基于Midas仿真優(yōu)化的蘇州河泄流孔加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析研究

司黎晶，何妙妙，馮淑琳，王子凱

（1.鎮(zhèn)江市工程勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.吳中區(qū)水務(wù)局，江蘇 蘇州 215104）

水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定了工程安全穩(wěn)定運(yùn)營的長久性，而水工設(shè)計(jì)需經(jīng)多次優(yōu)化，獲得最佳設(shè)計(jì)方案，取得最適配工程的設(shè)計(jì)參數(shù)，工程竣工后運(yùn)營安全與成本才屬最優(yōu)。為此，李寧霄、施得兵等、陳斌等利用物理模型試驗(yàn)理論，按照實(shí)際工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行原模復(fù)制，在室內(nèi)建立水工模型，加以相應(yīng)的運(yùn)營工況荷載，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的比選優(yōu)化，為工程設(shè)計(jì)提供實(shí)踐參考。另有一些學(xué)者參照已有工程設(shè)計(jì)方案，基于現(xiàn)有工程的長期運(yùn)營監(jiān)測，判斷設(shè)計(jì)方案利弊性，綜合考慮擬建工程的適用性，這也是工程設(shè)計(jì)優(yōu)化的一種重要手段。無論是物理模型試驗(yàn)方法還是運(yùn)營監(jiān)測已有工程方案，比選優(yōu)化成本較高、周期較長，因而數(shù)值仿真手段逐步得到廣泛應(yīng)用。寧威鋒、楊海全、龐敏敏利用ABAQUS、ANSYS 或者 COMSOL 多物理場仿真平臺等，完成有限元模型靜、動(dòng)力場特征計(jì)算分析，進(jìn)而獲得設(shè)計(jì)參數(shù)與水工結(jié)構(gòu)間關(guān)系，最終判斷適合水工結(jié)構(gòu)的最佳方案。本文根據(jù)蘇州河口下游泄流閘孔鋼加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化問題，利用Midas 仿真平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)化分析，為工程設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。

1 工程仿真

1.1 工程概況

為提升蘇州河下游泄流能力，河口建有一泄流閘，承擔(dān)著地區(qū)防洪、排澇及水位控制作用。目前，水閘最大工作流量285 m3/s，閘前泥沙淤積較嚴(yán)重，河水最大含沙量達(dá)8.5 kg/m3，水閘運(yùn)營暢通性受限較嚴(yán)重，閘門最大開度僅為原設(shè)計(jì)的65%，閘室底板高度由原26.5 m 降低至21.8 m，水閘工作能力及性能均受削弱。根據(jù)分析得知，該水閘閘頂高程為65.8 m，為多孔式泄流設(shè)計(jì)，布設(shè)有寬度6.8 m 的攔污柵，采用預(yù)應(yīng)力閘墩作為支撐結(jié)構(gòu)。原設(shè)計(jì)單孔泄流量155 m3/s，泄流孔凈寬2.8 m，采用彎拱式結(jié)構(gòu)，以排柱作為支撐系統(tǒng)，拱腳與拱頂長度為1.8 m，截面最大高度差為0.4 m。采用弧形鋼閘門，直徑2.6 m，有限元模擬計(jì)算結(jié)果表明該閘門靜力工況下最大位移15.8 mm，抗滑移能力較弱。由于運(yùn)營年限較長及上游泥沙淤積嚴(yán)重，河口水閘出現(xiàn)水流紊動(dòng)，局部泄流孔出現(xiàn)險(xiǎn)情，經(jīng)運(yùn)營水位下模擬計(jì)算得知，泄流孔中水頭壓力分布變化較大，局部易出現(xiàn)渦流等現(xiàn)象，滲流場較活躍，對水位調(diào)度、水流控制等均帶來較大影響，考慮對該泄流閘孔進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。根據(jù)模擬仿真計(jì)算得知，閘前攔污柵最大拉應(yīng)力1.85 MPa，以沉降方向位移最顯著，可達(dá)15.8 mm，滲流場中浸潤線可達(dá)柵墩中部，局部滲透坡降較高達(dá)0.35；而根據(jù)泄流孔水工結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算得知，孔頂出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，超過2 MPa。閘孔中部滲流場較活躍，設(shè)計(jì)水位工況下浸潤線高度位于孔側(cè)壁中部位置，泄流閘孔平面如圖1 所示。水閘泄流孔與閘門在靜載下呈現(xiàn)較大變形、拉應(yīng)力特征，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不利，工程管理部門考慮對河口水閘進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)加固，在閘門及泄流孔壁設(shè)置連系梁鋼結(jié)構(gòu)，并開展優(yōu)化分析，以提升水閘運(yùn)營穩(wěn)定性。

