（水工结构工程专业论文）船闸闸室结构三维有限元仿真分析.pdf

摘要 本文论述了船闸结构内力分析的解析法及有限元法的原理、方法和步骤。介 绍 a b a q u s 有限元分析软件的主要模块、分析模型及分析流程。并以四川省嘉 陵江凤仪场船闸工程为例，分别采用解析法和有限元法对船闸闸室结构进行计算。 针对传统船闸结构设计的局限性，从有限元分析方法的角度出发，建立一套与船 闸结构有限元分析相适应的模型。在充分考虑到船闸闸室与周围土体( 岩土) 之 间的相互作用，以及闸墙后回填土中水位变动产生的荷载情况，计算船闸闸室结 构三维模型的内力分布。通过对船闸闸室结构五种不同工况下的结构计算，找到 最不利工况，并分析产生最不利工况的原因，提出相应的解决措施。讨论影响船 闸闸室结构设计安全性、稳定性的关键因子，找出考虑这些关键因子的优化设计 方法，并进行结构优化设计。主要研究内容如下： 1 、解析法分别计算五种不同工况下船闸闸室所受各种荷载，进行荷载组合， 得到结构内力结果，找到最不利工况，并按规范验证稳定性； 。 2 、采用a b a q u s 有限元软件建立三维船闸闸室模型，模拟主体结构与周围土 体( 岩体) 相互作用，调整设计参数，计算并分析结果； 3 、进行有限元计算结果与解析法计算结果对比分析； 4 、在分析计算结果过程中找到设计影响关键因子，进行结构优化设计。 关键词：船闸结构；内力分析；有限元；三维实体仿真；结构优化 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ea n a l y t i cm e t h o do fi n t e r n a lf o r c eo fs h i pl o c ks t r u c t u r e a n dt h ep r i n c i p l eo ff i n i t ee l e m e n t 、m e t h o da n dp r o c e s s t h e r ei sai n t r o d u c t i o na b o u t t h em a i nm o d u l eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y t i cs o f t w a r e 、a n a l y t i cm o l da n df l o w o f a n a l y s e b e s i d e st h i sp a p e rt a k e st h ep r o j e c to ff e n g y i ，j a i l i n gr i v e r s i c h u a np r o v i n c e ，a n d m a k e sa ni n t e r n a lf o r c ea n a l y s i so ni t sl o w e rp a r to fl o c kh e a db yu s i n ga n a l y t i cm e t h o d a n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d a st ot h el i m i t a t i o no ft h et r a d i t i o n a ld e s i g no fs h i pl o c k ，w e c a i le s t a b l i s ham o d e lt om a t c ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a c c o u n tt h ei n t e r n a lf o r c e d i s t r i b u t i o no ft h et h r e ed i m e n s i o n sm o d e l f u l lc o n s i d e r a t i o na b o u tt h ee f f e c tb e t w e e n t h es h i pl o c ka n dt h ea r o u n ds o i l ( r o c k ) a n da l s ot h es i t u a t i o no fl o a df r o mt h el o c kw a l l w h i c ha r r i v et ov a r i a t i o n a lw a t e rl e v e la f t e rf i l l i n gb a c k a c c o r d i n gt ot h ew a y so f a c c o u n t i n g f o rt h es h i pl o c ku n d e r5d i f f e r e n ts i t u a t i o n ，w ec a nf i n dt h em o s t d i s a d v a n t a g e o u ss i t u a t i o n ，a n dw ec a na n a l y s i st h er e a s o na n df m d o u tt h ew a yt os o