第
39卷第3期2017年3月
YELLOWRIVER
人民黄河
V〇1.39 ,No.3Mar.,2017
【工程勘测设计】
基于
ABAQUS复杂闸室结构的有限元分析
钱秋培2,3,徐志峰4,包腾飞
Uu，3,陈迪辉U2,3,金盛杰U2,3
苏南京210098
(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江
2.河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏南京
;
210098;
3.河海大学水利水电学院，江苏南京210098; 4.南京水利科学研究院，江苏南京210098)
摘要：闸室结构复杂时，简化对结构应力计算影响较大，利用
ABAQUS建立模型计算结构应力可以减小简化对结果的
影响。以底板结构中空的某节制闸为例，对其进行有限元仿真分析，计算水闸在正常蓄水位工况时的应力与变形。根据 计算结果可知，水闸在正常蓄水位工况时的安全状况良好；闸墩支座部位的应力较大，特别是在不利工况时；地基土层软 且分布不均匀，翼墙处位移较大。关键词：节制闸；
ABAQUS;有限元；应力分析；变形分析
中图分类号：TV213.9 文献标志码：A doi:10.3969/j.iwn.1000-1379.2017.03.024
Finite Element Analysis of Complex Chamber Structure Based on ABAQUS
QIAN Qiupei'，2,3，XU Zhifeng4，BAO Tengfei'，2,3，CHEN Dihui'，2,3，JIN Shengjie'，2,3
(i.State Key Laborator^^ of Hydrolog^^-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University, Nanjing 210098, China；
2.Nationa1 Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety, Hohai
University，Nanjing 210098，China; 3.Co11ege of Water-Conservancy and Hydropower，Hohai University，Nanjing 210098，China;
4.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210098，China)
Abstract: When structure is complex，simplifying the structure has a great influence on calculation of the stress. In order to reduce the impact of the simplification，establishing three-dimensional finite element model and using ABAQUS to calculate the stress of the model. Taking a sluice with hollow floor structure as an example，it carried out the finite element simulation analysis and calculated the stress and defor^na- tion of sluice under the working conditions of the nor^nal storage level. According to the calculation results，the sluice is in good condition under the working condition of the nor^nal storage level. The stress on bearings is large，especially under unfavorable conditions. Due to foundation soil layer is soft and is in uneven distribution，displacement of the wing wall is larger.Key words: sluice; ABAQUS; finite-element; stress analysis; deformation analysis
