罗梅青

（安徽省交通勘察设计院，合肥 230011）

高边墩预应力钢筋混凝土坞式闸室三维数值仿真分析

罗梅青

（安徽省交通勘察设计院，合肥 230011）

为分析研究高边墩预应力钢筋混凝土坞式闸室结构的受力性能和计算方法，以安徽省颍上船闸工程为例，采用三维空间有限元模型，模拟墙后回填施工过程，计算作用于闸墙后的土压力荷载。由此进一步分析结构的变形和应力分布。对比分析有限元计算结果与实测值可以得出，计算值与实测值接近且趋势吻合。研究表明，当合理考虑土体和闸室的相互作用，并精确模拟回填施工过程，通过三维空间有限元可有效分析预应力闸室结构的受力性能。

预应力混凝土高边墩坞式闸室；三维数值仿真分析；对比分析;颍上船闸

Biography：LUO Mei-qing（1964-），female，senior engineer.

颍上船闸位于安徽省颍上县城城东沙颍河上，上距阜阳节制闸80 km，下距沫河口（入淮口）45 km。

颍上船闸闸室尺度为180 m×12 m×3 m，分为11段，每段长16.2 m，闸室采用预应力钢筋混凝土坞式结构，净宽12 m，边墙顶标高29.5 m，底板顶高程14.0 m，底板厚度2.2 m，总高度16.7 m，建筑物等级为III级。闸室及预应力钢束布置断面见图1。

预应力混凝土坞式闸室结构实现了船闸工程采用预应力结构的突破，闸室结构采用预应力混凝土结构，预应力钢筋在坞式闸室结构中呈“U”型布置，充分发挥混凝土抗压强度高和钢筋抗拉强度大的优点，减少闸室结构的拉应力，有效地控制闸室结构的开裂，增强了船闸工程的耐久性。与普通钢筋混凝土坞式闸室结构相比，预应力坞式闸室结构在结构受力性能、结构耐久性及工程造价方面都有显著的优越性。预应力钢筋混凝土坞式闸室结构是一种新型的闸室结构，尚缺乏理论和施工技术方面的研究，还需进一步深入研究。

2007年底，颍上船闸完成施工图设计，同年正式开工建设，2009年5月，船闸工程竣工通航，至今运行良好。

图1 闸室及预应力钢束构造断面图Fig.1 Cross section of chamber and prestressed tendon

1 三维仿真模型

1.1 墙背土压力荷载计算

闸室墙体是一种挡土结构，一般都按照规范中所定的土压力荷载计算方法进行计算。

如主动土压力的计算，对无粘性多层土，第n层土的土压力合力可按式（1）计算

式中：En为第n层土的土压力合力；e′n，e″n分别为第n层土上、下端处单位面积土压力强度；Hn为第n层土的厚度；α为折线墙背与垂线的夹角，仰角为正值，俯角为负值。

对于静止土压力，一般按静止土压力系数为主动土压力系数的1.25～1.5倍采用。

而通过多年的工程实践中对土压力的实测数据与规范计算数据进行对比分析，发现规范计算的土压力数据与实际工程挡土墙墙背土压力的实测数据仍存在较大的差异，由此，学者们不断地进行研究以改进土压力的计算模型，以使土压力的计算值趋向于实际值。近年来，许多学者经过研究提出位移土压力计算模型，如梅国雄［1］、卢国胜［2］等。

土压力与位移之间的关系决定了作用在墙后的土压力是主、被动土压力，还是静止土压力。实际作用在结构上的土压力可能是主动土压力与静止土压力之间的任一数值，或静止土压力与被动土压力之间的任一数值，且这一数值与结构的位移量有关。卢国胜提出考虑位移的土压力计算模型［2］

式中：Pa、Pp分别为准主动土压力，准被动土压力；Po为静止土压力；Ko为静止土压力系数；Ka、Kp分别为朗肯主动土压力系数，朗肯被动土压力系数；Sa、Sp分别为主动土压力位移量，被动土压力位移量；S′a，S′p分别为准主动土压力位移量，准被动土压力位移量；C、Y、Z分别为填土粘聚力，填土重度，土压力计算点的深度。

因为在工程实际中，闸墙墙背填土是在施工过程中逐级回填压实的一种加荷过程，填土逐级加高的计算位移，与填土体完全形成荷载突然施加所产生的位移是不同的，这就给土压力荷载的计算增大了难度，也提高了计算的复杂性，往往一种单纯的计算模型很难得到比较精确的结果。