l v e t h ep r o b l e m m e a n w h i l e ，w ed i s c u s st h es t r u c t u r a l s a f e t ya n dt h ef a c t o rt oe f f e c tt h e s t a b i l i t yo ft h es h i pl o c kf r o mt h ea s p e c to ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n df i n dt h e s i m p l i f i e da c c o u n tw a y t oc o n s i d e rt h ee f f e c t i v ef a c t o r t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r em a i n t od i s c u s sd u r i n gt h i sp a p e r ： 1 f o u n d i n gt h el o a do ft h el o c kf r o md i f f e r e n tf i v es i t u a t i o n sa c c o r d i n gt oa n a l y t i c m e t h o da n dg e tt h er e s u l to fi n t e r n a lf o r c eb yc o m b i n i n gt h el o a d s f r o mt h i s ，w ec a n f i n dt h em o s td i s a d v a n t a g es i t u a t i o na n dt e s tt h es t a b i l i t yb yu s i n gt h ec r i t e r i o n s ； 2 u s i n ga b a q u sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et ob u i l tt h em o l do ft h r e ed i m e n s i o n s m o d e lo fl o c kt os i m u l a t et h ee f f e c tb e t w e e ni n s t r u c t i o no fm a i nb o d ya n dt h ea r o u n d s o i l ( r o c k ) ，t h e na d j u s tt h ep a r a m e t e ra n dg e tt h er e s u l t sa c c o r d i n gc a l c u l a t i o n ； 3 c o m p a r ea n da n a l y s e st h er e s u l t sf r o mf i n i t ee l e m e n ta n da n a l y t i cm e t h o d ； 4 d u r i n gt h ep r o j e c t ，w eu n i t et h et e c h n i c a lw a yo fs p o tr e s e a r c h 、t h e o r ya n a l y s i s a n dd a t ea c c o u n t i n g ，u n i t et h ed e s i g np a r t y 、c o n s t r u c t i o np a r t ya n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h i n s t i t u t i o n st oh a v ea d e e pr e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs h i pl o c k k e yw o r d s ：s h i pl o c ki n s t r u c t i o n ；a n a l y s i so fi n t e r n a lf o r c e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； t h r e ed i m e n s i o n sf i n i t ee l e m e n t ；s t r u c t u r eo p t i m i z i n g 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： r 、j 日期：力芗罗年参月夕日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了，解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：卜了 指导教师签名：捌 日期：彻乡年z 月夕日 日期：7 1 年v 月9 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列 数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定 享受相关权益。 