基于Midas Civil的水閘機架橋三維建模與抗震分析

李建軍 王濤 孟曉祎

【摘要】隨著現(xiàn)代抗震設(shè)計的要求越來越高，機架橋的抗震安全將直接影響到水閘的控制運用，傳統(tǒng)擬靜力計算方法已無法滿足抗震計算的精度要求。基于上述考慮，提出了使用MIDAS Civil進(jìn)行機架橋抗震計算與分析的新方法，以典型結(jié)構(gòu)型式的機架橋建立三維模型，合理設(shè)置邊界約束與荷載條件，基于軟件庫中的規(guī)范地震動參數(shù)對機架橋進(jìn)行動力分析，獲得機架橋在靜力荷載與抗震工況下的內(nèi)力表現(xiàn)，為水閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】機架橋；Midas Civil；抗震分析；反應(yīng)譜

1、引言

水閘是一種低水頭水工建筑物，主要修建在大小河流的河道或輸水渠道上，利用閘門的開啟與閉合控制水流流量和調(diào)節(jié)水位。水閘閘門關(guān)閉時可以攔洪、擋潮或抬高上游水位，以滿足灌溉、發(fā)電、航運、水產(chǎn)、工業(yè)與生活用水等需要，閘門開啟時可以宣泄洪水、澇水、同時也可對下游河道或渠道供水，應(yīng)用十分廣泛。

機架橋是水閘的重要組成部分之一，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算方法是將機架橋的框架梁與框架柱簡化為順?biāo)鞣较蚝痛顾鞣较虻暮唵谓Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而采用數(shù)值法或半解析法進(jìn)行計算，沒有充分考慮到結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，同時，規(guī)范中嚴(yán)格要求對VIII度區(qū)水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計方法采用動力法，傳統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)靜力計算方法較為繁瑣，計算精度亦無法保證?；谏鲜隹紤]，提出了使用MIDAS Civil進(jìn)行機架橋抗震計算與分析的新方法，以典型結(jié)構(gòu)型式的機架橋建立三維模型，合理設(shè)置邊界約束與荷載條件，基于軟件庫中的規(guī)范地震動參數(shù)對機架橋進(jìn)行動力分析，獲得機架橋在靜力荷載與抗震工況下的內(nèi)力表現(xiàn)，為水閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)。

2、三維建模

Midas Civil軟件是由韓國浦項制鐵POSCO集團(tuán)于1989年開發(fā)，該軟件屬于有限元分析與計算機輔助設(shè)計的范疇，基于有限元分析技術(shù)的基礎(chǔ)研究與發(fā)展，通過將其與土木結(jié)構(gòu)的專業(yè)性問題有機結(jié)合，只需建立起完整的結(jié)構(gòu)三維模型并按照實際工況施加邊界荷載與各種約束條件，計算機便可自動完成各種工況下的內(nèi)力計算與分析。目前，Midas Civil已經(jīng)完全中文化，其內(nèi)嵌了國內(nèi)最新的水工設(shè)計規(guī)范，不僅能夠?qū)Φ湫徒Y(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，對于地震等特殊工況下的動力、穩(wěn)定分析同樣專注。由于其強大的功能，Midas Civil目前在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，已被各大公路、鐵路以及水利等行業(yè)廣泛采用。

機架橋為典型的框架類結(jié)構(gòu)，主要是由框架梁和框架柱組成，本次分析采用引黃水閘上的機架橋，其結(jié)構(gòu)型式為整體式混凝土梁肋結(jié)構(gòu)，下端固結(jié)于閘墩之上，墩頂高程42.3m，機架橋梁頂高程49.3m，框架柱受力鋼筋深入框架梁截面內(nèi)，可認(rèn)為橫梁與立柱組成剛架結(jié)構(gòu)，機架橋梁截面尺寸為450×1000mm，長10m，順?biāo)鞣较虼瘟航孛娉叽?00×800mm，長4m，框架柱截面尺寸450×450，高6m，下?lián)瘟航孛娉叽?00×600mm，長3m，面板厚20mm，傳統(tǒng)平面建模模型，由于機架橋細(xì)部結(jié)構(gòu)較多，主梁截面邊緣斜角與梁柱結(jié)合處的抹角較多，為節(jié)約計算時間，三維建模過程中采取了一定的簡化與假設(shè)，去除不必要的結(jié)構(gòu)件，認(rèn)為機架橋梁柱等構(gòu)件采用完全剛性連接的假設(shè)，即梁柱連接處共用節(jié)點?；谏鲜黾僭O(shè)，所建立的機架橋Midas Civil三維模型如圖1所示，機架橋混凝土強度等級采用《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的C25。

