基于abaqus的西大河水闸的位移和底板应力的三维有限元计算

【摘要】用abaqus软件建立水闸―地基系统整体仿真数值计算模型，运用三维有限元法，基于abaqus软件对水闸的整体结构进行了三维有限元分析，采用最不利工况下的水压力计算闸室的位移值和底板的应力，为水闸的整体稳定性分析和闸底板的配筋计算提供理论依据。

【关键词】abaqus；有限元；水闸；位移；应力

1 引言

水闸底板的内力计算传统方法都是采用弹性地基梁的方法进行，且认为地基是无限均质体，而有限元分析可以将地基和上部结构统一划分单元，从而使闸室地基协调一致共同变形[1]；有限元法实质是一种在物理或工程问题的数学模型上进行近似数值计算的方法[2]。传统的受力计算方法难以反映结构的整体作用，也不能准确描述关键部位的应力状态和变形情况[3-4]。本研究采用线弹性有限元法，将整个水闸结构和地基作为一个整体进行计算，考虑了闸墩、底板和地基的不同材料特性，模拟荷载工况和约束条件，反映了水闸结构关键部位的位移和应力变形情况，为水闸的整体稳定性分析和配筋计算提供了设计依据。

2 工程概况

西大河水闸总的闸室宽度为42m，布置成3孔，单孔净宽14m。闸室工作闸门门型为下卧式钢坝闸门，采用液压式启闭机控制。

闸室采用钢筋混凝土整体坞式结构。水闸底槛标高为-0.20m，闸底板顶高程为-1.50m，底板厚1.80m，闸室顺水流方向长18.00m，中墩厚4.20m，边墩厚3.20m；按防洪要求，闸室边墩顶面设计标高为4.00m。闸底板为分缝的分离式底板。闸在主体结构基础设置预制方桩，预制方桩尺寸为400×400×18000mm。

西大河水闸闸室平面布置示意图如图1所示；由于闸室左右两岸成对称布置，因此平剖面示意图只显示闸室一半如图2；A-A剖面如图3所示；B-B剖面如图4所示；C-C剖面如图5所示；

3 有限元计算模型

由于整个水闸闸室底板采用的是分离式闸底板，因此计算时取侧向土压力较大的边跨闸室作为计算对象。取高程-4.1m到4.0m的整体混凝土结构和一定范围的地基作为一个整体结构离散为八结点六面体等参单元。地基沿水流方向上下游分别延伸20m，地基底部高程为-40.0m，两侧的填土高程为5.5m，垂直水流方向左右两岸各延伸15m。

坐标系取为：以闸室的底板-4.1m高程为坐标原点；x轴顺水流方向，y轴垂直水流方向，z轴垂直指向上方。 整个有限元模型单元总数为104590，结点总数为135167。剖分后的闸室有限元模型网格如图6所示，闸室整体的有限元模型网格如图7。

计算主要考虑底板的受力和沉降，建模时不考虑桩基与土基的相互作用，分别将桩基和土基的材料特性分别赋予桩基和土基单元上。

计算工况如表1所示。

计算中考虑的荷载：结构自重、侧面土压力（按主动土压力计算）、内河侧静水压力、外河侧静水压力等。

3.2 材料参数和边界条件

计算中水闸地基基础、混凝土结构等均近似假定为各向同性、均匀连续的弹性体。计算所采用的物理力学材料参数见表2所示。

边界位移约束条件为：地基上下游截断边界处顺河向水平位移为零，地基左右侧截断边界处横河向水平位移为零，底部截断边界处竖向位移为零。

5 结论

采用abaqus软件对水闸进行三维有限元计算，较水闸底板的传统计算方法，不仅可以清楚的反映水闸闸室位移和底板应力的变化规律，还可以反映应力和位移的大小，出现最大应力和最大位移的位置。为水闸闸室整体的稳定性分析和底板的配筋计算提供设计依据。

参考文献

[1] 蒋玉芳，石自堂，韩超.万安水闸三维有限元分析[J].水科学与工程技术， 2008（2）： 76-78.

[2]王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社， 2003..

[3] 彭成山，袁淮中，王甜. 南水北调工程七里河水闸的三维有限元分析[J]. 华北水利水电学院学报，2010（ 31）：12-13+18.

[4] 苏燕，谯雯，武甲中. 砂土地基水闸三维弹塑性静力有限元研究[J]. 福州大学学报（ 自然科学版）， 2012（40）：248-253.