复杂水闸闸室结构分析方法研究

《复杂水闸闸室结构分析方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、复杂水闸闸室结构分析方法研究（扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州225009）摘要：本文主要介绍采用Marc软件求解复杂水闸闸室结构在固定水位下的空间位移和主应力，利用程序提供的接触分析功能，构造闸室结构、灌注桩和地基结构的三维行限元模型來进行计算分析，得出整体结构的位移场和应力场，判断其整体强度和稳定性，并对在采用不同水闸底板结构情况卜的水闸工作性态进行分析评价。实例分析表明，对于复杂的闸室结构，利用三维有限元分析可更直观、精确反映建筑物整体强度与位移状况，采用整体式结构情况卜水闸适应地基不均匀沉降能力较强，采用分离式结构情况下底板更能体

2、现其结构的优越性。关键词有限元、复杂闸室结构、应力分析、计算模型1.问题的提出水闸作为水工建筑物的重要组成部分之一，近年来随着工农业生产的发展也发展迅速,水闸建没积累了丰富的经验，其结构越來越多样化。在复杂水闸闸室结构中，上下游段底板及闸墩可均为不同结构，且结构不同的闸墩均与上部撑梁相连，下游段柱状闸墩间也由撑梁连接，底板与闸墩间可以采用整体式结构浇筑，也可以采用分离式结构，设置施工缝。若闸墩下部有灌注桩，则反拱底板将不承受上部荷载作用，所有上部荷载重量由灌注桩承受。对于这样的水闸结构，各构件间受力复杂，目前还没有精确的理论分析方法以进行计算

3、。闸基下的地基反力分布也与底板的尺、h刚度、弹性模量:、荷载大小、分布等因素及地基的变形特性密切相关，常规计算方法无法全面的考虑到各种因素的共同作川，因而有必要采用三维有限元软件对其整体强度进行研究分析。2.计算原理及接触面处理MSC.Marc软件具有强大的建模功能，能自由灵活地建立实体模型、定义材料特性、施加各种荷载与约束，能根据问题的特殊要求划分网格，方便地生成有限元模型。有限元法的核心是建立单元刚度矩阵，有了单元刚度矩阵，加以适当组合，可以得到总体刚度矩阵，也就是得到总体平衡方程组。连续介质用有限元法离散后，取出其屮任意一个结点L在结点

4、上，作用有两种力，其一为变形单元对结点的作用力；其二为作用于结点的外荷载{/>}/。根据平衡条件，作用于结点上的合力应为零，即在结点之所有相邻单元的f点结点力之和与结点荷载平衡，列fli全部结点的平衡条件，得fli总体平衡方程组，EP:⑵e=l式中：［/d为总体刚度矩阵，由单元刚度矩阵组合而成，是一个稀疏的正定对称矩阵；｛利为全部结点的位移列向s;（门为全部结点的荷载列向s,包括直接作用于结点上的集屮荷载和所有分布荷载、初应力或初应变转换而成的等效结点荷载；称力单元刚度矩阵，它的元素表示当该单元e发生一定的结点位移时所对应的结点力，单元刚度矩

5、阵决定于该单元的形状、大小、方昀和弹性常数，而与单元的位貫无关，即不随单元或坐标轴的平移而改变。在Marc程序中，对于接触面的处理，一般是通过定义接触体和接触表来描述物体间的接触关系，接触关系类型包括接触、不接触和粘合三种。在接触表中定义接触提之间的摩擦系数、接触后分离所需的分离力、接触容差及可能的过盈配合值Uj。对于整体式底板结构，定义底板与闸墩间接触为粘合，对于分离式底板结构则定义底板与闸墩间的摩擦系数为0。在复杂水闸闸室结构中，通过无相对滑动的Glue功能和施加很大的分搁力把地基、灌注桩、闸墩结构粘连起来如一个整体，物体之间无相对滑动速

6、度，接触表面变形满足连续条件n。各种结构离散成八节点六面体单元等参单元，单元之间通过有限个点连接起来31。所考虑的荷裁按有关规范l4j进行处理。接触分析可分为6个步骤：（1）首先对建筑物工程进行平而网格划分，然后用MESHGENERATION菜单下的EXPAND命令扩展成三维立体网格；（2）在Marc软件中分别定义以上三个接触体为变形体，定义变形体过程中耑输入摩擦系数；（3）使川接触表定义接触关系及类型，这里只要考虑地基土与灌注桩两部分的接触关系；（4）定义边界条件，共有约束、自重、水重、渗透压力、浮托力以及上下游水平水压力等作用于建筑物之上

7、；（5）在JOB中选择定义好的荷载工况，选择输出结果选项以及计算参数后递交作业；（6）计算完毕后使用Marc提供的后处理功能查看结果51。3实例分析本文结合江苏省黄楼闸实例进行有限元计算分析研宄，并分析比较该水闸底板采取整体式和分离式两种结构I,水闸整体位移及应力情况。3.1概况黄楼闸位于复新河上游宋楼镇境内，是丰县复新河流域梯级水面三级控制工程，承担116.8km2防洪和排涝任务。该闸建成于1982年6月，规模为中型，闸室为开敝式，闸门共5孔，每孔净宽4.2m,闸门为钢丝网双曲扁壳结构，启闭机为2x8T手电两用螺杆式，设计行洪流量122.6

8、m3/s,设计上游蓄水位40.0m。交通桥设在闸室靠下游一侧，桥面净宽7m。3.2计算模型及设计工况（一）黄楼闸结构计算模型取黄楼闸整个底板、闸墩和一定范围内的地基