水闸结构应力传统计算方法如反力直线分布法、倒置梁法等，很难反映结构的整体作用,甚至会有较大 的误差[|]。另外，水闸的混凝土结构较复杂时，传统 方法简化较多无法实现仿真的效果。而目前,将整个 闸室和地基基础作为一个整体建立三维网格模型，采 用有限元的方法分析计算更为经济有效，这种方法能 够考虑到复杂的边界约束条件、荷载工况和底板与地 基之间的接触作用等，可较大限度地反映水闸的实际 状况，从而使计算的应力更具备参考价值[2-6]。本文 应用有限元仿真分析方法，分析某节制闸的应力及变 形,验证此节制闸结构在正常蓄水工况下的安全性。
2.1模拟范围和网格划分
为了减小边界条件选取对计算结果的影响，该节
收稿日期
基金项目：国家自然科学基金资助项目（
江苏省杰出青年基金资助项目（高等学校
博士学科点专项科研基金资助项目（)。作者简介钱秋培（—)，女，江苏南通人，硕士研究生，研 究方向为水工结构安全监控。
：
宣泄河道上游区域以及水库的来水，保障县城的防洪安全。
采用水闸与溢流坝相结合的布置形式，中孔设闸、 两边孔设堰。闸室共1孔，单孔净宽24.0 m;闸墩采用 钢筋混凝土空箱结构，宽6.0 m，闸总宽36.0 m，闸室纵 向长度为30.0 m;闸底板廊道段采用空箱结构，闸上游 底板采用空箱结构，结构净高3.8 m。
2模型建立
=2016-03-21
1工程简介
某节制闸为中型水闸，工程等别为m等，主要作用是：
51139001);
:1993
51579086,51379068,
BK20140039);20120094110005
在非汛期关闸蓄水,满足上游区域的灌溉要求;在汛期开闸 • 104 •
E-mail 781633046@ qq.com
人民黄河2017年第3期
制闸模型高程范围取14.5〜-50.0 m，平面顺河向从闸 底板分别向上、下游延伸45.0 m和40.0 m，横河向从 翼墙向两岸延伸30.0 m。
按照底板一闸域一&流堰一翼墙一地基的顺序对 模型进行剖分，闸和基础采用空间8节点六面体等参 单元。模型整体坐标系Z轴正向指向下游，F轴正向 指向左岸，Z轴竖直向上。该节制闸三维有限元网格 模型见图1。
闸门门叶绕底轴旋转以实现启、闭。建模时简化闸门 部分，闸门门叶和闸门底轴竖向压力以等效支座力的 形式施加在8个固定在闸底板上的支座上，支座的等 效情况见图2。计算时采用结构力学计算器进行等效 计算，水压力分配在两支座，采用等效的铰接形式。
图1
节制闸三维有限元网格模型
2.2材料属性
混凝土变形模量为29.0 GPa，泊松比为0.167,容 重为24.5 kN/m3;碎石变形模量为10.0 GPa，泊松比为 0.20,容重为24.0 kN/m3。地基土体参数见表1。
表1
地基土体物理力学参数岩土名称
密度/
弹性模 泊松内摩擦 黏聚力/
(kg. m_3)量/MPa比角/(。）
kPa
2-0-0粉质黏土
96014.2250.30
11.9
35.83-0-0粉质黏土99016.1500.3013.246.34-0-0含黏性土角砾1 7001 0000.2634.03 0005-1-0强风化安山岩2 1003 2000.2342.07 0005-2-0中等风化安山岩2 400
4 0000.20
45.0
10 000
2.3荷载施加
蓄水期，水闸建成并正常运行。正常蓄水位工况 下，蓄水上游水位为8.0 m，下游水位为7.0 m，边墩支 座、闸室墙壁、闸室底板受静水压力作用，底板底部受 地下水位竖直向上的扬压力作用，闸门自重和挡水压 力以支座力形式施加在底板上。另外，翼墙外侧填土 会产生填土压力以及在水闸结构上存在因忽略上部建 筑物而产生的等效荷载。
正常蓄水位工况荷载：自重+填土 +上部建筑荷 载+水压力+扬压力+支座力。
为便于计算，模型对岸墙后填土进行简化，以填土 压力的形式将荷载施加在岸墙上。
此外，模型中简化了溢流堰部分，蓄水期溢流堰混 凝土压力以等效荷载的形式施加在溢流底板面上，将 不规则溢流堰断面等效成规则三角形断面，断面有效 密度由等效面积法得出。
实际工程采用底轴驱动翻板闸门，中孔闸门门叶 刚性固定在底轴上部，底轴通过多个轴承座连续支承 在闸底板上，底轴两边伸入闸墩墙内，底轴的两端部设 有拐臂，两边闸墩中的液压启闭机通过驱动拐臂带动
3模型计算
3.1应力分析