学位论文作者签名：卜丁指导教师签名：毒钟k 日期：蒯夕年年月夕日 日期：铆7 年中月夕日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出与研究意义 随着国家水路运输的大力发展，愈来愈多的水利枢纽建成运用。在取得发电、 防洪等综合效益的同时，为保证水路运输的连续性，通航建筑物必不可少。船闸 作为通航建筑物的主要型式，除满足船舶安全过闸外，其结构设计是否合理显得 尤为重要。因此，对船闸结构内力合理的分析和计算，是保证整个船闸结构体系 稳定性和安全性的关键。 由于船闸类型的多样性和结构型式的复杂性，船闸结构的受力状态各有不同。 所采用的施工方法和结构型式与船闸正常运行荷载作用下的内力有着密切的关 系。对船闸结构内力合理的分析和计算，是保证整个船闸结构体系稳定性和安全 性的关键。 对船闸闸室结构内力进行分析和研究的目的主要有以下几点： 1 ) 根据选定的设计方案，对结构的船闸闸室进行内力计算，分析不同工况下 结构产生的最大内力，找到最不利工况并分析原因； 2 ) 通过数值法对船闸闸室结构计算的研究，找到船闸闸室结构设计影响关键 因子，为结构优化设计提供理论依据； 3 ) 在施工前对结构内力进行分析和计算，以便对施工方法加以控制和调整。 总之，通过对船闸内力的分析和研究，可以为船闸闸室结构的设计提供依据， 对提高施工质量，保障结构安全，改进结构型式等具有重要的意义。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 船闸的类型 船闸结构按基本组成分为以下四部分：闸首、闸室、输水系统、和附属设施 ( 口门区、连接段、锚泊地、导航建筑物、靠船建筑物、闸阀门、启闭机械、电 器控制设备、通讯、助导航、运行管理等) 。 闸首是挡水建筑物，由两侧边墩和闸门构成，设有闸门及启闭机械；采用首 部输水系统的船闸，在闸首设有灌泄水系统。上闸首是该枢纽挡水前缘建筑物的 一部分( 闸室伸向上游的例外) ，将上游引航道与闸室隔开；下闸首和多级船闸的 中闸首是闸室的挡水建筑物，下闸首将闸室和下游引航道隔开，中闸首将两相邻 闸室隔开。 闸室是由上、下闸首和两侧闸墙围成的厢形空间，包括有效和无效两部分， 因形成似无盖的长方形厢，故又称闸厢，供过闸船舶安全停泊、升降和通过之用。 2 第一章绪论 采用分散输水方式的闸室设有输水廊道系统。当船闸灌水或泄水时，闸室的水位 由下游水位逐渐升到与上游水位齐平，或逐渐由上游水位降到与下游水位齐平， 停泊于闸室中的过闸船舶随着闸室水位的升降而升到上游水位或降到下游水位， 再由闸室驶出，完成过闸。 引航道是连接闸首与主航道的一段静水渠道，供过闸船舶停泊系靠、调顺、 会让和安全通畅进、出闸室之用。与上闸首相接的称上游引航道，与下闸首相接 的称下游引航道，在引道内设有主、辅导航建筑物和靠船建筑物。为使引航道成 为静水区域，一般在靠河、湖、水库侧设有防浪隔流建筑物，其上游或下游引航 道口门外的水域为引航道口门区。 船闸的结构型式很多，根据船闸各方面的特点，船闸可分为各种不同的类型。 1 ) 按照船闸所处的地理位置和航行船舶，可分为内河船闸与海船闸。内河船 闸是指建于内陆河流及人工运河上，供内河船舶航行的船闸。海船闸是指建于封 闭式海港港池口门、海运河及入海河口，供海船航行的船闸。与内河船闸相比， 海船闸的平面尺寸及门槛水深均较大，一般多承受双向水头作用，无上、下闸首 的区分。 2 ) 根据船闸级数的不同，可分为单级船闸与多级船闸。单级船闸是指只有一 个闸室的船闸；多级船闸是指沿船闸轴线方向有两个或两个以上闸室的船闸。与 多级船闸相比，单级船闸的船舶过闸时间较短，船舶的周转较快，船闸通过能力 较大。它的建筑物及设备集中，管理比较方便。但是，当船闸的水头较大时，采 用单级船闸，不仅过闸用水量大，而且灌泄水时高速水流挟带着巨大能量进入闸 室或引航道，将影响船舶的停泊及输水阀门的工作条件。此外，水头愈高，闸室、 闸首和闸门等结构愈复杂。如果船闸所处位置的地形、地址条件又受到限制时， 采用单级船闸在技术上和经济上都会产生许多困难，有时甚至是不可能的。在一 般情况下，当水头不超过2 0 m 时，宜建单级船闸。当水头超过2 0 m 而小于4 0 m 时， 应经过技术经济比较，以确定采用两级船闸或单级船闸。当水头超过4 0 m 时，应 进行两级或多级的比选。近年来，为加速船舶过闸、提高船闸的通过能力，多趋 向提高船闸的水头以减少船闸的级数，国内外都陆续建造了一些2 0 m 以上水头的 单级船闸。国内已建成的单级船闸水头最高达2 7 m ，国外已建成水头高达4 2 m 的 单级船闸。 3 ) 根据船闸线数，可分为单线船闸与多线船闸。单线船闸是指在一个枢纽内 只建有一座船闸。多线船闸是指在一个枢纽内建有两座及以上的船闸。船闸线数 的确定，取决于货运量与船闸的通过能力。在一般情况下，大多只建单线船闸。 只有单线船闸的通过能力在设计水平年内不能满足运量的需要时，或船闸所处河 段的航运对国民经济具有特殊重要意义，不允许因船闸检修等因素而可能发生断 第一章绪论 航时，才必须建造两线或多线船闸。