圖1 泄流閘孔平面現(xiàn)狀

1.2 工程仿真模型

為便于分析，給出河口水閘泄流孔加固后立面設(shè)計(jì)圖，閘室地基視為剛體，加固鋼結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)為矩形，高、寬參數(shù)是設(shè)計(jì)優(yōu)化重點(diǎn)，如圖2 所示。利用Midas 仿真計(jì)算平臺建立泄流孔加固后有限元模型，如圖3 所示，劃分網(wǎng)格共獲得125 826 個(gè)微單元體，節(jié)點(diǎn)數(shù)85 684個(gè)。模型底部為多向約束，無自由度，而頂部為單向約束，僅有1個(gè)水平向自由度，上、下游均為自由邊界，各部分結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)均按照實(shí)際取值，巖土體參數(shù)按照地勘試驗(yàn)報(bào)告實(shí)測值。計(jì)算模型中X、Y、Z 正向分別為順?biāo)飨?、閘室垂直向上和水流橫向右岸。基于上述工程資料與仿真模型，采用Midas 平臺進(jìn)行加固鋼結(jié)構(gòu)截面體型設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析。

圖2 河口水閘泄流孔加固后立面設(shè)計(jì)

圖3 加固后泄流孔有限元模型

2 鋼結(jié)構(gòu)橫梁高度設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

為分析鋼結(jié)構(gòu)橫梁體型設(shè)計(jì)參數(shù)對泄流閘孔影響，在保證橫梁高度不超過跨距1/4 前提下，設(shè)計(jì)橫梁高度對比方案分別為1 m（A 方案）、1.1 m（B 方案）、1.2 m（C 方案）、1.3 m（D 方案）、1.4 m（E 方案）、1.5 m（F 方案），縱梁截面尺寸為1.2 m×1 m，橫梁其他設(shè)計(jì)參數(shù)均保持一致，計(jì)算不同方案下泄流閘中閘門、泄流孔壁及縱梁3個(gè)關(guān)鍵部位應(yīng)力特征。

2.1 拉應(yīng)力特征

根據(jù)不同方案應(yīng)力計(jì)算，獲得橫梁高度影響下最大拉應(yīng)力變化特征，如圖4 所示。

圖4 橫梁高度影響下最大拉應(yīng)力特征

從圖4 可知，3 個(gè)關(guān)鍵部位中縱梁上拉應(yīng)力最大，在橫梁高度1.1 m 方案中該部位最大拉應(yīng)力可達(dá)3.3 MPa，而此時(shí)孔壁、閘門上拉應(yīng)力相比前者分別降低了15%、46.7%。在各設(shè)計(jì)方案中縱梁拉應(yīng)力與孔壁間差幅達(dá)13.7%～24.7%，與閘門上差幅達(dá)46.5%～1.2 倍，即改變橫梁截面體型，結(jié)構(gòu)張拉危險(xiǎn)面易出現(xiàn)在縱梁部位上，應(yīng)系統(tǒng)性協(xié)調(diào)橫、縱梁體型，確保在加固鋼結(jié)構(gòu)中不出現(xiàn)潛在張拉破壞面。對比不同橫梁高度參數(shù)設(shè)計(jì)方案中關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力變化可知，縱梁、孔壁上最大拉應(yīng)力隨高度遞減變化，在橫梁高度1 m時(shí)孔壁上最大拉應(yīng)力為3.35 MPa，而高度1.2、1.4、1.5 m 時(shí)拉應(yīng)力分別降低30.4%、38.7%、38.9%；從拉應(yīng)力降幅來看，橫梁高度增大0.1 m，孔壁最大拉應(yīng)力平均降低9.1%，但從降幅變化來看，主要集中于高度1～1.3 m 區(qū)間內(nèi)，該區(qū)間內(nèi)孔壁拉應(yīng)力平均降幅為15.6%，而在高度1.3～1.5 m區(qū)間內(nèi)降幅平均值僅為1%，即隨橫梁高度增大，雖結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力受抑制，但抑制效應(yīng)呈逐漸減小態(tài)勢。與孔壁部位類似，縱梁最大拉應(yīng)力在高度參數(shù)1～1.3、1.3～1.5 m 區(qū)間內(nèi)的平均降幅分別為12.3%、1.6%，表明橫梁高度在1～1.3 m 區(qū)間內(nèi)即有顯著的張拉抑制效應(yīng)，且有利于控制結(jié)構(gòu)建造成本。與前兩關(guān)鍵部位不同的是，閘門最大拉應(yīng)力受橫梁高度參數(shù)影響較小，各設(shè)計(jì)方案中均穩(wěn)定在1.7 MPa，最大波動(dòng)幅度僅為0.6%，且均低于結(jié)構(gòu)安全允許值。從方案優(yōu)選性考慮，當(dāng)橫梁高度為1.3 m時(shí)，閘門、泄流孔壁及縱梁3 個(gè)關(guān)鍵部位上最大拉應(yīng)力分別為2.6、2、1.62 MPa，未超過安全臨界值，且加固結(jié)構(gòu)對河口泄流閘孔張拉威脅抑制效果較佳。

