水闸结构分析方法综述

摘要：水闸是一种具有挡水和泄水双重作用的低水头水工建筑物，在水力发电、灌溉、航运、防洪排涝等水利工程中都占有重要地位。在水利建设事业中，水闸更得到了广泛的应用。水闸应力分析关系到结构的安全，本文从整体结构出发，对谁砸结构的应力分析方法进行详细综述，为水闸分析奠定基础。

关键词：水闸 有限元 分析方法

中图分类号： TU74 文献标识码：A 文章编号：

我国在很早就己经开始引水灌溉和航运，所以有悠久修建水闸的历史。解放后，随着我国水利事业的发展，全国许多地区兴建了大量的水闸，大大的增强了我国各地区抗旱和排涝的能力，促进了工农业生产的不断发展。

水闸按其所承担的任务进行分类。进水闸用于引水；节制闸用于控制水位和流量；排水闸则用于排水，在多泥砂河道上，排水闸还兼有冲砂闸作用；挡潮闸是为了防止海水倒灌，在河流入海处兴建的水闸；分洪闸则是为了消除河流下游的洪水威胁，在分洪道首部设置的水闸；为了改善内河航运或蓄水灌溉等目的，在河道上建闸蓄水，称为为蓄水闸。

1水闸的分析方法

水闸结构分析传统作法都是将闸室中的底板和闸墩分开计算，将闸墩简化为悬臂梁用材料力学或结构力学方法进行内力计算，而水闸底板一般采用截条法简化为基础梁然后用查表的方法进行相应的内力计算。这种方法简单，但难以反映出结构的整体作用，有时与实际情况相差很大。

目前采用的方法有了很大的进步，一般可以根据水闸结构的特点，按两种结构模型将其简化。一种是同样采用截条法，但将闸墩、底板和地基作为一个整体简化为弹性地基上的平面框架结构，采用数值法或半解析法进行计算。这种模型可以在平面内考虑闸墩、底板和地基的相互作用，但无法考虑结构的空间效应。另一种是将整个水闸底板和地基作为一个整体简化为弹性地基上的基础板采用数值法或半解析法进行计算。这种模型可以考虑底板和地基的整体空间作用，但闸墩的作用只能用等效刚度来反映。当有抗震要求时，可按规范规定选取拟静力法或动力法进行抗震设计和计算。

闸室稳定计算宜取两相邻顺水流向永久缝之间的闸段作为计算单元，分析水闸在施工和运行过程中可能出现的工作情况，并选出其中起控制作用的情况，作为闸室稳定性的计算条件。地基整体稳定分析应根据地基情况、结构特点及施工条件进行。在各种运行工况下，水闸地基应能满足承载力、稳定和变形的要求。设计方案比选比较也是水闸设计中是必不可少的重要组成部分。设计方案比较主要是根据所获得的基本资料(水文、气象、地形、地质、规划、社会经济等)，在满足水闸功能及总体布置要求的前提下，从技术特性和经济性两方面进行多种设计方案的比较。将每个方案的优缺点分别列出，综合比较，最终选定设计推荐方案。整个分析主要包括:水闸的水力分析、闸室的结构计算、地基沉降、闸基的稳定。分析、水闸两岸连接结构设计与计算。

2 有限元分析水闸的现状

随着计算机硬件和软件技术的飞速发展，机器存储容量和计算速度的迅速提高，三维有限元法得到了越来越广泛的应用，它有着其它方法无可比拟的优点。以往的结构计算，对复杂的结构分析只能进行简化分析，三维有限元方法可以正确和精细地模拟复杂的水闸结构布置，准确地模拟荷载工况和约束条件。三维有限元法能够适用于各种型式的水闸分析，可以考虑软土地基的不均匀沉降、温度荷载、地震荷载的作用，可以反映水闸闸墩、底板在各种不同荷载工况下的应力分布规律，仿真分析水闸混凝土构件的开裂、屈服区域，模拟水闸配筋的效果等。

早期的有限元软件实质上只是进行结构数值计算的软件，其程序主要由单元分析、组装和求解组成，缺乏前后处理功能，可视化功能很低;从软件的功能上说，它解决问题的范围较窄、规模较小、适应性较差。这些特点，使得有限元软件对用户的要求很高，用户不但要熟悉有限元方法及其应用本身，而且还要对软件的输入方式、数据格式等有深入的了解。因此，这种软件用户本身就是软件的开发者，软件得不到广泛应用，而且因为缺乏前处理和交互功能，输入数据得不到及时的检查，造成很多不必要的麻烦。

近一、二十年来，随着计算机软硬件技术的日新月异和图形图像处理技术的发展，有限元前后处理技术得到了飞速的发展，涌现了大量优秀的有限元商业软件如ANSYS、MSC.Marc、MSC.Nastran、SUPERSAP、ABAQUS等，使得用户更加容易学习和掌握有限元分析技术，减少了人工生成和输入有限元模型的工作量和计算量，提高了分析、整理结果的速度，减少了差错的机会。但是这些软件都是一些通用性强的大型结构分析软件，包含了电子、机械、化学、航天、土木等众多领域，在处理水利工程结构计算工作时，不能充分发挥其优势，数据处理时，仍需输入较多辅助信息，十分不便于水工结构设计人员使用。、水闸属于薄壁结构，一般承受较大弯矩，工程中需要对其配筋。现在的配筋主要假定控制截面，求取截面内力，根据水闸设计规范进行计算配筋。而钢筋混凝土是一种很复杂的材料，同时具有开裂、压碎、塑性等诸多复杂力学行为，在三维条件下这些力学行为更加难以确定。采用三维有限元程序可以计算出正确的应力分布，再根据规范进行配筋，这样更合理可靠。

水闸挡水时，在闸上下游形成的水头差作用下会产生通过闸基及两岸的渗流，对水闸底部产生渗透压力，抵消水闸的有效重量，对闸室及两岸连结建筑物的稳定不利。土基或细砂地基的抗剪强度低，压缩性很大，而且往往分布不均匀，在闸室重量及外荷载的作用下，地基可能产生过大的沉陷或不均匀深陷。以往的稳定计算是根据规范中的公式来计算，这不能反映水闸的整体工作状态，尤其是地基对水闸的作用。采用有限元计算可以考虑水闸与地基的联合作用，准确地反映水闸的实际工作状态。

3结语

合理的分析模型应将整个水闸结构和地基作为一个整体进行计算，而空间有限单元法是十分理想的一种计算工具。这种模型可以有效地考虑闸墩、底板和地基的相互作用，可以方便地处理各种复杂的几何条件、物理条件和荷载条件。所得到的静力或动力计算结果可以正确反映实际工程情况。因而，一个安全可靠、经济合理的水闸设计应根据结构受力条件及工程边界条件进行，考虑不同荷载及其组合，采用不同的计算方法进行计算和复核。可以采用常规的平面截条法进行初步设计计算，再用空间有限元方法进行校核和优化。无论是平面还是空间计算，都要有效地考虑闸墩、底板和地基的相互作用。