通常是根据近期货运量先建单线船闸，根据 水运发展的可能预留位置，随着货运量的增加，再扩建第二线以及更多线的船闸。 4 ) 根据船闸使用特点，在己建的船闸中有广室船闸，具有中间闸首的船闸、 省水船闸、井式船闸以及闸梯( 又称设置中间渠道的多级船闸) 等各种类型。 1 2 2 船闸结构基本型式及构造要求 1 ) 闸室结构型式 闸室的横断面形状，基本上可分为梯形和矩形两种，前者称为斜坡式，后者 为直立式。斜坡式闸室由两侧岸坡和闸底构成，岸坡和闸底一般均需加以保护。 为防止闸室泄水时船舶搁浅在斜坡上，通常在其一侧或两侧设有垂直栈桥晗1 。 斜坡式闸室结构简单，施工方便，造价低。但在使用上存在许多缺点，主要 是闸室容积大，耗水量大，输水时间长；其次，闸室内经常而又迅速变化的水位， 容易使岸坡坍塌。此外，闸室内设置的垂直栈桥的维修工程量大。因此，斜坡式 闸室仅用于水量充足的航道上的低水头的小型简易船闸。斜坡式闸室的岸坡坡度 一般根据上、下游水位，岸坡土壤的性质和岸坡高度等因素，由整体稳定验算确 定；一般采用1 ：2 5 1 ：4 0 。为防止船闸输水时的局部冲刷以及渗流和冻融等对闸底 和边坡的破坏，一般采用干砌块石护面，并铺设反虑层口】。 直立式闸室避免了斜坡式闸室在使用上的缺点，现代船闸一般均采用这种型 式。直立式闸室根据地基的性质，可分为岩石地基上的闸室和土基上的闸室两大 类。建造在土基上的闸室又分为整体式和分离式两种结构型式。土基上的分离式 结构型式有：重力式结构、扶壁式结构、悬臂式结构和桩台式结构等多种；其中 重力式、扶壁式和悬臂式为工程实践中常用的结构型式。分离式结构的闸室多为 透水闸底，其两侧闸墙实际上是一挡土建筑物。以下分别介绍分离式和整体式闸 室结构： 重力式闸室墙的工作特点是依靠自重力和其上回填土力来维持闸墙的稳 定。一般适用于较好的地基。重力式闸室墙按断面型式有梯形断面和衡重式断面 两种。重力式闸墙的墙项宽度一般不宜小于0 6 m 。墙后填土不到顶的闸墙，墙顶 宽度应按使用要求确定。闸墙多采用折线形背坡，其底宽应满足强度要求和稳定 性要求，可根据墙高、水头、地基、荷载条件、回填土料、船闸与挡水建筑物的 相对位置等因素确定。根据己建船闸的统计，建在土基上的重力式闸室墙，当闸 墙断面为梯形时，墙底宽度一般为墙高的0 5 0 6 倍，底板宽度一般为墙高的 0 7 1 3 倍。当闸墙为衡重式断面时，底板宽度一般为墙高的0 5 0 7 倍，其中前趾 长度一般取为0 1 5 0 2 5 倍的墙高。重力式闸室墙按建筑材料可分为：浆砌条( 块) 石结构、混凝土结构和钢筋混凝土结构。( 1 ) 浆砌条( 块) 石重力式闸室墙，具 4第一章绪论 有节省钢材、水泥和木材等优点，而且对施工技术和机具要求较低，适用于当地 盛产石料的情况。浆砌条( 块) 石结构一般不考虑承受拉应力，墙身断面较大， 对地基的要求较高。( 2 ) 混凝土重力式闸墙通常具有与浆砌石重力式闸墙相同的 断面形状。在岩基上一般不设底板和前、后趾。混凝土重力式闸墙的优点是节省 钢材，可以采用机械化旌工，施工进度快；结构耐久性及抗渗性好。此外，闸墙 内便于布置纵向输水廊道。适用于船闸水头较大，有条件采用机械化施工以及石 料缺乏的情况。( 3 ) 配筋混凝土重力式闸墙的工作特点是利用闸墙后趾上的回填 土来提高闸墙的抗滑稳定性。闸墙后趾的长度取决于闸墙的水平滑移稳定性要求， 一般可取为o 7 1 0 倍墙高；前趾长度取决于地基反力分布状况，通常取为0 1 - 0 3 倍墙高，墙顶宽度应不小于0 6 m ，墙顶以下不同深度处的闸墙厚度取决于回填土 性质、地下水位的高低和混凝土的允许拉应力。由于配筋混凝土能承受一定的拉 应力，配筋混凝土重力式闸墙的断面比浆砌条( 块) 石和混凝土重力式闸墙小； 水泥用量较混凝土重力式闸墙少；同时由于闸墙墙身体积小，施工时一般可以不 考虑散热措施：但需耗用一定数量的钢材。 扶壁式闸墙由立板、肋板和底板组成。底板分趾板及内底板两个部分，扶 壁式结构各构件的尺寸由计算确定。为保证各构件之间的连接可靠，立板、肋板、 底板等连接部位应设置斜托，在各闸室段端部应布置肋板。扶壁式闸墙虽然是靠 底板以上的回填土重力和结构自重力来维持墙身稳定，但由于利用肋板和立板构 成薄壁t 字型或槽形断面，结构的断面较小，地基反力也较小，对地基承载能力要 求较低。其缺点是结构形态比较复杂，钢筋用量大，施工技术要求也较高。 悬臂式闸室结构是由闸墙、底板和后悬臂组成，在闸室总轴线处用纵缝将 底板分成对称的两半，在底板纵缝处设置止水装置形成不透水闸底。对称的结构 在底板纵缝处相互支撑，只传递水平推力，不传递弯矩和剪力，因而每半个闸室 底板的工作状态如同位于弹性地基上嵌固于闸墙的悬臂梁，其厚度自船闸纵轴处 向闸墙逐渐增加。闸墙与底板的断面尺寸根据强度和构造要求确定。闸墙顶部宽 度一般为0 4 0 6 m ；中缝处底板厚度应满足止水构造和传递两侧传来的水平推力 的要求，一般不小于0 6 m 。悬臂式闸室适用于地基的承载能力较低，且闸墙高度 和闸室宽度之比较大的情况。 板桩式闸墙是由板桩、拉杆及锚锭结构等构成。其特点是依靠板桩入土部 分的嵌固作用和通过锚锭结构把一部分荷载传至后方土体中来维持其稳定。