2.2 壓應(yīng)力特征

從各計(jì)算方案應(yīng)力結(jié)果中提取關(guān)鍵部位上最大壓應(yīng)力，橫梁高度參數(shù)影響下最大壓應(yīng)力變化特征如圖5 所示。從圖5 看出，壓應(yīng)力最大部位屬孔壁，在高度1.1 m方案中孔壁最大壓應(yīng)力為13.5 MPa，而縱梁、閘門壓應(yīng)力相比前者分別下降21.8%、62.4%。在各設(shè)計(jì)方案中孔壁壓應(yīng)力與縱梁、閘門部位間的差幅分別達(dá)17%～41.5%、1.1～2.33 倍，因而孔壁部位受預(yù)壓效果最顯著。當(dāng)橫梁高度增大后，孔壁、縱梁最大壓應(yīng)力均遞增變化，在高度1 m 時(shí)縱梁最大壓應(yīng)力為7.6 MPa，而高度1.3、1.5 m 時(shí)最大壓應(yīng)力相比1 m 增長了85.3%、91.2%，當(dāng)橫梁高度增大0.1 m縱梁最大壓應(yīng)力平均增幅為14.7%，但在高度參數(shù)1～1.3 m 區(qū)間內(nèi)縱梁最大壓應(yīng)力平均增幅達(dá)24.2%，而超過1.3 m 后壓應(yīng)力最大增幅僅為2.6%，即預(yù)壓效果最好方案應(yīng)在區(qū)間1～1.3 m 內(nèi)。對于孔壁部位來說，在高度1～1.3 、1.3～1.5 m 區(qū)間內(nèi)，其最大壓應(yīng)力的平均增幅分別為16.2%、0.97%，表明孔壁部位預(yù)壓抗失穩(wěn)能力變化與縱梁上基本一致，確定橫梁高度參數(shù)在區(qū)間1～1.3 m 更適宜。閘門壓應(yīng)力變化與拉應(yīng)力變化類似，各設(shè)計(jì)方案中均穩(wěn)定在5.1 MPa，表明橫梁高度參數(shù)改變，對閘門上拉、壓應(yīng)力特征影響較小，而對孔壁、縱梁產(chǎn)生顯著影響。從優(yōu)化方案考慮，橫梁高度1.3 m時(shí)結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力特征俱佳，為最優(yōu)方案。

圖5 橫梁高度影響下最大壓應(yīng)力特征

3 鋼結(jié)構(gòu)橫梁寬度設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

同理，在不影響結(jié)構(gòu)跨距參數(shù)前提下，設(shè)定鋼結(jié)構(gòu)橫梁寬度參數(shù)分別為1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5 m，縱梁截面體型保持一致，計(jì)算不同方案中關(guān)鍵部位應(yīng)力特征。

3.1 拉應(yīng)力特征

不同設(shè)計(jì)方案計(jì)算獲得關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力變化特征，如圖6所示。

