现了0.68MPa至0.75MPa左右的拉应力，小于跌水闸闸墩和闸底板混凝土抗拉强度，满足安全要求；受自身重量和公路桥荷载影响，跌水闸公路桥跨中底部位置处出现了较大拉应力区，其数值达到了4.31MPa左右，远超跌水闸公路桥混凝土抗拉强度，考虑到跌水闸公路桥运行时间较长，且桥梁底部钢筋混凝土也出现脱落和漏筋情况，应对跌水闸公路桥进行相应的加固处理。
另外，受自身重量和启闭机自重影响，启闭机房底部横梁跨中位置处出现了1.75MPa左右的拉应力，超过了跌水闸启闭机房混凝土抗拉强度设计值。但此处进行了配筋，结合此处的配筋量，采用结构力学方法按纯弯构件对闸墩结构进行应力复核。图13-14分别给出了拦河闸闸墩单位长度截面配筋图。
对于纯弯构件，其正截面上任一点处正应力的计算公式为：
式中，M为正截面上的弯矩；Iz为正截面对中性轴z的惯性矩；y为所求应力的点到中性轴z的距离。对于矩形截面受弯构件而言，其正截面上的弯矩M应满足下列条件：
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式中，K为承载力安全系数；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；As为纵向受拉钢筋的截面面积；A′S为纵向受压钢筋的截面面积；fy为钢筋抗拉强度设计值；f′y为钢筋抗压强度设计值；h0为截面有效高度；b为矩形截面宽度；x为受压区计算高度；a′s为受压钢筋合力点至受压区边缘的距离。
单位长度启闭机房主梁横截面上最大承受弯矩为368.7kN·m，启闭机房主梁底部能承受的最大拉应力为6.32MPa，大于1.75MPa，满足安全需求。
闸室结构抗滑稳定安全系数计算公式为：
式中：Kc为抗滑稳定安全系数；f为基础底面与地基土之间的摩擦系数；∑G为根据有限元数值模拟结果得到的作用在闸室上的全部竖向荷载，N；∑H为根据有限元数值模拟结果得到的作用在闸室上的全部水平荷载，N；n为闸室底板节点个数；gi为第i个闸室底板节点上所受的竖向荷载，N；hi为第i个闸室底板节点上所受的水平向荷载；i为编号，取值范围为1到n，跌水闸闸室结构抗滑稳定计算数据如表4所示：
表4跌水闸闸室结构抗滑稳定计算分析表
注：水平向荷载为正是指水平向合力方向朝下游，水平向荷载为负是指水平向合力朝上游。
根据有限元计算结果，由表可知，在正常蓄水位工况下，跌水闸闸室结构抗滑稳定安全系数均大于《水闸设计规范》(SL265-2016)要求，满足安全需求。
表5给出了跌水闸闸室结构基底应力计算数据，其中，应力不均匀系数计算公式为：
式中，η为闸室基地应力不均匀系数；Pmax为闸室基地应力最大值，Pa；Pmin为闸室基地应力最小值，Pa；(σzz)max为闸底板处垂直应力最大值，Pa；(σzz)min闸底板处垂直应力最小值，Pa。
表5跌水闸闸室基底应力计算结果表
根据有限元计算结果，由表可知，在不同运行工况下，跌水闸闸室结构基底应力最大值、平均值和应力不均匀系数均满足《水闸设计规范》(SL265-2016)要求。
根据正常蓄水位工况下有限元计算结果，受公路桥自重、公路桥荷载以及水荷载的影响，跌水闸闸中墩与闸底板相交处出现了0.68MPa至0.75MPa左右的拉应力。本次主要对该区域中墩混凝土结构裂缝宽度进行验算，表6给出了不同运行工况下跌水闸中墩最大裂缝宽度计算结果对比情况。其中，裂缝宽度计算公式为：
式中：α为考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数；c为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区边缘的距离，mm；d为钢筋直径，mm；ρte为纵向受拉钢筋的有效配筋率，；Ate为有效受拉混凝土截面面积，mm2；AS为受拉区纵向钢筋截面面积，mm2；σsk为按荷载标准值计算的构件纵向受拉钢筋的应力，N/mm2；FN为整体截面所受拉力，可根据有限元内力法求得，N；E S为钢筋的弹性模量，N/mm2。
表6不同运行工况下跌水闸中墩底部最大裂缝宽度计算结果
根据有限元计算结果，由表可知，在不同运行工况下，跌水闸闸墩最大裂缝宽度均满足规范要求。
综上所述，在正常蓄水位工况下，除跌水闸公路桥跨中底部位置处出现了较大拉应力区外，其余均满足规范要求。其中，对于公路桥跨中底部位置处出现的较大拉应力区，其数值达到了4.31MPa左右，远超跌水闸公路桥混凝土抗拉强度，考虑到跌水闸公路桥运行时间较长，且桥梁底部钢筋混凝土也出现脱落和漏筋情况，应对跌水闸公路桥进行相应的加固处理。
Claims (8)
1.一种基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据水闸闸室的结构尺寸，建立三维水闸闸室结构有限元模型；
(2)基于ADINA有限元分析软件，输入预设的材料参数、边界条件和不同荷载，对水闸闸室结构进行有限元静力计算，得到各个荷载联合作用下闸室结构不同区域的位移和应力，位移包括顺河向位移、横河向位移和竖直向位移，应力包括垂直向应力、第一主应力和第三主应力；
(3)根据步骤(2)的计算结果得到闸室结构受弯构件最大挠度数值，根据闸室结构受弯构件最大挠度数值判定受弯构件最大挠度是否满足安全需求；
(4)根据步骤(2)的计算结果得到不同荷载联合作用下闸室结构不同区域的第一主应力，根据得到的第一主应力是否超过混凝土动态抗拉强度确定较大拉应力区域，较大拉应力区域，采用结构力学计算方法进行复核；