正常蓄水位工况应力云图见图3。分析得出：横 河方向闸室底板、边墩墙壁主要受拉应力，最大拉应力 为1.930 MPa，出现在左侧边墩墙壁顶部承受上部建 筑物荷载的位置;顺河方向闸室多处位置出现拉应力， 集中出现在底板中空结构上部和边墩支座，底板中空 结构附近拉应力较大，分布不对称，最大拉应力为 0.827 MPa，出现在左侧边墩支座;竖直方向水闸竖向 应力局部小范围为拉应力，主要集中在闸室底板内部、 边墩支座及边墩墙壁上，可能是应力集中造成的，最大 拉应力为1.769 MPa，出现在边墩墙壁顶部。
另外，观察各云图可以发现，在结构对称且荷载对 称的条件下，由于地基不对称，因此云图都不是标准的 轴对称，顺河方向应力分布的不对称最为明显。支座 力体现为集中力，在有支座力存在的闸门位置，会产生 一定程度的应力集中现象。特别是出现支座失效时， 应力分布状况显著改变，应力集中现象更加显著。
考虑到在实际的运行中会出现闸门受力支座失效 的情形，考虑三种可能的失效情况进行结构计算。正 常工况与失效工况顺河向应力分布情况见图4。正常 工作工况和支座失效工况下，支座作用的位置处应力 均发生突变且拉应力较大，最大拉应力均出现在工作 的支座位置。不同工况下，闸门支座处的顺河应力、横 河应力以及竖向应力见表2〜表4。可见，当支座失效
• 105 •
人民黄河2017年第3期
时，正常工作的支座承受与原先相比更大的荷载，最大 拉应力明显增大，不利于水闸安全。
工况
表2
支座位置顺河向应力
MPa
0.036-0.001
-0.0520.141-0.054-0.055
0.1240.088
支座A1支座B支座C支座D支座E支座F1
0.068-0.0200.483-0.027
0.065-0.044-0.0620.213
0.038-0.070-0.078-0.087
-0.003正常工作
支座4、5、6、7失交效0.139支座5、6、7失效-0.186支座4、6、7失效0.027
表3
工况
支座位置横河向应力
MPa
0.201
0.0790.0800.080
0.0980.3250.2990.241
支座 A1支座 B支座C支座 D支座 E支座 F1
0.1950.0720.7250.072
0.4650.3400.3310.616
0.4780.3530.3510.347
0.111正常工作
支座4、5、6、7失交效0.338支座5、6、7失效-0.185支座4、6、7失效0.157
表4
工况
支座位置竖直向应力
MPa
-0.438-0.048
-0.040-0.750-0.040-0.667-0.040-0.485
支座 A1支座 B支座C支座 D支座 E支座 F1
-0.442-0.044-2.000-0.043
-0.617-0.066-0.065-1.236
-0.618-0.067-0.066-0.066
-0.052正常工作
支座4、5、6、7 失效-0.754支座5、6、7失效0.838支座4、6、7失效-0.192
综上所述，正常蓄水位工况下，整个闸室各个方向的 最大拉应力均在钢筋混凝土材料的可承受范围之内，所 以可以粗略地判断闸室安全。不利工况下，拉应力有增 大的趋势，由于钢筋混凝土的受拉性能差，因此需要合理
■
ml
管理及安全运行以避免不利工况出现。3.2变形分析
鉴于地基土层的压缩性，在闸室自重以及外荷的 作用下，地基产生一定程度的不均匀沉降。仿真模拟 结果表明:翼墙的沉降量比闸室部位的沉降量大，左侧
:)竖直向应力S33
沉降量大于右侧沉降量。沉降呈现不对称性，见图5。
根据计算结果，日常管理中，需要加强观测闸墩及 翼墙位置的垂直位移。对变形较大的混凝土部位，产 生的裂缝等损害需及时进行养护与修理[7—11]。
图3
正常蓄水位工况闸室整体应力云图（单位:Pa)
图4
支座顺河向应力云图（单位:Pa)
■■mm•106.
人民黄河2017年第3期
参考文献：
图5
正常蓄水位工况闸室部分变形（单位:m)
4结语
本文应用有限元仿真分析的方法对某节制闲进行
应力与位移计算，结果表明某节制闸结构应力及位移 在安全范围内。在运行期，要尽量避免不利工况出现， 加强实时监测，对地基不均匀沉降带来的结构破坏应 及时修补完善，以确保水闸安全运行。
基于ABAQUS的有限元分析方法在结构复杂的 水闸应力分析及安全评估中不仅能够最大化模拟真实 结构布置，而且能够考虑地基土层分布对闸室结构的 影响，是目前水闸分析中一种有效便捷且经济合理的 方法。
[1] 李路华.基于ABAQUS的水闸与地基相互作用分析[D].
