水闸胸墙结构的有限元概述

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1、水闸胸墙结构的有限元概述第1章绪论1.1问题的提出水闸，是一种低水头水工建筑物，其主要作用是通过闸门的启闭控制流量和调节水位，同时还担负着防止潮水倒灌和讯期排泄洪（漠）水的功能，是水利工程中主要建筑物之一水间由上游连接段、闸室段和下游连接段三个部分组成，上下游连接段又包括防渗排水设施、消能防冲设施及两岸连接建筑物，其中闸室段是水闸挡水、控制过闸水流的主体部分，包括闸底板、闸壤、胸墙、闸门、工作桥、交通桥[5]等部分。目前，随着我国水利事业的不断发展，水利工程越来越起着决定性的作用，如控制主要江河洪水，提高抗御自然灾害，保证人民生

2、命财产安全，开发水力资源，发展水力发电，提高工农业生产和人民生活水平方面等。水利工程建设的目的是为了准确、安全的控制水流，为人类造福，而通过利用水闸，可以很好的控制水流，是控制水流的主要方法。水闸的间室中包含闸门、启闭机等金属结构，随着工程规模的日益增加，闸门尺寸、启闭机的启闭力都将会大大增加，尤其是上游水位变幅较大而过闸流量有控制要求时，利用胸墙挡水，可降低闸门高程及启闭力；另外，胸墙与闸墩相连，可以增加闸室垂直水流向的刚度，提高工程的可靠性和安全性，在地震区能提高水闸的抗震能力。可以大大减少工程投资。胸墙与闸壤的连接形式有简

3、支形式或固支形式。对于简支形式，工程设计计算中一般按两端简支在闸壤上计算，而固支形式按两端固支在间鐵上的计算方法。然而两种计算方法不能准确的反映实际情况，反映不出闸堪以及整个闸室对胸墙的影响。胸墙是水利工程中最常见的工程细部结构之一，它的设置是否经济合理将直接影响工程的安全运行和建成后的经济效益。因此有必要对胸墙的结构计算进行研究，完善其计算理论和方法。1.2胸墙的作用及构造胸墙是一般都是钢筋混凝土结构，在闸室中总是跟阐门配合使用，分为前置胸墙和后置胸墙[6-7]。前置胸墙即胸墙在阐门上游，在大、中型水闸中，这种结构比较常见，它

4、有如下优点：（1)门顶无水压力，可以减少启闭力；（2)启闭机杆或启闭用钢丝绳及其它支承部分不至于在水中长期浸泡而锈烛，不仅维护方便，还可以延长使用寿命，同时减少运行费用。如果闸门采用弧形闸门，这种前置胸墙也有缺点：（1)门顶无水，无法通过利用水柱压力而关闭闸门；（2)水压力大的情况下，容易将顶部止水橡皮压开，这时要防止闸门过分受压而翻转；（3)对间门的止水结构精度要求高。由前置胸墙的这些缺点知，它可以用在工程长期不间断运行，且止水要求不是很高的水闸上，如引水枢纽进水闸、引水渠道退水闸、冲砂闸和压力前池冲砂闸。后置胸墙，即闸门在上

5、游，胸墙在下游；这种结构型式通常在小型水闸或止水精度要求较高的工程中采用。后置胸墙也它的优点和不足，其优点有：（1)可以利用门顶水柱压力关闭间门，尤其是在用眷扬式启闭机的闸门时，可以减少闸门的自重；（2)闸门紧靠胸墙，使止水设备简单，止水效果较好且可靠；（3)可以增加闸室稳定性。缺点：（1)启闭机梁长期处于运行状态；（2)启闭设备以及支承部分，由于长期浸泡，使用寿命缩短，维修费用增加；(3)由于水压力作用，启闭力增加，工程投资增加。.第2章有限元计算理论2.1有限元法概述有限元法这种模型方法不是一般研究意义上的模型方法，它是一种

6、对初始模型再进一步模型化的方法。即在得到需要的分析模型后，有限元法再应用计算机数值模拟对结构进行研究，这样使传统的模型分析法与数学模拟法结合起来。这种结合具体体现在建立单元的位移函数、单元刚度矩阵和结构的总刚度矩阵的过程中。这个过程就是对最初的分析模型进一步进行数学描述的过程，即建立分析模型的数学模型过程。有限元法模型的分析过程如图2-1所示。有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元可以按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模拟成不同几何形

7、状的求解小区域；而有限元的基本思路就是对单元也就是小区域进行力学分析，最后再整体分析，即，化整为零，集零为整。2.2有限元分析软件ABAQUSabaqus[48-53]被誉为国际上功能最强大的有限元分析软件之一，尤其是在非线性分析领域，它即可以完成简单的有限元分析，也可以用来模拟非常庞大复杂的模型，解决工程实际中大型模型的高度非线性问题，融结构、流体、传热学、电学、声学，以及流一固耦合、热一固耦合、热一电稱合、声一固耦合于一体，具有驾驳庞大求解规模的能力。ABAQUS使用非常简便，很容易建立复杂问题的模型。对于大多数数值模拟用户

8、，用户只需要提供结构的几何形状、材料性质、边界条件、载荷情况等工程数据。在分析非线性问题时，ABAQUS能自动选择合适的载荷增量和收敛准则，并在分析过程中对这些参数进行调整，保证结果的精确性。此外，ABAQUS基于其丰富的单元库，可以用于模拟各种复杂的几何形状，