1.2 三维仿真模型

采用ANSYS有限元程序［3-4］建立三维空间模型，建立计算模型时考虑墙背回填土直接参与计算，采用计算网格的增减模拟填土逐级加高的过程，并充分考虑已填筑的土体应力和新回填土体的初始应力，来计算土体对结构体的土压力荷载，在此基础上得到较精确的结构变形和应力分布情况。土体采用Drucker-Prager理想弹塑性模型，土体参数根据工程现场土体试验获取，根据施工过程中闸室侧墙及回填土的施工进度建立施工过程分析模型。土体与闸室结构间根据2种不同材料的参数建立接触单元，模拟土体与结构间的相互作用，根据计算结果提取土体对闸室侧墙的土压力数据，并与现场埋设土压力计实测数据进行比较。计算模型如图2所示。

图2 闸墙三维计算模型Fig.2 3-D calculation model chamber wall

2 高边墩预应力坞式闸室数值分析

2.1 单元类型选取

采用三维8节点单元SOLID65［5］来模拟混凝土单元，ANSYS里面专门建立了面向混凝土的单元SOLID65单元，SOLID65单元可用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。该单元具有8个节点，每个节点有3个自由度，即x，y，z 3个方向的线位移，单元的集合形状节点位置和坐标系如图3。土体采用三维8节点单元SOLID45，土体采用Drucker-Prager理想弹塑性模型，土体与闸室结构间根据两种不同材料的参数建立接触单元，模拟土体与结构间的相互作用。

采用三维杆单元LINK8［6］模拟预应力钢筋，LINK8单元有着广泛的工程应用，如桁架、缆索、连杆、弹簧等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点有3个自由度：沿节点坐标系x、y、z方向的平动。就像在铰接结构中的表现一样，本单元不承受弯矩。本单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能。LINK8单元的几何形状、节点位置和坐标系如图4所示。

混凝土采用C30混凝土，容重r=25 kN/m3，混凝土弹性模量E=28 000 MPa，泊松比μ=0.167；墙后回填土摩擦角 φ=30°（水上），φ=25°（水下），凝聚力C=0，容重r=19 kN/m3（水上），r=10 kN/m3（水下），地基变形模量 5 717.0 MPa，泊松比 μ=0.3，基础与地基摩擦系数为0.3。

2.2 计算工况及建立模型

根据闸室的施工不同阶段以及闸室投入运营期后不同的使用环境将其分为以下几种设计计算工况。

根据闸室结构的最不利受力工况和施工过程，本项目计算对施工阶段中侧墙浇筑至26 m、高水位使用期和检修期预应力闸室结构进行三维有限元模拟分析。根据以上不同计算工况的荷载模式，建立不同工况的三维有限元计算模型，模型中预应力采用“分割法”进行处理，在实际预应力钢筋设计位置建立LINK8单元模拟预应力钢筋。

2.3 计算结果及数据分析

本节段闸室的侧墙浇筑至26 m高程位置，墙后填土回填至25 m高程，张拉部分预应力钢筋。

结构在此阶段关键性断面受力情况见表2。表2中数据正值代表拉应力，负值代表压应力。闸室底板和侧墙的断面位置见图5。表2中数据表明，闸室底板的顶面在图5中14.5 m断面处出现拉应力，但拉应力较小仅为0.11 MPa；闸室侧墙内侧基本处于受拉状态，最大拉应力位于高程14 m处，为0.58 MPa，而闸室侧墙外侧处于受压状态。

工况二：运营高水位期。本节段闸室已完工投入使用，闸室内部高水位状态，墙后填土回填早已完成并且墙后填土中有一定的水位。结构在此阶段关键性断面受力情况见表3。

图3 SOLID65单元示意图Fig.3 Sketch of SOLID65 unit

图4 LINK8单元示意图Fig.4 Sketch of LINK8 unit

表1 闸室计算工况表Tab.1 Calculated work condition of chamber m

表2 工况一闸室结构受力Tab.2 Chamber force under working wondition 1

表3中数据表明，闸室底板的顶面在14.5断面处出现较小的拉应力，为0.27 MPa，而底板的底面基本处于受压状态。闸室侧墙的内侧出现一定的拉应力，最大拉应力为高程19 m断面，拉应力为0.84 MPa，闸室侧墙的外侧基本处于受压状态。

工况三：检修期。本节段闸室在投入使用的过程中，定期给闸室结构进行检修，以维护结构的正常安全运行。此阶段由于检修，闸室内部不蓄水，只有墙后填土的土压力作用与闸室侧墙的外侧。结构在此阶段关键性断面受力情况见表4。

