弧形闸门闸墩受拉区数值分析

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摘要：本文采用数值分析方法，对弧形闸门闸墩受拉区应力进行了分析，对工程设计有一定的借鉴意义。

关键词：弧形闸门牛腿闸墩受拉区数值分析

中图分类号：TV663文献标识码： A

1. 工程概况

某节制闸闸室总长20m，总宽23.2m。闸室分3孔布置，每孔净宽6.0m，底板高程78.441m，墩顶高程90.732m。闸室为开敞式钢筋混凝土整体结构，中墩厚1.3m，边墩顶厚1.0m，底厚1.8m，底板厚1.8m。设置3扇工作闸门和2扇检修闸门，工作门为弧形钢闸门，检修闸门为平面滑动叠梁门。门库布置在闸室两侧，地下结构。

当采用弧形闸门时，闸墩上设置有牛腿以支承弧形闸门的支臂。当闸门关闭时，二分之一的闸门推力由门轴支承传至牛腿，因而牛腿处闸门内有较大的集中应力。

2. 倒虹吸结构计算模型

2.1基本参数

闸底板高程78.441m，闸门高7.8m，孔口宽度6.0m，闸门半径10.975m。闸室混凝土强度等级C30。牛腿宽度b=1.5m，高度h=2.1m，牛腿中心高程为86.441m，如图1所示。

图1牛腿结构图

2.2模型建立

把闸墩当成固接于底板的悬臂结构进行建模，把计算出来的支铰处的力施加于牛腿上，分析牛腿的受力与闸墩受拉区域。中闸墩、边闸墩单元划分见图2和图3。

图2中闸墩单元划分图

图3边闸墩单元划分图

2.4计算方案

本次数值模拟建立三维模型，仅选取以下两种不利工况进行分析，即

工况1：闸门全关承受静水压力：支铰最大反力1117.5kN，与水平线夹角31.1384°；支铰最大侧推力79.4 kN（支铰反力、侧推力计算过程略）

工况2：闸门全关在启门瞬间，闸门承受静水压力和启门力叠加作用：支铰最大反力1307.3kN，与水平线夹角36.4109°；支铰最大侧推力91.8 kN

3. 计算结果分析

3.1中闸墩

有限元分析表明，牛腿处闸墩内有集中应力，工况1最大值为1.3MPa，工况2最大值为1.52MPa。在距离牛腿1.5m左右处，两工况应力分别为0.52MPa和0.61MPa左右。

工况1 工况2

图4中闸墩混凝土主拉应力分布图

3.2边闸墩

有限元分析表明，牛腿处闸墩内有集中应力，工况1最大值为1.32MPa，工况2最大值为1.56MPa。在距离牛腿1.5m左右处，两工况应力分别为0.4MPa和0.6MPa左右。

工况1 工况2

图5边闸墩混凝土主拉应力分布图

4. 结论

从上述分析成果及主拉应力分布图可以看出，牛腿处闸墩内有较大的集中应力，在离牛腿不远处即得到良好的扩散。但牛腿处闸墩内集中应力，需要配置扇形钢筋解决，可以参照水工混凝土结构设计规范中进行钢筋面积计算；钢筋长度可参照本计算结果的受拉区范围进行选取。

本文通过对弧形闸门闸墩牛腿受拉区有限元分析，得出牛腿处闸门内有较大的集中应力，解决了牛腿处闸墩受拉区钢筋长度的配置问题。本文也为同类工程计算提供了经验。

参考文献

[1] 姜勇，张波，ANSYS7.0实例精解，清华大学出版社，北京，2003,11

[2] 王勖成，邵敏，有限单元法基本原理与数值方法（第二版），清华大学出版社，1997.3

[3] SL191-2008，水工混凝土结构设计规范[S]

[4] 水闸设计，华东水利学院，上海科学技术出版社，上海，1983.6