为改 善板桩结构的工作条件与板桩的应力条件，减少板桩的厚度和入土深度，通常在 闸室底部设置横向支撑，作用于板桩式闸墙上的荷载由横撑、墙前土抗力、拉杆 共同承受。板桩式闸墙采用预制件，施工进度块；打入闸底以下的板桩可以增加 闸墙的防渗长度；但需具备打桩设备，同时板桩之间的接缝要求密实，以防渗漏， 第一章绪论5 造成填土的流失。板桩式闸墙适用于比较软弱的地基。根据板桩材料的不同，有 钢筋混凝土板桩和钢板桩。 整体式闸室是由两侧闸墙和底板联结在一起形成一口朝上的槽形结构，又 称坞式闸室结构。其工作状态如同弹性地基上的u 形框架。整体式闸室的地基反力 分布比较均匀；两侧闸墙相对位移小；无需考虑闸墙的滑移稳定及闸室的渗流稳 定问题。由于闸墙与底板刚性连接，可以适应不均匀沉陷。但底板与闸墙刚性连 接对底板的工作条件不利，若有不均匀沉陷，将在底板内产生附加应力。与悬臂 式闸室和双铰底板式闸室等结构相比，闸室底板所承受的弯矩较大，底板一般较 厚，钢筋用量也较多，对于大型船闸，为改善底板的工作条件，可以考虑在底板 中设临时施工缝，待闸墙沉陷基本稳定后再进行封缝，形成整体。整体式闸室结 构适用于水头较大，闸墙较高且地基交叉或具有软弱夹层的情况。 2 ) 闸首的结构型式 就闸首的结构而言，主要有整体式和分离式两大类型。为了保证闸首具有足 够的整体刚度，避免由于闸首边墩相对沉陷而影响船闸的正常工作，在土基上通 常采用整体式结构，即边墩和底板刚性连接在一起；土基比较坚实，如经论证边 墩的沉降不致影响闸门等设备的正常工作，可以采用分离式结构。在岩基上，一 般采用分离式结构；基岩较差或具有软弱夹层时，也多采用整体式结构。在整体 式闸首结构中，闸首底板一般均采用平底板。底板厚度可取等于( 1 3 5 1 4 5 ) 边 墩的自由高度，但不应小于其净跨的( 1 6 1 7 ) ，在粘性地基上取较大值，在沙性 地基上可取较小值。从己建在软基上的闸首现场实测资料可知：在即将放水前的 完建期，底板的工作条件最为不利，在这期间，往往由于回填土的压实，在底板 内产生较大的负弯矩，底板在没有任何保护措施的情况下可能遇到寒潮而突然降 温，将产生较大的温度应力。如果船闸底板较厚，混凝土中的水化热所引起的温 度应力与以上的附加内力叠加，底板将产生裂缝。为了改善软基上的底板在完建 期的工作条件，对于大型船闸可以采用“墩底分浇、预留宽槽、后期封合的措 施。即待边墩下的地基和回填土得到一定沉陷后，选择有利温度，再将临时缝封 合，这对改善底板的受力状态是极为有利的。至于闸首的边墩，在较好的地基上， 可采用混凝土和钢筋混凝土重力式结构。有时为了节省钢材，在一些船闸上，除 在边墩下部廊道部位和受力较大的支持墙段采用钢筋混凝土结构外，其它部分用 坞工结构。如果地基较差，闸首边墩可采用轻型结构如扶壁式结构、空箱式结构。 空箱式边墩结构的自重力小，底板面积大，因而地基反力较小。同时空箱的刚度 较大，承受闸门推力的整体性好。此外，如果闸首纵向地基反力分布不均匀，还 可在空箱中充填部分砂石或充水，以调整各种情况下的地基反力。但是空箱式结 构施工复杂，钢材及模板耗费较多。 6 第一章绪论 在岩石地基上采用的分离式闸首结构，其边墩的构造，在很大程度上取决于 基岩顶层和闸底的相对高程以及岩石的性质。它可以是重力式或衬砌式的。至于 闸底，当岩石比较坚实，裂隙较少时，可不设底板，只需将闸底基面加以平整即 可。若岩石的裂隙较多，闸底要承受较大的压力，而岩石又容许埋置锚杆时，可 将闸底做成有锚杆的衬砌底板。如岩石质量较差，不能埋置锚杆，但有足够的承 受能力和摩擦系数时，可将底板做成支撑于边墩上的板或倒拱结构，以承受扬压 力的作用哺1 。 1 2 3 船闸结构研究动态 迄今船闸结构研究包括船闸结构与周围土体( 岩体) 相互作用问题和船闸主 体结构两个方面。 1 ) 船闸结构与周围土体( 岩体) 相互作用问题研究现状 船闸结构与其它结构的显著不同之处是船闸结构全部或者部分埋置在土中， 周围岩土介质对船闸结构存在约束作用。在相互作用下，船闸闸室结构的响应会 不同于地面上的自由结构。船闸结构对周围地层会产生反作用，由于船闸结构的 反作用，地层的反应也将发生改变，这种现象称为土一结构相互作用1 。因此，不 同荷载组合作用下船闸结构的运动是船闸结构和土体共同作用、相互影响的结果， 对船闸结构一土体相互作用问题的研究是船闸结构设计的重要内容口1 。以往关于 结构- 土体相互作用的研究主要关注的是土体与上部结构的相互作用问题碡1 ，而对 船闸结构一土体相互作用的研究则相对较少呻1 。 河海大学的冯大江将结构、土体与结构接触面、土体看成一个系统中相互作 用的三个方面，采用d u n c a n 等提出的土的非线性本构模型n 和d e s a i 接触面单元1 ， 应用b i o t 固结理论n 幻，结合考察施工宽缝封合前后，地基固结时间效应，结构物浇 筑、边墩墙后回填土填筑，地下水位控制的相互作用与影响，对下闸首进行非线 性有限元计算及分析，对结构施工进度及加载过程进行模拟，得到了与原型观测 结果较为接近的结果。表明这种计算方法较为合理地反映了土与结构共同工作过 程中的力学特性n 引。2 0 0 3 年周清华结合b i o t 固结理论和d u n c a n & z h a n g 双曲线本构 模型既考虑了土体材料的非线性，又考虑了变形协调条件对固结过程对总应力的 影响，研究了墩底分浇式船闸闸首底板的算法n 钔。