表4中数据表明，在检修期闸室底板的顶面基本处于受压状态，而闸室底板的底面出现局部拉应力状态，最大拉应力位于图6中13.5断面处的底面，拉应力为0.65 MPa；闸室侧墙在检修期侧墙的内侧基本处于受压状态，而侧墙外侧局部区域出现拉应力，最大拉应力位于图6中14 m高程处断面外侧，其拉应力值为0.63 MPa。

表3 工况二闸室结构受力Tab.3 Chamber force under working condition 2

2.4 计算结果与实测数据对比分析

将三维模型计算结果与现场实测结构应力数据进行比较分析，验证仿真计算是否满足要求，能否反映结构的实际受力状态。颍上船闸应力监测点每个断面布置了从1到14和从1′到14′共26个应变计，3个断面共布置了78个应变计。由于结构的对称性，应力监测点布置见图6所示。图7所示为闸室侧墙浇筑至26 m高程时数值仿真闸室结构应力计算值与现场应力实测值的比较，从对比曲线上看，首先三维仿真计算结果与实测值变化趋势吻合，即反映了闸室的总体应力分布情况；其次仿真计算结果与实测值在数据上存在小的差异，并都在结构设计计算和测试误差可接受的范围内，表明了仿真计算的准确性和可靠性。

表4 工况三闸室结构受力Tab.4 Chamber force under working condition 3

图5 闸室底板和侧墙关键性断面位置示意图Fig.5 Sketch of key cross-sectional position in chamber floor and flank

图6 关键性断面及应力监测点布置图Fig.6 Arrangement of key cross-sectional stress measure points

图7 侧墙26 m高程时计算值与实测值比较Fig.7 Comparison of calculated and measured values in flank at height of 26 m

3 结语

建立考虑土体及施工过程的三维空间模型进行仿真分析，获取土体对结构的土压力以及闸室结构的应力分布情况，并与工程现场实测土压力值以及闸室结构应力进行对比分析，计算值与实测值接近，趋势吻合，提高了闸室结构计算的精确性和可靠性。同时也表明了预应力坞式闸室结构在不同工况下受力状态良好，能够满足船闸设计及船闸结构运营要求。预应力坞式闸室结构相比普通钢筋混凝土坞式闸室结构，在结构受力性能、结构耐久性及工程造价方面都有显著的优越性。预应力坞式闸室结构是船闸工程领域的一项创新性应用，将推动船闸工程乃至水工建筑领域迈向新的发展时期。

［1］梅国雄，宰金珉.考虑变形的朗肯土压力模型［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（6）：851－853.

MEI G X，ZAI J M.Rankine soil pressure model considering deformation［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（6）：851-853.

［2］卢国胜.考虑位移的土压力计算方法［J］.岩土力学，2004，25（4）：586－589.

LU G S.Soil pressure calculation method considering deformation［J］.Journal of Geotechnical Engineering，2004，25（4）：586-589.

［3］屈钧利，韩江水.工程结构的有限元法［M］.西安：西北工业大学出版社，2004.

［4］江克斌，屠义强，邵飞.结构分析有限元原理及ANSYS实现［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［5］Saeed Moaveni.有限元分析——ANSYS理论与应用［M］.北京：电子工业出版社，2003.

［6］祝效华，余志祥.ANSYS高级工程有限元分析范例精选［M］.北京：电子工业出版社，2004.

Three-dimensional numerical simulation analysis of high-side pier prestressed concrete dock-type chamber

LUO Mei-qing
（AnhuiΡrovincial Communications Survey and Design Institute，Hefei230011，China）

In order to analyze the force performance and calculation method of the high-side pier prestressed concrete dock-type chamber，the Yingshang lock project was taking as an example in this paper.Based on the three-dimensional finite element model,the wall backfill construction process was simulated accurately，and the soil pressure load acting on the lock wall was calculated.Then the structure deformation and stress distribution were further analyzed.A comparative analysis of finite element results and measured values shows that the two values are close and have the same trend.The results also show that the force performance of the prestressed concrete chamber structure can be effectively analyzed through three-dimensional finite element model while considering the interaction of soil and the chamber and simulating the wall backfill construction process.

high-side pier prestressed concrete dock-type chamber；three-dimensional numerical simulation analysis；comparative analysis；Yingshang lock project

U 641.3；O 242.1

A

1005-8443（2012）03-0236-05

2011-11-21；

2012-01-10

罗梅青（1964-），女，安徽省太湖人，高级工程师，主要从事水运工程设计研究工作。