李 悦，杨 亮，李连成

（盐城市水利勘测设计研究院有限公司,江苏 盐城 224002）

0 引言

近年来,城市水环境、水景观、水安全治理热度不断提升,水利工程在满足以往基本的防洪、排涝等需求的同时,还要兼顾保水活水以及景观要求。在这样的需求下,水工建筑物结构型式有了新的选择,橡胶坝和钢坝闸在大孔口水闸的选型中得到了更多的应用[1]。这两者都是大跨度的拦河建筑物,且都能溢流形成人工瀑布,具有一定的景观功能。橡胶坝结构较为简单,工程投资较省,但其易老化易损坏,使用寿命较短,安全可靠性较低,适用于防洪等级需求较低的内河河道,不适用于城市防洪工程。因此,串场河伍佑北防洪闸工程初步设计时选择的是钢坝闸结构型式。

串场河伍佑北防洪闸工程闸孔总净宽20 m,单孔布置,为开敞式结构,采用底横轴翻转闸门,采用2×1600 kN集成液压启闭机启闭,启闭机室位于闸室两侧,净宽3.4 m。闸室顺水流向长17.0 m,垂直水流向宽20.0 m。闸室上方布置控制室及办公用房,采用预应力砼箱梁结构,闸室两侧各设空箱式挡土墙。

钢坝闸由门体、底轴、液压启闭机、锁定装置等组成[2],闸门由液压启闭机转动底横轴来翻转钢闸门。在闸门开启、闭合的过程中,底横轴是主要受力构件,同时水荷载、门体和底轴的自重还会对底轴还会产生弯矩和剪力[3]。为了验证结构的安全性同时做到设计的经济性,需要对防洪闸及底横轴进行应力应变分析。

1 计算方法

随着计算机的发展和广泛应用,有限元法在闸室结构分析中得到了广泛的应用,成为解决复杂闸室结构力学问题的主要工具。但钢坝闸的有限元分析还相对较少,本次分析的结果可以为类似的工程提供参考。相关的主要工作为：

（1）运用有限元软件对闸室结构进行三维有限元分析：选择合理的单元类型,按照要求及计算量建立有限元模型,选取完建期、设计工况、校核工况、检修工况、通航期五个工况静力荷载组合进行加载、计算和后处理；

（2）提取关键点的应力、应变数据和关键截面上的应力应变云图；

（3）根据有限元计算结果,将其与二维计算结果进行对比。对所得结果进行分析并对闸室结构进行评价。

2 模型建立

2.1 闸室有限元模型

闸室结构的简化计算方法为：将土压力、地下水压力等荷载作用在边墙上,边墙视为嵌固在底板上的悬臂梁,按挡土墙土压力理论对荷载进行求解。而底板则视为弹性地基梁计算[4-5]。

闸室的有限元模型见图1,闸室与地基的整体有限元模型见图2。闸底板和启闭机室为整体连接,为U型结构型式。启闭机室上方厂房、楼梯以及景观廊道均省略处理,其重力作为荷载作用在闸室上方。地基基础和上方闸室底板之间建有接触对,滑动摩擦系数为0.25。其中闸室单元控制步长为0.7 m,划分单元109245 个；地基单元步长为3.0 m,划分单元44720个。

图1 闸室结构图

图2 闸室与地基整体结构图

2.2 计算工况

计算分为五种工况,分别为：完建期、设计工况、校核工况、检修工况和通航状态。五种工况下的水位组合与荷载组合见表1。水压力土压力分别进行计算,土压力和水压力荷载直接加在节点上。

表1 水位和荷载组合表

2.3 荷载加载

全局重力加速度为9.8 m/s2。

1）自重与设备重

闸墙混凝土C25,P=2.5 t/m3。闸门重917 kN,闸门关闭时作用于底横轴上；闸门开启时,作用于底板面。 高程4.5 m以上的厂房荷载57 kN/m2,施加于启闭机室边墙上；活动荷载3 kN/m2,施加于启闭机室顶面等。

2）水压力

闸室上游面按上游水位施加静水压力,下游面按下游水位施加静水压力。

3）土压力

完建期的土压力计算取γ土=18 kN/m3,其他工况下水面以下土压力计算取土的浮容重γ浮=10 kN/m3,施加于闸室上下游面及侧墙。

4）渗透力

闸底的渗透力根据上下游水位差,按直线比例法计算,施加于底板底面。上下游闸室底板两侧设有5 m长防渗板桩,计算防渗长度时需将其长度数值乘以2 折算到水平距离。

5）浮托力

浮托力根据上下游水位计算,作用于底板底面。

6）地基反力

地基为线弹性材料,地基反力按直线比例法简化计算。通过建立地基的有限元模型、合并地基与闸室的单元结点、赋予地基材料性质,定义重力加速等操作自动产生。

3 计算结果分析

按照上文介绍的参数及加载方法,运用ANSYS对五种工况静力荷载作用下的有限元模型进行求解计算,根据平衡方程、物体的协调关系与本构关系,得到了闸室结构在对应工况荷载作用下各个节点的位移和应力,借助ANSYS的通用后处理器POST1 输出。