圖6 橫梁寬度影響下最大拉應(yīng)力特征

從圖6看出，3個(gè)關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力隨寬度參數(shù)變化趨勢基本一致，均呈先減后增變化。以縱梁部位為例，在寬度1 m 時(shí)其最大拉應(yīng)力為2.72 MPa，而寬度增大至1.2 m 拉應(yīng)力較前者降低了43.8%，而在寬度1.3、1.5 m 時(shí)其拉應(yīng)力較1.2 m 又分別上升了13.3%、51.9%。3 個(gè)關(guān)鍵部位拉應(yīng)力最小均為寬度1.2 m 方案，該方案下閘門、泄流孔壁及縱梁最大拉應(yīng)力分別為1、1.25、1.52 MPa，滿足安全要求。從應(yīng)力變化特征考慮，當(dāng)寬度參數(shù)在1～1.2 m 區(qū)間時(shí)，閘門、泄流孔壁及縱梁最大拉應(yīng)力降幅分別為17.8%、22.7%、25.1%，該區(qū)間內(nèi)寬度參數(shù)愈大，對結(jié)構(gòu)張拉作用抑制效果愈佳；而在寬度1.2～1.5 m區(qū)間內(nèi)，3個(gè)部位最大拉應(yīng)力平均增幅分別達(dá)17.4%、14.9%、15%，結(jié)構(gòu)張拉作用增強(qiáng)，泄流閘孔受張拉破壞危險(xiǎn)性加大。從結(jié)構(gòu)安全性考慮，橫梁寬度參數(shù)應(yīng)盡可能不超過1.2 m，以削弱結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力發(fā)展趨勢；從最優(yōu)設(shè)計(jì)方案考慮，當(dāng)橫梁寬度1.2 m時(shí)拉應(yīng)力處于最低，結(jié)構(gòu)抗拉效果最佳，滿足結(jié)構(gòu)抗拉特性要求。

3.2 壓應(yīng)力特征

橫梁寬度參數(shù)影響下關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力變化特征，如圖7所示。由曲線變化關(guān)系可知，橫梁寬度參數(shù)與3 個(gè)部位最大壓應(yīng)力具有二次函數(shù)關(guān)系，寬度1.2 m 時(shí)各部位壓應(yīng)力最大，閘門、泄流孔壁及縱梁分別為8.3、14.2、11.2 MPa。當(dāng)寬度參數(shù)在1～1.2 m區(qū)間時(shí)，寬度1.2 m 孔壁最大壓應(yīng)力相比寬度1、1.1 m 分別上升了33.6%、10.4%，3 個(gè)部位最大壓應(yīng)力在該區(qū)間內(nèi)平均增幅分別為40.3%、15.7%、19.9%，泄流閘抗失穩(wěn)傾覆性能逐漸提升，直至寬度1.2 m 時(shí)達(dá)到最強(qiáng)。當(dāng)寬度超過1.2 m 后，各關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力均遞減，閘門在寬度1.3、1.5 m 時(shí)壓應(yīng)力相比1.2 m 分別下降7.3%、51.2%，閘門、孔壁及縱梁在寬度1.2～1.5 m 區(qū)間內(nèi)壓應(yīng)力平均降幅20.7%、12.7%、16.4%。當(dāng)寬度1.2 m 時(shí)，泄流閘孔預(yù)壓效果最佳，抗失穩(wěn)滑移性能最穩(wěn)，而抗拉能力亦最優(yōu)，為橫梁寬度參數(shù)最佳方案。

圖7 橫梁寬度影響下最大壓應(yīng)力特征

4 結(jié)論

（1）拉應(yīng)力最大部位為縱梁，不同高度設(shè)計(jì)方案其與孔壁、閘門上拉應(yīng)力差幅分別為13.7%～24.7%、46.5%～1.2 倍；縱梁、孔壁部位最大拉應(yīng)力隨高度參數(shù)增大遞減，但在高度1.3 m 后降幅減小，兩部位在高度1.3～1.5 m 區(qū)間降幅僅為1.6%、1%；各設(shè)計(jì)方案中閘門拉應(yīng)力均穩(wěn)定在1.7 MPa。

（2）壓應(yīng)力最大部位為孔壁；孔壁、縱梁最大壓應(yīng)力隨高度參數(shù)增大遞增，高度1～1.3 m 區(qū)間內(nèi)兩部位最大壓應(yīng)力平均增幅達(dá)16.2%、24.2%，超過1.3 m后增幅較?。浑S高度參數(shù)增大，閘門最大壓應(yīng)力均穩(wěn)定在5.1 MPa。

（3）關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力隨寬度參數(shù)增大呈先減后增變化，拉應(yīng)力最小均為寬度1.2 m方案，閘門、孔壁及縱梁最大拉應(yīng)力分別為1、1.25、1.52 MPa；寬度參數(shù)與最大壓應(yīng)力具有二次函數(shù)關(guān)系，寬度1.2 m時(shí)各部位壓應(yīng)力最大，寬度1.2～1.5 m 區(qū)間內(nèi)關(guān)鍵部位壓應(yīng)力平均降幅分別為20.7%、12.7%、16.4%。

（4）綜合拉、壓應(yīng)力特征，橫梁高度1.3 m、寬度1.2 m時(shí)為加固結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。