[发明专利]基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法

说明书

本发明公开了一种基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，根据水闸闸室结构特点，建立了水闸闸室结构三维有限元模型，采用ADINA有限元分析软件，对水闸闸室结构进行了静力计算，并基于计算结果对受弯构件最大挠度限值、闸室结构应力、稳定和裂缝宽度等进行了复核。本发明提出了一种基于有限元数值模拟技术的闸室结构安全分析方法，该方法能有效地解决采用结构力学方法过于简化的问题，可为同类水闸结构安全复核提供相应的依据和参考。

技术领域

本发明涉及结构安全复核方法，具体涉及一种基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法。

背景技术

水闸是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，具有挡水和泄水(引水)的双重功能，在防洪、治涝、灌溉、供水、航运、发电等方面应用十分广泛。结构安全复核是水闸安全鉴定的重要组成部分，水闸工程量大面广，如果水闸结构安全不满足要求，将会在上、下游水荷载、淤沙压力、浪压力、土压力、扬压力、风荷载等多种荷载联合作用下发生破坏，造成严重的经济损失。因此，有必要对水闸结构安全复核进行研究。

目前，大部分学者采用结构力学方法对水闸结构进行抗震复核计算，事实上水闸属于三维空间薄壁结构，如按照常规平面方法简化计算，会忽略闸底板、闸墩、启闭机房以及交通桥等建筑物之间的联系作用，计算结果误差较大。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，解决目前结构力学方法对闸室结构安全复核中计算结果不准确以及不全面的问题。

技术方案：本发明所述的基于有限元数值模拟的闸室结构安全确定方法，包括以下步骤：

(1)根据水闸闸室的结构尺寸，建立三维水闸闸室结构有限元模型；

(2)基于ADINA有限元分析软件，输入预设的材料参数、边界条件和不同荷载，对水闸闸室结构进行有限元静力计算，得到各个荷载联合作用下闸室结构不同区域的位移和应力，其中，位移包括顺河向位移、横河向位移和竖直向位移，应力包括垂直向应力、第一主应力和第三主应力；

(3)根据步骤(2)的计算结果得到闸室结构受弯构件最大挠度数值，根据闸室结构受弯构件最大挠度数值判定受弯构件最大挠度是否满足安全需求；

(4)根据步骤(2)的计算结果得到不同荷载联合作用下闸室结构不同区域的第一主应力，根据得到的第一主应力是否超过混凝土动态抗拉强度确定较大拉应力区域，较大拉应力区域，采用结构力学计算方法进行复核；

(5)根据步骤(2)的计算结果得到作用于闸室结构上的全部竖向荷载和全部水平荷载，根据竖向荷载和水平荷载计算闸室结构抗滑稳定安全系数，根据闸室结构抗滑稳定安全系数判定是否满足安全需求；

(6)根据步骤(2)中闸底板处各节点的垂直向应力计算闸室基底应力不均匀系数，将得到闸室基底应力不均匀系数与允许地基承载力和应力不均匀系数允许值进行对比，判定闸室基地应力是否满足安全需求；

(7)根据步骤(2)计算结果，计算不同区域混凝土最大裂缝宽度，并与不同环境下钢筋混凝土结构最大裂缝宽度限值进行对比，判定混凝土最大裂缝宽度是否满足安全需求；

(8)根据步骤(3)-(7)的判定结果最终判定闸室结构安全性。

其中，所述步骤(2)中材料参数包括不同区域混凝土密度、弹性模量和泊松比，边界条件是闸底板底部施加三项约束，荷载包括自重荷载、水荷载、泥沙荷载、扬压力、土压力、浪压力、风荷载、公路桥荷载、启闭机荷载，混凝土的弹性模量采用等效的弹性模量，具体等效的公式如下：

式中，E_d为钢筋混凝土材料等效的弹性模量；E_c为素混凝土弹性模量；E_s为钢筋弹性模量；A_s为钢筋截面面积；A为混凝土截面面积。