采用有限元法和连杆法计算了 施工期及一年运行期各阶段底板的内力，并进行了对比分析。结果表明应用b i o t 固结理论的非线性有限元法经实测资料验证能较好地反映地基与结构共同工作过 程中的力学特性。 针对三峡工程永久船闸三闸首区闸室开挖诱发的岩体变形特征，中国科学院 冯夏庭提出了一种复杂岩体变形、应力及损伤状态的智能分析方法。分析过程中 第一章绪论7 所涉及的岩体力学参数和本构模型利用现场监测到的位移进行智能识别，然后利 用所确定的参数和模型，考虑动态施工和环境诱发岩体损伤的影响，对复杂岩体 的变形、应力及损伤状态特征进行分析n 副。结果表明，由智能计算得出的中隔墩 顶面和两侧边坡直立墙的变形趋势与实测情况较吻合，而且开挖区表层附近出现 较大区域的塑性区，直立墙和中隔墩的中上部出现拉应力区，直立墙底部拐角处 出现应力集中现象。 桂全良设计三峡第6 闸首结构时，由于在外荷载作用下闸首边墩为衬砌结构 一锚杆一岩体联合受力的复杂空间结构体系，特别是闸首混凝土结构与岩体结合 面具有非线性受力特点，难以直接采用常规的结构与材料力学计算方法对其进行结 构计算分析。根据闸首结构受力特点，设计中采用了合理的计算假定和计算方法， 对结构进行整体稳定验算和应力、变形及锚杆受力计算n 阳。经计算分析，闸首结 构在各设计工况下均能靠结构自重满足整体抗滑稳定和抗倾稳定要求。边墩墙体 应力条件较好，大部分区域均处于压应力状态，局部拉应力区按强度及使用要求 加强结构配筋。墙体结构变形均很小，高强锚杆抗拉安全系数满足设计规定。 河海大学的徐明磊研究了双铰底板式船闸闸室结构一土体的相互作用理论以 及模拟无限域地基的人工边界的方法，重点研究了粘弹性人工边界n 刀的理论以及 有限元实现技术，借助a p d l 语言编制了粘弹性人工边界在a n s y s 中的实现程序， 以模拟无限域地基n 钔。通过对船闸闸室结构一土体的抗震分析，总结了双铰底板 式船闸闸室结构的振动变形受周围土基土壤约束作用的影响。 2 ) 船闸主体结构研究现状 船闸主体结构设计有解析法和有限元方法。解析法是按照国家相关规范采用 一系列简化方法进行的手工计算。优点是计算方法简单，手算既可完成。缺点是 无法真实反映三维结构受力特点。随着计算机科学技术的进步，有限元法作为一 种极为有效的数值分析方法，广泛地应用于土木、机械等诸多领域。利用计算机 对船闸结构进行有限元分析已成为现代船闸结构设计的趋势，人们只需将船闸结 构的模型、船闸结构所受载荷输入到计算机中，其它的处理过程全部由计算机来 完成。计算机可以自动对船闸结构模型网格划分、应力和变形计算，计算机还可 以对船闸结构进行模态分析。 船闸闸室结构研究现状 四川大学的王开云用有限元法建立了船闸闸室墙体的计算模型，正确分析了 闸室与岩基间的接触应力，合理地选取了有限元计算范围，充分考虑了闸室结构 与岩基的联合作用区域，将荷载准确地模拟到有限元模型上n 钔。非线性有限元法 计算成果表明，闸室闸墙与回填砂卵石直接接触面顶部存在局部脱开，中下部呈 现剪切滑移，闸室与底部岩基水平接触面处于弹性工作形态。 8第一章绪论 广西交通规划勘察设计研究院的刘康生运用s a p 5 有限元程序分析了贵港船 闸闸墙结构。就大体积混凝土结构有限元分析时的建模、单元划分、添加荷载及 约束、计算分析及分析结果后处理方法等做了叙述。同时引用了在该船闸( 前趾) 结构修改设计及施工阶段所作分析结果及应力结果幢。从计算结果可以看出：如 果仅仅是分析墙背突变处或后趾的应力状况，按平面问题处理是可以的；如果要 分析前趾结构应力，则应取结构段按三维问题分析计算，这样的计算结果才较为 合理、可靠。 河海大学的汪基伟采用钢筋混凝土有限元法分析船闸闸墙的裂缝成因、危害 和加固措施。计算结果表明，裂缝是由于结构未配置温度钢筋，由寒潮作用引起 的。因此，大体积混凝土结构应配置温度钢筋防止裂缝产生。结果表明，有限元 法是分析非杆系结构受力过程的一种有效方法乜 。尤其是在分析温度作用时，能 真实地模拟混凝土结构开裂过程，求得裂缝分布和宽度、钢筋应力，进而可判断 结构能否满足承载能力和正常使用极限状态的要求。 船闸闸首结构研究现状 河海大学的陆四雄通过对刘老涧三线船闸集中式输水船闸上闸首在施工过程 中产生裂缝情况的分析和研究，找出裂缝产生的主要原因，并提出了相应的预防 措施，为今后船闸在设计和施工中裂缝的产生和预防提供借鉴恤1 。周作茂在株洲 航电枢纽船闸上下闸首设计中陋钔，模拟了软弱岩石地基对闸首不均匀沉降的作用， 找到了闸首裂缝产生的原因，并提出了相应的预防措施和对策。 合肥工业大学的王丽军以临怀船闸为例，分别采用解析法和有限元法对其下 闸首进行了内力分析和研究洲，并与工程竣工钢筋应力测试结果相比较，得到有 限元法比解析法所得结果更加接近实测结果的结论。 船闸底板结构研究现状 长沙理工大学的曹周红在不同施工过程对坞式船闸结构影响的仿真模拟研究 中采用非线性有限元仿真分析的方法模拟施工过程。探讨了不同施工方法对船闸 底板内力的影响，并着重对预留宽缝施工方法进行了分析幢们。在此基础上，刘晓 平通过对多个船闸工程的研究，结合非线性有限元仿真分析方法，考虑重力、温 度等荷载，计算分析土基和岩基上坞式船闸结构底板预留宽缝施工方法的效果。 