上海市水利工程设计研究院有限公司上海200062
摘要：该闸桥工程主要功能是防洪排涝，闸墩在各种使用条件下结构受力复杂，常规计算方法难以满足要求，因此采用有限元法对闸墩进行计算分析。本文以该节制闸闸墩为研究对象，以ANSYS软件为平台对闸墩在不同荷载组合工况下进行计算分析，尤其对闸门支墩等重点部位予以关注，其计算分析研究结果为工程设计提供参考，以利于改进和优化闸墩结构设计。
关键词：闸墩；有限元；支墩
1概述
该闸桥工程位于广州南沙区，其主要功能是挡潮、排涝、通航，并满足河涌两岸交通和旅游景观的需要，该闸桥为5孔拱桥，闸室布置在闸桥中孔，闸室为单孔，宽为16m，考虑到闸门运行、通航及景观要求，闸室长为32.9m。为钢筋混凝土整体坞式结构。水闸闸槛高程-2.80m，底板高程-3.30m，底板厚1.50m。工作们选用闸桥结合的液压弧型门门型，其特点是闸门藏于桥下，具有隐蔽性，闸顶交通桥兼做闸门门库。闸室两侧分别为两孔连接拱桥，净跨分别为15m和16m，闸桥总长度为82.40m，总宽度为26m，桥面顶高程为8.35m，中部为14m宽车行道，两侧各设6m宽人行道，闸桥荷载按公路-Ⅱ级设计，闸桥两侧与两岸现有堤防直接相连。
2有限元模型的建立
2.1计算范围及模型
在建立有限元模型时，为了能精确反映堰闸段周边的应力分布规律，计算基础深度取1.0倍闸室高度80m，上游基础长度取50m，下游基础长度取150m，左右两侧基础长度与节制闸闸室宽度相同。闸室周边结构缝按自由边界对待，基础按固定边界对待，建筑物基础面按设计开挖形状考虑。根据闸墩结构尺寸建立实体模型，然后对实体模型进行网格划分，闸墩混凝土本构模型为线弹性模型，网格划分均采用六面体单元，单元类型为solid45，网格划分单元尺寸为0.5m。闸墩有限元模型见图3。坐标系x向为顺水流方向，y向竖直向上，z向垂直水流方向。
2.2计算假定
（1）假定材料为均质弹性、各向同性的连续体，不考虑混凝土的应力重分布；
（2）不考虑闸桥整体变形对闸墩应力的影响；
（3）不考虑闸墩顶部启闭设备荷载。
2.3材料力学参数
闸室底板混凝土强度等级为C40，混凝土弹性模量取3.25×104N/mm2，闸墩和支墩混凝土强度等级为C45，混凝土弹性模量取3.35×104N/mm2，泊松比取0.167，容重取25kN/m3。
2.4计算挡水水位组合
水闸计算挡水水位组合见表2-1：
表2-1挡水水位组合表
2.5计算荷载与工况组合
完建工况，非常荷载条件：自重；
反向挡水：设计（校核）水位静水压力+闸门支铰推力+自重+扬压力；
正向挡水：设计（校核）水位静水压力+闸门支铰推力+自重+扬压力；
反向（正向）挡水启门瞬间：设计水位静水压力+闸门支铰推力+液压启闭机力+自重+扬压力；
闸门全开工况：正向挡水设计水位静水压力+闸门支铰推力+锁定装置力+自重+扬压力。
水压力按面力施加在闸墩表面，支铰推力、液压启闭机力及锁定装置力施加在节点上。
3计算结果分析
由于弧门推力较大，且推力方向与闸墩表面不在同一平面内，同时闸墩承受的荷载及结构形式相对复杂，不同工况下闸墩的应力分布不均匀且变化较大，采用结构力学等常规的方法很难客观评价闸墩应力的状况，因此宜采用三维有限元法来详细分析结构的应力水平和变形趋势。本文正是利用通用软件ANSYS对闸墩进行了三维有限元分析，从而进一步验证闸墩设计的可行性和合理性。
（1）在完建工况下，闸墩和支墩产生的最大拉应力为0.04Mpa，最大压应力为0.16MPa，其应力峰值较小，满足混凝土的抗拉与抗压强度。
（2）在反向挡水工况下，闸墩和支墩产生的最大拉应力为1.17Mpa，出现在支墩最大压应力为0.72MPa，其应力峰值满足混凝土的抗拉强度。
（3）在正向挡水工况下，闸墩和支墩产生的最大拉应力为0.79Mpa，出现在支墩最大压应力为1.50MPa，其应力峰值满足混凝土的抗拉强度。
（4）闸门开启瞬间工况下，在反向挡水时产生的最大拉应力为0.65Mpa，出现在支墩顶部，最大压应力为0.59Mpa，出现在闸墩与支墩结合处。在正向挡水时产生的最大拉应力为0.61Mpa，也出现在支墩顶部，产生的最大压应力为1.15Mpa，出现在支墩支铰处，其应力峰值满足混凝土的抗拉、抗压强度。
（5）闸门全开工况下，在支墩支铰处产生的最大拉应力约0.2Mpa，在闸墩底部产生的最大压应力为0.47MPa，其应力峰值满足混凝土的抗拉、抗压强度。
（6）对各个工况下的计算结果进行对比分析，在支墩支铰处出现的最大拉应力值为1.17MPa，范围为150mm，所以其配筋计算如下：
4结论
对闸墩及支墩在各工况下的计算结果进行分析，得出以下几点结论：
（1）经计算分析，闸墩及支墩在各个工况下的应力峰值较小，符合混凝土应力控制标准，满足闸墩运行要求。
（2）根据应力分析结果对闸墩、支墩进行了配筋计算，并满足混凝土结构配筋构造要求。
（3）通过三维有限元计算分析，最终确定闸墩及支墩的结构尺寸，并将计算分析结果运用于工程实际中。
参考文献：
[1]SL191-2008，水工混凝土结构设计规范[S]．
[2]SL265-2016，水闸设计规范[S]．
[3]朱伯芳.《有限单元法原理与应用》（第二版）.北京：中国水利水电出版社，1998
[4]江见鲸，陆新征，叶列平．混凝土结构有限元分析[M]．北京：清华大学出版社，2005
作者简介：
李振龙（1983-），男，汉族，硕士研究生，工程师，主要从事水工结构方面设计与研究工作。