3.1 闸室整体位移情况

闸室结构在五种工况荷载下三个方向的位移量均以Z向（沉降量）为最大,最大值为厘米级别。其余两个方向的位移均为毫米及以下级别。在五种工况静力荷载作用下,其垂直方向位移大小差别较小,其发生最值的位置基本一致。由于两边启闭机室自身重力较大,同时闸室外侧回填土较高,垂向土压力值也较大,结果也显示,闸边墩的沉降比闸底板稍大（未考虑回填土对闸边墩的摩阻力）。由于其结果类似,本文仅用位移量最大的完建期沉降云图（图3）进行说明。

图3 完建期静力荷载作用下的闸室沉降云图

五种工况静力荷载作用下闸室结构Z向位移的最大值及发生位置见表2。

表2 闸室在五种工况静力荷载作用下沉降表

从表2可以看出,闸室结构最大沉降发生在完建期,为2.12 cm。闸室自重和静力荷载的作用,使地基发生沉降,五种工况荷载作用下闸室结构均以Z向位移（沉降）为最大位移分量。闸室结构的X向、Y向位移均小于1 cm,随着上游水位差的降低,导致渗透压力减小,使得顺水流方向的位移也随之减小。由于上下游水位差产生的渗透压力和下游水位产生的浮托力作用于底板底面,使得其他四个工况的沉降小于完建期的沉降。规范规定,天然土质地基上闸地基最大沉降不宜超过15 cm,最大沉降差不宜超过5 cm。由于本例中地基采用桩基础加固,沉降量远小于规范要求。

考虑到串场河北防洪闸兼顾通航功能,其闸门关闭时间较短,较长时间内闸门均处于开启状态,工程对闸门安全性要求高,要做到需要关闸时能及时关闸。又因底横轴翻转闸门的底横轴位于水底,对其工作环境不甚了解,工程在最终进行方案比选时,从工程运行可靠性及运行管理方便等技术方面考虑,未采用底横轴翻转闸门,最终采用的是直升平面钢闸门方案。因此有限元计算结果无法与已建工程进行对比,但其沉降量以及二维内力计算结果与理论计算基本一致。故认为沉降计算结果合理并且满足要求。

3.2 闸门位移情况

底横轴如果发生较大的不均匀沉降,容易卡阻门槽,使闸门不能顺利打开。校核工况下,上下游水位差为2.5 m,此种工况是上下游水位差最大的工况,顺水流方向的位移是五种工况下的最大值。校核工况下底横轴及闸门的位移云图见图4。

图4 底横轴翻转闸门校核工况位移云图

底横轴最大沉降为2.057 cm,不均匀沉降为2.632 mm。X向（顺水流向）最大位移为5.843 mm,不均匀位移为5.652 mm。顺水流向的不均匀位移较垂直方向的不均匀位移大,但其不均匀位移仍在容许范围之内。

但在跨度较大的河道中,由于底横轴较长,其跨中弯矩会更大,产生的不均匀位移可能会更大,此时可以采用球铰支座,让底轴在发生位移的情况下也可以转动。

3.3 底横轴应力分析

底横轴是钢坝闸重要的一个组成部分。由于钢坝闸跨度较大,闸底板极易产生不均匀沉降,从而使底横轴随之变形。加之底横轴自身受力也较大,其变形后容易卡阻门槽,使得闸门不能正常启闭。

完建期底横轴各向应力均比较大,下面仅以完建期的底横轴应力云图（图5）来进行说明。

图5 底横轴完建期不同方向的应力云图

从上述应力云图中可以看出,底横轴的最大拉应力为8.9 MPa,出现在y方向的正应力。其出现位置为底横轴的上表面,位于两个支撑之间。这一计算结果符合实际情况,且计算结果在钢材的可承受范围之内。

4 结语

对闸室整体分析中,闸室结构各向位移情况都在允许范围之内；闸室的内力整体计算结果合理,但局部区域发生应力集中现象,拉应力高达4.3 MPa,可对其进行配筋。底横轴翻转闸门最大沉降为25.57 mm,不均匀沉降为2.63 mm,而在上下游水头差最大的工况（校核工况）下,其顺水流方向的位移为5.84 mm,不均匀位移为5.65 mm。此位移在容许范围之内,不会卡阻门槽。其应力计算结果也在允许范围之内,内力合理。

目前对底横轴翻转闸门的分析还比较少,没有系统的研究。希望未来能看到对其系统的资料或者规范,能给出底横轴翻转闸门的跨度所对应的安全的底横轴的直径大小。