结果表明，对于岩基上的坞式船闸结构，底部采用预留宽缝施工方法，不仅能在 一定程度上减小自重荷载引起的底部负弯矩，更重要的是可以削弱基础对底板的 约束作用，从而减小温度荷载引起的船闸底板拉应力幢训。 重庆交通大学的吕洪根将根据规范设计的底板计算结果与原型观测结果、三 维有限元计算结果进行对比啪1 。认为按规范的设计方法，底板强度计算结果在门 前段是偏小的( 即规范的设计方法对底板负弯矩值估计不足) ，也无法考虑局部应 第章绪论9 力集中现象，可能对船闸底板受力带来不利。文献位钔也认为底板的空间作用和变 刚度作用，可能对船闸底板受力带来不利。 此外，弹性地基梁法也是计算闸室底板的一种计算方法。中南勘察设计研究 院的张军对岩基上闸室底板进行内力计算。将闸室底板整体视为弹性地基梁，根 据节点及梁段不同的刚度，通过离散化处理，使力学模型简明，计算结果与实测 值较吻合。河海大学傅作新总结船闸底板结构研究工作的经验，指出目前设计 中采用的解析法不能得到底板的准确内力，因此对负弯矩估计不足是软基上船闸 闸首底板发生裂缝的主要原因。强调对于大型船闸结构设计，应尽量同时采用三 维有限元法进行整体结构分析。长沙交通学院的刘晓平采用解析法和有限元法口1 】 对坞式闸室结构进行了计算比较，也得到相同的结论。 1 3 现阶段船闸设计存在的问题 综上所述，船闸结构的研究向整体相互作用和局部细节化两个方向发展。在 整体相互作用研究中，主要以岩土工程为主，考虑船闸对周围土体( 岩体) 的相 互作用。而船闸结构细节研究中，又以大体积混凝土裂缝研究为主。忽略了船闸 结构作为整体结构的研究。现将存在问题总结如下： 1 ) 在国内外船闸结构内力的分析中，主要是以解析分析法为主，即将结构进 行简化，以平面应变问题来计算结构内力，但是在很多结构复杂，体积庞大，受 力形式多样的船闸结构中，平面假设方法不能完全兼顾各个方面，也就是说在这 种情况下，以平面应变方法所计算出来的内力并不符合船闸的实际结构型式及受 力特点。即使应用平面有限元方法来计算船闸结构内力，但它还是基于平面体系 的，只是计算精度有所提高，并没有解决结构空间性的问题； 2 ) 船闸闸墙后回填土体中存在随不同工况变化着的水位，这个问题在船闸结 构一土体相互作用时还没有充分考虑； 3 ) 有限元法应用到船闸设计后，为全面了解船闸使用状态，内力分布等方面 提供了宝贵的经验。但在船闸优化设计方面还未提出一套完整的理论和方法。 1 4 本文研究内容 本文采用解析法和有限元法对船闸闸室结构设计方法的研究，实现了船闸闸 室结构三维有限元模型的计算恤1 。通过有限元软件建立船闸三维模型，采用空间 三维实体有限元法求解船闸结构内力，并分析计算结果对船闸结构安全性、稳 定性等的影响。综合全面考虑船闸的结构特点和受力特征，得到船闸真实工作情 况下的应力及变形数据，为船闸设计提供参考，并应用于工程实践。分析计算过 程找到结构设计影响关键因子，并进行结构优化设计泓】。主要研究内容如下： 1 ) 解析法分别计算五种不同工况下船闸闸室所受各种荷载，进行荷载组合， 1 0第一章绪 论 得到结构内力结果，找到最不利工况，并按规范验证稳定性； 2 ) 采用a b a q u s 有限元软件建立三维船闸闸室模型，模拟主体结构与周围土 体( 岩体) 相互作用，调整设计参数，计算并分析结果； 3 ) 进行有限元计算结果与解析法计算结果对比分析； 4 ) 根据计算结果找到设计影响关键因子，进行结构优化设计。 1 5 研究技术路线 1 ) 查阅国内外相关文献资料，综述船闸结构的设计理论、有限元分析方法的 现状； 2 ) 掌握a b a q u s 有限元软件进行船闸闸室结构计算的各种功能以及基于 a b a q u s 有限元软件结果分析的理论与方法； 3 ) 采用解析法，按照现行国家设计规范计算出五种不同工况下船闸闸室结构 的受力及结构稳定性； 4 ) 建立船闸闸室与周围土体( 岩体) 相互作用的有限元计算模型； 5 ) 采用有限元方法，按解析法相同参数计算出五种不同工况下船闸闸室结构 的受力及结构稳定性； 6 ) 进行解析法与有限元方法计算结果的对比分析。分析计算结果的不同之处 及其原因，探讨哪种方法更能真实反映船闸受力情况； 7 ) 找出船闸结构设计影响关键因子，对船闸闸室结构进行优化设计，并对比 分析优化前后的计算结果； 8 ) 总结全文研究内容，得出相应结论，并针对性地提出对船闸闸室结构设计 及工程施工中遇到问题的建议。 第二章有限元分析的理论基础 第二章有限元分析的理论基础 2 1 弹性力学基础 2 1 1 弹性力学基本方程 弹性体在载荷作用下，体内任意一点的应力状态可由6 个应力分量巳，q ， 吒，k 来表示，其中吒，q ，吒为正应力，l 为剪应力。 应力分量及其正方向见图2 1 。 图2 - 1 应力分量示意图 f i 9 2 1s t r e s sc o m p o n e n ts k e t c h 应力分量的矩阵表示称为应力列阵或应力向量： o - ) = 吒 o y o z t wf 忙 ( 2 1 ) 弹性体在载荷作用f ，还将产生位移和变形，即弹性体位置的移动和形状的 改变。弹性体内任一点的位移可由沿直角坐标轴方向的3 个分量”，v ，w 来表示。 