基于软件ANSYS的水闸分析

基于软件ANSYS的水闸分析

于志博１　朱健聪２

（１．华北水利水电大学，河南　郑州　４５００００；２．河南省水利勘测设计研究有限公司，河南　郑州　４５００１６）

水闸底板是闸室的重要组成部件，其不仅具有防冲和防摘要：

渗的作用，而且承担上部结构重量和传递荷载的功能，其安全性在一定程度上决定了整个闸室的安全，因此对其结构进行深入研究具有重要的理论和现实意义。

水闸；底板；弹性地基梁；ANSYS软件关键词：

本论文以龙湖出口控制闸工程实例为研究对象，鉴于稳定

计算结果，在七种工况下，选取较不利的三种工况，先采用弹性地基梁法（弹性地基梁程序）在三种工况下进行计算，得出三种工况下的弯矩值，找出弯矩值最大值的位置；再利用有限元法（ＡＮＳＹＳ），建立三维有限元模型，对位移、应力、应变进行分析，找出第一主应力的最大值位置，然后通过两种分析方法下的结果，进行比较，从而得出最不利工况以及最不利位置，相互验证，从而为底板结构设计提供了重要的参考依据，增强了结论的可靠性。

１．ＡＮＳＹＳ软件工程应用概述

有限元法在水利工程中的应用主要体现在工程评价方面，利用有限元软件对一些比较重要的，如水闸等水工建筑物进行评价。目前使用最为广泛的是ＡＮＳＹＳ软件，它是通用性软件，因而在各个领域均有应用。利用ＡＮＳＹＳ软件对水闸的主要应用，进行模拟各类水闸的施工过程及其闸室段各结构在使用阶段所受到的各种荷载作用下（如水位变化对闸门的水压力变化荷载，地震荷载对闸室结构的作用等），结构是否满足安全需要的评价，同时还可以进行模拟闸室在浇注混凝土时的温度场，各类荷载工况下所产生的应力场等，通过模拟的结果进行分析［１］［２］［３］，由分析结果进行强度校核，必要时采取加固处理等措施。

２．ＡＮＳＹＳ软件的分析步骤

首先要进行数据前处理，也就是建立有限元模型，由于ＡＮＳＹＳ本身无统一单位功能，在输入数据时应将数据进行单位统一。前处理主要的工作是进行结点、单元、材料物理量等数据的准备与输入，然后进行结构体的网格划分、生成结点与单元数据。模型的建立通常有两种方法，一种是在ＡＮＳＹＳ软

件中直接建立模型，通常这种方法针对一些结构规则，不复杂的模型；另一种方法是通过ＡＮＳＹＳ的ＣＡＤ几何模型接口功能，ＡＮＳＹＳ提供强大的各类ＣＡＤ软件的直接接口与中性几何文件接口［４］，包括ＳＡＴ、ＣＡＴＩＡ、ＩＧＥＳ、ＵＧ、ＰＡＲＡ、Ｐｒｏ／Ｅ及ＣＩＦ等多种几何文件。

对模型进行有限元分析计算，这个阶段主要是对模型施加荷载和控制边界条件，再对结构体进行平衡微分方程的求解。其中分析类型中，包括有静态分析、瞬态分析、模态分析、谱分析、谐波分析及子结构分析等。施加荷载时，只需将各类荷载直接加到所指定点、线、面上，ＡＮＳＹＳ会自动将荷载分配到有限元模型上，同时对收敛准则等需要进行定义设置。

最后对计算结构进行后处理，即进行数据分析、整理，并判断结果的合理性，绘制云图、曲线、等值线等，这些属于通用后处理部分，动力及瞬态分析主要在时间历程后处理部分进行，其主要进行模型在各时间步上的结果，一般绘制数据时间曲线及曲线变量之间的代数运算［５］［６］。

