1、船闸闸首部位结构内力的非线性有限元分析摘要：考虑结构材料和几何尺度等非线性因素，应用 ABAQUS 有限元软件建立船闸闸首部位的三维数值模型；通过合理设置闸首部位边墩、底板、回填土和地基之间的接触，分别计算不同工况条件下闸首的结构内力；在验证计算成果合理性的基础上，探讨采用解析法和有限元法进行结构内力分析的优缺点及其适用条件。 关键词：船闸结构；内力分析；非线性因素； 中图分类号：U641 文献标识码： A 有限元法闸首是船闸的关键部位，闸首的安全稳定是整个船闸正常工作的重要保证。闸首是典型的空间结构，目前关于闸首的计算方法包括将空间问题简化为平面问题的解析计算法和平面与三维的有限元分析计算法
2、，由于受到各种条件的限制，以往的船闸设计主要以解析法为主，但该方法不能真实反映船闸三维结构的受力特点，即使是应用平面有限元方法来计算船闸的结构内力，还只是提高了计算精度，并未真正解决闸首的空间结构问题。利用计算机软件对闸首结构进行有限元分析，要按照计算机程序的要求，输入闸首的结构模型、闸首所受结构荷载等基础数据，可针对闸首的结构模型自动划分计算网格，进行应力与变形计算，并进行模态分析。 ABAQUS 有限元软件能够处理复杂的力学计算和模拟高度非线性问题，具有丰富的材料模型库和模拟任意实际形状的单元库，能够模拟大多数典型工程材料， 包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩性高弹性
3、泡沫材料的性能和各种土体、岩石等工程地质材料的性能。本研究中应用 ABAQUS 有限元软件建立船闸闸首部位的三维模型，综合考虑船闸的结构特点和受力特征，采用空间三维实体非线性有限元法求解船闸闸首部位的结构内力，可得到船闸实际工况下闸首的结构应力和变形等数据。 1 工程概况 某船闸按 3 级水工建筑物设计，船闸下游闸首由底板和左、右两侧的边墩组成，总长 30 m，其中门前段长 8 m、门龛段和门后段的长度同为 11 m，两侧边墩的宽度均为 14 m。 闸首底板采用 C25 钢筋混凝土，边墩采用 C15 混凝土，廊道采用 C35钢筋混凝土，采用钢结构人字闸门。船闸地基主要由砂质粘土岩组成。上述材料
4、的物理力学参数，见表 1。 2 闸首的有限元模型与求解计算 2.1 有限元模型和计算方法船闸闸首的三维结构有限元模型，底板宽度 B=40 m，地基水平方向的工作范围 L=3B，地基深度 H=1.25B；在 12 m位置处设置结构缝，两侧边墩的距离为 16 m。在进行整体有限元分析时,将底板视为整体，材料参数的选取和解析法计算时相同。根据有限元分析单元网格划分的原则，结合闸首的结构受力分析，模拟边墩、底板、回填土和地基土之间的相互作用，为减少锐化网格消除了部分尖角，以使计算结果更接近实际情况。本模型中共有 78 421 个单元，91 620 个节点。闸首模型结构采用六面体单元 Hex，底板和边墩
5、单元的最大尺寸为0.8 m，廊道底部单元的最大尺寸为 0.4 m，空箱部位和阀门侧面单元的最大尺寸为 0.6 m，回填土单元的最大尺寸为 1.5m，地基土单元的最大尺寸为 2.5 m。有限元分析计算基于非协调模式单元 C3D8I 和二次缩减积分方法。船闸闸首模型的网格划分，见图 1。 2.2 非线性因素的处理在建模过程中，综合考虑材料非线性、几何非线性和接触非线性等因素，计算闸首的结构内力。计算模型中的材料均按理想弹塑性体考虑，混凝土材料的本构关系采用 Hooke 定律，地基土的本构关系采用 Mohr-Coulormb 模型；在模型计算分析*STEP 选项 中,把 NLGOM 参 数 设 为
6、ON，并 在 节 点 上 用*TRANSFORM 选项定义局部方向，在整个分析过程中始终保持不变，且不随变形而转动，并利用 INC参数指定允许的最大增量步数为 25；采用主从接触算法，由主控面和从属面构成接触对，完整的接触模拟包括定义接触对和定义接触面的本构关系，在闸首结构建模过程中，需要考虑边墩与底板之间（BD） 、边墩与回填土之间（BH） 、回填土与地基之间（HD）和闸门与边墩支持墙之 间（MQ）的相互作用，并设置相应的接触参数。有限元模型中的接触关系设置，见表 2。 2.3 闸门的处理 人字闸门属于空间结构，为准确反映闸门的工作状况，选用板壳单元模拟人字闸门的面板、浮箱板、主横梁、竖向隔
7、梁的腹板与翼缘、门轴柱和斜接柱的组成板件等；选用空间杆单元模拟人字闸门的背拉杆。闸门的每个节点均包含 6 个自由度，在闸门顶枢的水平面内，分别沿 2个拉杆的方向布置连杆约束，在闸门底枢处则沿竖直方向布置连杆约束；闸门关闭时在门轴柱的支枕处，沿闸门拱压力方向设置位移约束，在闸门中缝斜接柱处，沿船闸纵轴线的垂直方向设置位移约束。 3 结 语 1）应用 ABAQUS 软件建立的船闸闸首三维有限元模型，可模拟闸首任意部位的三维空间受力、位移状况，在结构优化设计时能快捷方便地实现各种组合的对比分析，绘制的三维受力、位移云图能直观地反映闸首的真实状态； 2）建模时采用有限深度和宽度模拟地基，由于地基表面的接触线不断在变化，真实模拟极易出现尖点，网格划分时由于形状突变形成的奇异网格，也容易出现应力集中，以致计算无法收敛。因此，建模时应对地基表面的接触线进行适当简化，以消除其尖点，这与真实情况略有区别； 3）基于 ABAQUS 有限元软件对闸首的受力情况进行三维非线性有限元分析，有限元法与解析法的计算结果吻合较好，说明采用有限元法可计算闸首的整体稳定、应力和应变等数据，有限元方法具有精确高、直观形象等特点。