(5)根据步骤(2)的计算结果得到作用于闸室结构上的全部竖向荷载和全部水平荷载，根据竖向荷载和水平荷载计算闸室结构抗滑稳定安全系数，根据闸室结构抗滑稳定安全系数判定是否满足安全需求；
(6)根据步骤(2)中闸底板处各节点的垂直向应力计算闸室基底应力不均匀系数，将得到闸室基底应力不均匀系数与允许地基承载力和应力不均匀系数允许值进行对比，判定闸室基地应力是否满足安全需求；
(7)根据步骤(2)计算结果，计算不同区域混凝土最大裂缝宽度，并与不同环境下钢筋混凝土结构最大裂缝宽度限值进行对比，判定混凝土最大裂缝宽度是否满足安全需求；
(8)根据步骤(3)-(7)的判定结果最终判定闸室结构安全性。
2.根据权利需求1所述的基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，其特征在于，所述步骤(2)中材料参数包括不同区域混凝土密度、弹性模量和泊松比，边界条件是闸底板底部施加三项约束，荷载包括自重荷载、水荷载、泥沙荷载、扬压力、土压力、浪压力、风荷载、公路桥荷载、启闭机荷载，混凝土的弹性模量采用等效的弹性模量，具体等效的公式如下：
式中，Ed为钢筋混凝土材料等效的弹性模量；Ec为素混凝土弹性模量；Es为钢筋弹性模量；As为钢筋截面面积；A为混凝土截面面积。
3.根据权利需求1所述的基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中闸室结构受弯构件最大挠度数值等于在不同荷载联合作用下闸室结构受弯构件竖直向位移，将受弯构件竖直向位移数值与l0/400对比，如果受弯构件竖直向位移小于l0/400，则受弯构件最大挠度满足安全需求，反之，则不满足安全需求，其中l0为构件的计算跨度。
4.根据权利需求1所述的基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，其特征在于，所述步骤(4)中用结构力学计算方法复核的过程为：各个荷载联合作用下，闸墩为偏心受压构件，闸墩正截面上任一点处正应力的计算公式为：
式中，M为正截面上的弯矩；Iz为正截面对中性轴z的惯性矩；y为所求应力的点到中性轴z的距离，对于矩形截面受弯构件而言，其正截面上的弯矩M应满足下列条件：
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式中，K为承载力安全系数，fc为混凝土轴心抗压强度设计值，As为纵向受拉钢筋的截面面积，A'S为纵向受压钢筋的截面面积，fy为钢筋抗拉强度设计值，f′y为钢筋抗压强度设计值，h0为截面有效高度，b为矩形截面宽度，x为受压区计算高度，a's为受压钢筋合力点至受压区边缘的距离；
采用结构力学方法计算得到的正应力结果大于有限元数值模拟计算得到的第一主应力结果，则满足结构安全需求，反之则不满足结构安全需求。
5.根据权利需求1所述的基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，其特征在于，所述步骤(5)中闸室结构抗滑稳定安全系数计算公式为：
式中：Kc为抗滑稳定安全系数；f为基础底面与地基土之间的摩擦系数；∑G为根据有限元数值模拟结果得到的作用在闸室上的全部竖向荷载；∑H为根据有限元数值模拟结果得到的作用在闸室上的全部水平荷载；n为闸室底板节点个数；gi为第i个闸室底板节点上所受的竖向荷载；hi为第i个闸室底板节点上所受的水平向荷载；i为编号，取值范围为1到n；
通过闸室结构抗滑稳定安全系数与规范值进行对比，判定闸室结构抗滑稳定是否满足安全需求。
6.根据权利需求1所述的基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，其特征在于，所述步骤(6)中应力不均匀系数计算公式为：
式中，η为闸室基地应力不均匀系数；Pmax为闸室基地应力最大值；Pmin为闸室基地应力最小值；(σzz)max为闸底板处垂直应力最大值；(σzz)min闸底板处垂直应力最小值；
闸底板各节点垂直向应力小于地基允许承载力且闸室基地应力不均匀系数小于应力不均匀系数允许值则满足结构安全需求，反之则不满足结构安全需求。
7.根据权利需求1所述的基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，其特征在于，所述步骤(7)中裂缝宽度计算公式为：
式中：α为考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数；c为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区边缘的距离；d为钢筋直径；ρte为纵向受拉钢筋的有效配筋率；Ate为有效受拉混凝土截面面积；AS为受拉区纵向钢筋截面面积；σsk为按荷载标准值计算的构件纵向受拉钢筋的应力；FN为根据有限元内力法求得的整体截面所受拉力；ES为钢筋的弹性模量；
计算得到的混凝土裂缝宽度小于规范的允许值，则满足结构安全需求，反之则不满足结构安全需求。
8.根据权利需求1所述的基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，其特征在于，所述步骤(8)中的步骤(3)-(7)的判定结果均满足闸室结构安全需求则判定闸室结构安全满足需求。
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