３．　ＡＮＳＹＳ水闸分析

(1) 材料单元类型选取

对模型材料的选取，本文就在地基基础，选取的是ＳＯＬＩＤ４５单元进行模拟；闸体本身采用的是ＳＯＬＩＤ６５单元模拟，该单元与ＳＯＬＩＤ４５单元（三维结构实体单元）的相似，都可以模拟一些抗压能力远大于抗拉能力的材料，如混凝土、岩石等效果好。ＳＯＬＩＤ６５单元可以模拟混凝土的加筋情况，依照对钢筋的处理方式，可以分为分离式、整体分布式和组合式。由于该单元多定义三种不同加固材料，使其可以模拟开裂（三个正交方向）、压碎、塑性变形以及徐变等能力［７］。

ＳＯＬＩＤ６５单元总刚度矩阵表达式为，　

　（１）

其中，为所加固体材料的数量，最多加设三种［８］。而是所加入材料的体积率，也就是配筋率。

为混凝土材料的刚度矩阵，因为材料中有加入其他材

料，其应力应变表达式可用，

倍开挖深度左右。

（２）基坑开挖阶段中，土体水平位移曲线呈“凸”型，邻近桩体的土体向坑外移动，且距离桩体越近水平位移值越大，最大值为２２．０ｍｍ；向坑内位移最大值为８．４ｍｍ，出现在１．５倍开挖深度左右位置。基坑开挖引起的地表水平位移的影响范围在６倍开挖深度左右。

（３）支撑以上围护桩向坑外侧移，支撑以下围护桩向坑内侧移，最大侧移值一般出现在开挖面以下。

（４）由于基坑所处土层性质差，基坑坑底回弹量较高；不同开挖阶段均为基坑中间位置回弹量最大；对坑底土体加固能够有效减少坑底回弹量，基坑设计人员可通过数值模拟在经济型和安全性两者之中合理确定加固深度。

参考文献

[1]王桂平, 刘国彬. 考虑时空效应的软土深基坑变形有限元分析[J]. 土木工程学报, 2009(4):114-118.

[2]曹力桥. 软土地区深基坑开挖坑底隆起的有限元分析[J]. 岩土工程学报, 2013(s2):819-824.

[3]郭享, 孙开妍. 软土地基基坑工程有限元分析[J]. 石油工程建设, 2005, 31(6):13-17.

[4]何超, 陈沛, 周顺华. 软土基坑宽度效应对坑底隆起的影响[J]. 华东交通大学学报, 2015(6):82-87.

[5]吴才德, 曾婕, 成怡冲,等. 深基坑开挖空间效应对周围土体及邻近隧道的影响研究[J]. 建筑结构, 2016(2):91-95.

[6]刘畅, 张亚龙, 郑刚,等. 季节性温度变化对某深大基坑工程的影响分析[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(4):627-635.

[7]张戈, 毛海和. 软土地区深基坑围护结构综合刚度研究[J]. 岩土力学, 2016, 37(5).

[8]杜磊, 王育平. 软土地层深基坑隆起变形规律及其对周围建筑物的影响[J]. 施工技术, 2016, 45(15).

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（２）

而则为第ｉ种材料的刚度矩阵，局部坐标下，其钢筋的应力应变关系也可以表示为，

（３）

(2) 本构模型

对水闸本构模型选取中，混凝土的非线性对结构有重大影响。本文对闸室部分，应用加筋混凝土，即在各荷载作用下，钢筋混凝土的应力应变关系，建立的模型基于连续介质理论，结合钢混的特性，必要时需要调控所建模型中的参数。钢混本构模型中包括线弹性、非线弹性、弹塑性以及其它理论，应用较广泛的是非线弹性和弹塑性两种本构模型［９］。对于线弹性理论，为我们所熟知，其服从胡克定律，应力应变呈线性关系；非线弹性应力－应变，虽然一一对应，但不呈正比，其应力状态与加载历史无关，仅由应变状态决定，其中包括增量型（Ｄ－Ｐ模型）与全量型（Ｏｔｔｏｓｅｎ模型），对于弹塑性模型，是将破坏面和屈服面分开处理，混凝土强度在未到极限前，由屈服面理论，塑性变形主要来影响应力应变关系，当曲线处于下降阶段时，其非线性关系受到内部裂纹影响，可由破坏准则做评判，包括ＶｏｎＭｉｓｅｓ、Ｄ－Ｐ、ＴＲＥＳＣＡ、Ｗ．Ｆ．Ｃｈｅｎ、Ｎｉｌｓｓｏｎ等屈服准则。