其矩阵形式是： h = v ：【“vw 】r ( 2 2 ) 【w j 称作位移阵列或位移向量。 弹性体内任意一点的应变，可由6 个应变分量殳，0 ，乞，岛，比 吒q 吒勺 1 2第二章有限元分析的理论基础 来表示。其中，勺，乞为正应变，为剪应变。 应变的矩阵形式是： g ) = q s y s ： q 1 牡 y 。 = q y zy 砖y 1 ) z ( 2 3 ) 称作应变列阵或应变向量。 弹性力学的研究方法是：在弹性体区域内部，考虑静力学、几何学和物理学 三方面，分别建立三套方程。即根据微分体的平衡条件建立平衡微分方程；根据 微分线段上形变域位移之间的几何关系建立几何方程；根据应力域形变之间的物 理关系建立物理方程卯。 1 ) 平衡微分方程 弹性体v 域内任一点沿坐标轴x ，y ，z 方向的平衡方程为： ( 2 4 ) 其中万，万，万分别为单元体积的体积力在z ，乃z 方向的分量。 将式( 2 4 ) 写成矩阵型式为： 【彳】+ 7 ) = o ( 2 5 ) 7 是体积力向量，芦= 万万万 ；其中彳为微分算子： 【彳】= a 二00 缸 。旦。 砂 oo 旦 龙 旦。旦 如a z o y 0 z ( 2 6 ) 2 ) 几何方程 在微小位移和微小变形的情况下，略去位移导数的高次幂，则应变分量和位 一六 一 一z + + + 吃i 堕如虹i 一砂堡砂监砂 魄i 鱼缸眈i 0 a 一苏 a一如a一匆 a 一缸 。 第二章有限元分析的理论基础 移分量间的几何关系有： 几何方程的矩阵形式是： 其中l 为微分算子 【上】= a 甜 色2 _ 出 加 勺2 瓦 o w 巳2 万 锄加 岛2 2 瓦+ 瓦 却挑 5 岛2 瓦+ 瓦 o uo w 坛5 2 i + i c 2融 = u ) 0 0 a o z 0 a 勿 a o x 3 ) 物理方程 弹性力学中应力应变之间的转换关系也称弹性关系。 材料，应力通过应变的表达式可用矩阵形式表示： 仃) = 吲 占) 其中 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 对于各向同性的线弹性 ( 2 1 0 ) o a 一钞 oa一苏a一瑟 o a 一锄 o o a 一钞 o a 一瑟 1 4 第二章有限元分析的理论基础 纠= 瓦e 丽( 1 - y 丽) l 对 j l1 1 一 o0 业 2 ( 1 一) 000 oo00 称 1 2 a 2 ( 1 - 1 ) ( 2 1 1 ) 称为弹性矩阵。它完全取决于弹性体材料的弹性模量e 和泊松比。表征弹性 体的弹性，也可用拉梅常数g 和五： g ： 皇 ，兄： 垒丝 ( 2 1 2 ) 2 ( 1 + )( 1 2 ) ( 1 + ) g 也称为剪切弹性模量。它们有如下关系式 力+ 2 g ： 墨( ! 二丝! ( 2 1 3 ) ( 1 2 ) ( 1 + ) 2 2 有限元的基本理论与方法 2 2 1 有限元的基本思想 有限元法是2 0 世纪6 0 年代逐渐发展起来的对连续体力学和物理问题的一 种新的数值求解方法，它是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，有着自 己的理论基础和解题方法。有限元基本原理是对所要求解的力学或物理问题，通 过有限单元的划分将连续体的无限自由度离散为有限自由度，然后基于变分原理 或用其它方法将其归结为代数方程组求解。有限元法不仅具有理论完整可靠，形 式单纯、规范，精度和收敛性能得到保证等优点，而且可根据问题的性质构造适 用的单元，从而具有比其它数值解法更广的适用范围。随着计算机技术的发展， 它已成为涉及力学的科学研究和工程技术不可或缺的工具。对于工程技术人员来 说，在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件相对容易，但 是由于其几何形状，材料特性和外部载荷的不规则性，要求得解析解是很困难的。 有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的子域( 单元) 构成，其模型 给出基本方程的分片( 子域) 近似解。由于单元( 子域) 可以被分割成各种形状 和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、材料特性和边界条件。 一、，一 兰卜 o ，一孔 。 一叫一叫 o o 一，工 一1 i 第二章有限元分析的理论基础 由于有限元法在解决工程技术问题时的灵活、快速及有效性，再加上它有成 熟的大型软件系统支持，所以发展非常迅速。最初有限元法被用来研究飞机结构 中的应力问题，目前，其解题范围已经包括了各个领域( 固体力学、生物力学、 流体场、电磁场、温度场、声场) 的数理方程，已经成为解数理方程的一种非常 受欢迎的，应用极广的数值计算方法。 利用离散而成的有限元集合体代替原来的弹性连续体，建立近似的力学模型， 对该模型进行数值计算，通过对这些单元分别进行分析，建立其位移与内力之间 的关系，以变分原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构， 形成整体结构的刚度方程。 离散后单元节点的设置、性质和数目应根据问题的性质、描述变形形态的