3、工況分析

處于強地震區(qū)的水閘，因強震造成的損壞較為嚴(yán)重，水閘在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)功能、等級和設(shè)防級別進(jìn)行必要的抗震計算。目前，我國和世界上多數(shù)國家的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中，在確定結(jié)構(gòu)的地震作用時均建議采用反應(yīng)譜法，特別是地震設(shè)計烈度為VII度或地基為可液化的1、2級水閘，在分析時更需要采用動力法而非擬靜力法。所謂的“反應(yīng)譜”就是單自由度彈性體系在給定的地震作用下，某個最大反應(yīng)量與體系自振周期的關(guān)系曲線。本次分析采用抗震規(guī)范給出的經(jīng)驗設(shè)計反應(yīng)譜，其不僅考慮了建筑場地類別的影響，也考慮了震級、震中距及阻尼比的影響，反應(yīng)譜分析函數(shù)的定義如圖2所示。

考慮到地震作用下，主梁以平動為主，因此將主梁用單梁模型模擬，將蓋梁、系梁等用空間梁單元模擬，按支座實際位置與性能模擬邊界條件。由于基礎(chǔ)剛度較大，計算模型中可將閘墩連接假設(shè)為固結(jié)處理，對機架橋框架柱底部全部自由度進(jìn)行約束。根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》，結(jié)構(gòu)分析荷載組合考慮基本組合和特殊組合兩種，具體工況為正常運用和地震工況下的實際參數(shù)，基本組合工況可獲得機架橋各構(gòu)件的靜力分析結(jié)果，而特殊組合則能夠獲得各構(gòu)件在地震作用下的內(nèi)力表現(xiàn)，通過兩者的疊加便可獲得最終的結(jié)果。作用在機架橋上的主要荷載主要包括自重、水壓力、風(fēng)荷載、浪壓力以及地震荷載等。根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，對機架橋進(jìn)行強度計算時，豎向荷載乘以動力系數(shù)1.05，水平荷載作用分項系數(shù)采用1.1。

4、仿真結(jié)果

正常運用工況下，依據(jù)所建立的三維模型，可獲得機架橋各構(gòu)件的內(nèi)力結(jié)果。由于水頭較高，水壓力與浪壓力對機架橋結(jié)構(gòu)強度的影響較為明顯，主梁彎矩164.58，剪力為162.47kN。次梁模型與主梁類似，均為簡支結(jié)構(gòu)，次梁的彎矩與剪力表現(xiàn)及其變化規(guī)律與主梁基本一致，彎矩為73.29。對于立柱而言，其下端與基礎(chǔ)固結(jié)，各個方向的自由度均被約束，同時，由于下?lián)瘟旱拇嬖?，使得立柱的彎矩與剪力均較小而軸力較大，彎矩為54.81，軸力239.57kN，剪力32.36kN。

正常運用工況下的機架橋彎矩與剪力分布如圖3與圖4所示，由于啟閉機布置位置的影響，主梁與次梁交界處彎矩最大，X與Y方向均為對稱形式，取X與Y方向的投影圖即可與簡化平面方法的結(jié)果進(jìn)行對比，從而驗證了Midas Civil仿真分析結(jié)果的有效性。

垂直水流方向組合地震，機架橋彎矩與剪力分布如圖5和圖6所示。由于主梁方向與地震方向平行，地震作用對主梁影響較小，而對立柱影響最大。由于地震作用，主梁彎矩206.78，比正常運用工況增加了42.2，剪力為164.17kN，由于主梁位置的作用，受地震影響較小，剪力僅增加了1.7kN。

次梁的彎矩與剪力表現(xiàn)與主梁不同，因次梁垂直于地震方向，地震作用對其剪力影響較大而對其彎矩影響較小。地震作用對立柱的影響最大，立柱彎矩110.31，比正常運用工況增加了55.5，軸力239.67kN，基本無變化，剪力為57.66kN，增加了25.3kN。

5、結(jié)論

與簡化平面計算方法相比，通過對機架橋進(jìn)行整體建模并仿真分析可以很方便的獲得各構(gòu)件的內(nèi)力表現(xiàn)，計算精度較高。Midas Civil適用于分析框架類的水工建筑物，特別是地震設(shè)計烈度為VII度或地基為可液化的1、2級水閘，能夠采用動力分析法直接獲得構(gòu)件彎矩、剪力以及軸力，為后續(xù)水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任德林.水工建筑物[M]， 河海大學(xué)出版社， 1990.

[2] 胡兆球. 水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)代計算方法及其應(yīng)用研究[D]. 江蘇： 河海大學(xué)， 2003.

[3] SL191-2008， 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] SL265-2016， 水閘設(shè)計規(guī)范[S].

[5] SL744-2016， 水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范[S].

作者簡介：李建軍，男，漢，1974年2月，黃河水利委員會工程建設(shè)管理中心，高工。長期從事工程建設(shè)與管理工作。