济南：山东大学，2014:5-7.
[2] 卢羽平.水闸参数化三维有限元分析软件的研究[D].南
京:河海大学，2005:3 - 6.
[3] 梁景奇.基于ABAQUS的水闸闸室三维有限元分析[D].
石河子:石河子大学，2014:2-5.[4] 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.[5] 高瑞强，胡威.下浦水闸三维有限元分析[J].广东水利水
电，2014(8):13-15.[6] 杜思义，张海龙.影堂水闸结构的静力计算分析[J].四川
建筑科学研究，2014,40(5):29-32,38.
[7] 王湘伊.浅谈北疆供水工程水闸的运行管理[J].中国水
运（下半月），2014(6):194-195.
[8] 曾维杰.浅谈中小水闸主要计算[J].中国水运（下半月），
2015(4):176-178.
[9] 付杨.水闸安全运行管理要点[J].吉林农业，2015(11):78.[10] 王东旭，武亮，黄商.Hypermesh网格划分技术在复杂拱
坝建模中的应用[J].计算机工程与科学，2013,35(6): 186-190.[11] 方海挺，顾冲时.AutoCAD和有限元软件的联合建模及
计算[J].水利与建筑工程学报，2005(3):22-24.
【责任编辑张华岩】
(上接第103页）
3.4消能率
通过设置上下游过水断面，运用水力学消能率经 典公式计算水流在台阶式溢洪道上的沿程消能率，在 设计流量下，体形1的消能率最低，消能效果较差，体 形3在设计、校核流量下消能效果均最佳（见表3)，可 见优化方案效果显著。
表3 4种台阶模型消能率对比
消能率/%
体形1
234
台阶级数26314562
设计工况88.0590.9791.6290.66
校核工况75.3576.0580.9675.17
(3)台阶水平面内侧时均压强最小并接近零;台阶竖直面上压强最小值出现在台阶顶端，初始台阶受水流冲击力大，在台阶内部易形成旋滚;末端台阶受壅水影响无负压产生，时均压强不随来流量发生规律性变化。参考文献：
[1] [2] [3][4][5]
曾东洋台阶式溢洪道水力特性的试验研究
.[D].西安:西
安理工大学，
2002:36-39.
任雨，王承恩，刘斌.阶梯式溢洪道水平面上时均压强试
4结论
(1)
运用FLOW-3D软件对溢洪道三维水流进行数
值模拟，结合试验表明，计算结果与实测结果相吻合，说 明该数值模型可应用于台阶式溢洪道方案的优化i设计。
(2)
[6][7]
体形1含有过渡段，最大流速大于其他3种
台阶模型。通过对比原设计方案与优化方案可见，不 设过渡段可以大大减小台阶的最大流速，在水流达到 稳定后，流速相差不大，最大值均不超过15 m/s。
[J].人民黄河，2009,31(6):117-118.
郑阿漫.掺气分流墩台阶式溢洪道水力特性的研究[D]. 西安:西安理工大学，2001:11-15. 李玲，陈永灿，李永红.三维VOF模型及其在溢洪道水流 计算中的应用[J].水力发电学报，2007,26(2):83-84. 包月进，王月华.基于FLOW-3D软件的溢洪道三维水流 数值模拟[J].浙江水利科技，2012(2):5-9.
王导勇.数值模拟技术在台阶式溢洪道台阶段优化设计中的应用[J].湖南水利水电，2013(5):8-10.
左东启.模型试验的理论与方法[M].北京:水利电力出 版社，1985:45-48.
验研究
【责任编辑张华岩】
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