文档介绍：复杂水闸闸室结构分析方法研究
(扬州大学水利科学与工程学院,江苏扬州 225009)
摘要:本文主要介绍采用Marc软件求解复杂水闸闸室结构在固定水位下的空间位移和主应力,利用程序提供的接触分析功能,构造闸室结构、灌注桩和地基结构的三维有限元模型来进行计算分析,得出整体结构的位移场和应力场,判断其整体强度和稳定性,并对在采用不同水闸底板结构情况下的水闸工作性态进行分析评价。实例分析表明,对于复杂的闸室结构,利用三维有限元分析可更直观、精确反映建筑物整体强度与位移状况,采用整体式结构情况下水闸适应地基不均匀沉降能力较强,采用分离式结构情况下底板更能体现其结构的优越性。
关键词有限元、复杂闸室结构、应力分析、计算模型
水闸作为水工建筑物的重要组成部分之一,近年来随着工农业生产的发展也发展迅速,水闸建设积累了丰富的经验,其结构越来越多样化。在复杂水闸闸室结构中,上下游段底板及闸墩可均为不同结构,且结构不同的闸墩均与上部撑梁相连,下游段柱状闸墩间也由撑梁连接,底板与闸墩间可以采用整体式结构浇筑,也可以采用分离式结构,设置施工缝。若闸墩下部有灌注桩,则反拱底板将不承受上部荷载作用,所有上部荷载重量由灌注桩承受。对于这样的水闸结构,各构件间受力复杂,目前还没有精确的理论分析方法以进行计算。闸基下的地基反力分布也与底板的尺寸、刚度、弹性模量、荷载大小、分布等因素及地基的变形特性密切相关,常
规计算方法无法全面的考虑到各种因素的共同作用,因而有必要采用三维有限元软件对其整体强度进行研究分析。
,能自由灵活地建立实体模型、定义材料特性、施加各种荷载与约束,能根据问题的特殊要求划分网格,方便地生成有限元模型。
有限元法的核心是建立单元刚度矩阵,有了单元刚度矩阵,加以适当组合,可以得到总体刚度矩阵,也就是得到总体平衡方程组。连续介质用有限元法离散后,取出其中任意一个结点i,在结点i上,作用有两种力,其一为变形单元对结点的作用力;其二为作用于结点
i{P}的外荷载。根据平衡条件,作用于结点上的合力应为零,即在结点i,所有相邻单元的i点结点力之和与结点荷载平衡,列出全部结点的平衡条件,得出总体平衡方程组,即:
?K?{?}?{P} (1)
?K????k?e (2)
e?1M
式中:?K?为总体刚度矩阵,由单元刚度矩阵组合而成,是一个稀疏的正定对称矩阵;{?}为全部结点的位移列向量;{P}为全部结点的荷载列向量,包括直接作用于结点上的集中荷载和所有分布荷载、初应力或初应变转换而成的等效结点荷载;?k?称为单元刚度矩阵,e
它的元素表示当该单元e发生一定的结点位移时所对应的结点力,单元刚度矩阵?k?决定于e
该单元的形状、大小、方向和弹性常数,而与单元的位置无关,即不随单元或坐标轴的平移而改变。
在Marc程序中,对于接触面的处理,一般是通过定义接触体和接触表来描述物体间的接触关系,接触关系类型包括接触、不接触和粘合三种。在接触表中定义接触提之间的摩擦系数、接触后分离所需的分离力、接触容差及可能的过盈配合值[1]。对于整体式底板结构,定义底板与闸墩间接触为粘合,对于分离式底板结构则定义底板与闸墩间的摩擦系数为0。在复杂水闸闸室结构中,