(3) 破坏准则

混凝土的破坏准则是根据混凝土自身的特点的基础上建立起来的。在古典强度理论中，混凝土受压破坏准则按受压情况有以下几种［１０］，见表１，

表1混凝土受压破坏准则

基于这些古典强度理论，这些理论不能充分对混凝土材料的破坏曲面特征进行表述，因为古典强度理论对材料的参数要求只有一到两个。后期人们进行了大量多参数模型强度试验，统计并拟合曲线，得到一些实用的参数模型，如Ｂｒｅｓｌｅｒ－Ｐｉｓｔｅｒ、Ｗｉｌｌａｍ－Ｗａｒｎｋｅ三参数模型，Ｏｔｔｏｓｅｎ四参数模型和Ｗｉｌｌａｍ－Ｗａｒｎｋｅ五参数模型。

(4) 网格剖分原则

ＡＮＳＹＳ软件具有非常强的网格划分功能，可以对模型进行自由划分、映像划分、自适应划分、以及延伸部分划分等。根据模型具体需要，对应力集中区域，重点区域有必要进行细部划分。在划分前，需要对网格的密度进行必要的控制，如果网格划分合理，可以得到高精度的计算结果，确保准确捕捉场量的分布与梯度变化等情况。对于捕捉塑性区域的产生位置、扩展过程及最终塑性区域的大小要求在适当的区域内划分较密的网格，具体实际工程是根据自己的分析目的和问题的性质等情况来划分网格的密度控制的［１１］。本次水闸模型采用的是自由划分，对三维实体采用的是六面体，闸底网格较细，地基基础随深度增加，较为粗糙稀疏。

结论：

本文主要针对有限元法的基本思想、基本特点和基本步骤作了简单详细说明，介绍了弹性力学的基本假定和基本概念，对ＡＮＳＹＳ软件的应用、操作、以及本文所需要在ＡＮＳＹＳ中选取的单元类型、本构模型及网格划分等问题作了简要概述，希望能对水闸结构稳定分析做出一定的参考意义。

参考文献

[1]邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册.北京:人民邮电出版社,2007.1.

[2]李黎明编著.ANSYS有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版社,2003.

[3]任青文编著.非线性有限单元法[M].南京:河海大学出版社,2003.

[4]Saeed Moaveni．Finite Element Analysis:Theory and Applications with ANSYS 2nd Edition)[M]．New Jersey:PRENTICE HALL.2006.

[5]博弈创作室.ANSYS 9.0经典产品基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社，2006.02.[6]龙驭球．有限元法概论(上下册)[M].北京：高等教育出版社，1991.

[7]李围.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[8]ANSYS基本过程手册.美国ANSYS公司北京办事处,1998.[9]刘远明.水闸可视化设计系统研究及应用[D].河海大学硕士论文,2004.

[10]ANSYS, Inc.Theory Manual.001369.welfth Edition.AS IP,Inc.[11]Bathe，K．J．nd Khosshgoftaar,M.R.Finite element free seepage analysis without mesh iteration．Intern J．for Numerical Methods in Geomechanics.V01.3,1979

作者简介：于志博（1992.07- ），男，汉族，河南漯河。单位：

华北水利水电大学，在读工学硕士，研究方向：水工结构工程。朱健聪，单位：河南省水利勘测设计研究有限公司

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