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摘要：利用AutodeskRevit族库中的三维闸井模型，采用 ABAQUS有限元软件对三维闸井进行有限元静力分析，通过对闸井的应力与应变分析，研究2.0m、2.5m厚的闸底板在竣工期、满蓄期的受力情况，根据受力情况对闸底板配筋，找出最优方案，为类似工程數值模拟提供参考。
关键词：ABAQUS；三维有限元分析；闸井；应力应变
Sluice Bottom Board Optimization of Three-Dimensional Finite Element Analysis for one Diversion Tunnel Project of Xinjiang
Wu Jun-jie
(1. Xinjiang Survey and Design Institute for Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China)
Abstract:Taking 3-D sluice well model of families in AutodeskRevit and ABAQUS to analysis finite element of static force of 3-D sluice well. By analysising stress and strain of sluice well to study force condition of sluice bottom board in the thickness of 2.0m,2.5m in the time of completion and full storage. According to the force condition to assign steel and find the best project. The paper can be as references for similar projects in numerical simulation .
Keywords: ABAQUS; Three-dimensional finite element analysis; sluice well; stress and stain
中图分类号：TV文献标识码： A
1 工程简介
本工程主要水工建筑物有拦河坝（沥青混凝土心墙坝）、两条表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、2条深孔泄洪洞、2条发电引水洞、厂房、生态基流发电洞和发电厂房等。导流洞布置在左岸，为有压洞， 2#深孔放空排沙洞采用“龙抬头”方式与导流洞结合，由进口明渠段、闸井段、洞身段、扩散段、消力池段、护坦段组成。引渠段进口处天然河道河底实测最低高程为1666.0m，闸井底板高程定为1666.0m，与河床底高程相同，闸井底板设计有固结灌浆和砂浆锚杆。封堵门孔口尺寸为11.0m×13.5m（宽×高），钢闸门尺寸为11.0m×16.0m（宽×高）。
2 计算模型选用
混凝土的应力应变曲线呈现出非线性关系，但是在小变形的情况下，可以视为弹性变形，所以采用弹性模型。地基采用弹塑性摩尔—库伦模型，闸井底板与基岩设置接触[1]，各个材料参数见表1。
表1材料参数
表2闸井配筋演算表
3 闸井几何模型
采用ABAQUS剖分功能分割Revit创建的三维模型，对闸井采用八结点六面体线性单元，其中闸井总结点数共计结点数: 8440个，6390个单元。闸井、排架、地基采用实体单元，均是共计24148个结点，32541个单元，最小几何尺寸一般为0.5m，最大几何尺寸为1.2m。类似工程的经验表明这样尺度的网格的计算精度，完全可以满足本次计算要求，闸井整体剖分网格如图1所示[2]。
图1有限元剖分网格
4 计算成果与分析
经过四组计算，将闸井底板配φ32@200时，素混凝土沿垂直水流方向的最大拉应力区域路径，列于图2中。
图2 闸井底板为2.0m时度汛期不配筋与配筋图（MPa）
通过计算得到，当度汛期闸井底板厚2.0m且不配筋时，素混凝土的极限拉应力为2.43MPa，已经超过C25混凝土的极限拉应力1.3Mpa，所以给底板拉应力超过极限值的区域配双层的二级钢筋网，钢筋直径与间距分别为：φ25@200、φ28@200、φ28@167、φ32@200然后进行演算，混凝土的极限拉应力分别已经降低了20.2%，24.1%，24.8%，29.3%，上底板混凝土仍然在破坏范围之内，并且混凝土的最大拉应力改变不是很大，所以不能再继续配筋了，这时只能从结构上改变底板较大拉应力区域，以下是当底板加厚0.5m后的计算结果，列于图3中。
图3 闸井底板为2.5m时度汛期不配筋与配筋图（MPa）
当闸底板加厚0.5m时，度汛期混凝土的极限拉应力已经降至安全范围之内。当渡汛期闸底板配φ28@200钢筋之后闸底板的混凝土拉应力减小了58.09%，此后混凝土拉应力减小值也不是很明显，从经济与安全安全度考虑，建议考虑底板厚度为2.5m并配φ28@200的钢筋。同时也说明该加厚底板和配筋方案对降低混凝土闸底板的高拉应力有显著作用。由于此次计算的闸底板是没有进行固结灌浆，基底围岩弹抗比较小，所以计算后闸底板的拉应力较大，如果，后期固结灌浆，闸底板进行固结灌浆后，岩石的变形模量还会提高，这对抑制闸井底板的形变是有利的，闸底板的拉应力还会减小，这个量作为一个安全储备。
5 结论
本次计算采用Revit族库中的三维实体模型，很大程度上提高了优化的效率，通过分析可知，该工程闸井底板的厚度宜采用2.5m，并且建议配φ28@200的钢筋，因为此次计算的闸底板是没有进行固结灌浆，当后期提高地基承载力后，还可以提高工程的安全度，所以采用该方法进行配筋演算是一种比较快捷简便的方法，计算的结果可以为类似工程数值模拟提供参考。
参考文献
[1]谢定义，姚仰平，党发宁. 高等土力学 [M]. 北京：高等教育出版社，2008：113-116.
[2]吴俊杰，凤炜，刘亮，曹文洁. 山前倾斜平原水库全库盘防渗复合土工膜应力应变分析[J].水电能源科学，2013，（12）：22.
[3]费康. ABAQUS软件在高进水塔动力分析中的应用[J]. 水利与建筑工程学报,2008，（4）:17-19.
[4]费康. ABAQUS在岩土工程中的应用[M].中国水利水电出版社，2010:26-58.
关键词：ABAQUS；三维有限元分析；闸井；应力应变
Sluice Bottom Board Optimization of Three-Dimensional Finite Element Analysis for one Diversion Tunnel Project of Xinjiang
Wu Jun-jie
(1. Xinjiang Survey and Design Institute for Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China)
Abstract:Taking 3-D sluice well model of families in AutodeskRevit and ABAQUS to analysis finite element of static force of 3-D sluice well. By analysising stress and strain of sluice well to study force condition of sluice bottom board in the thickness of 2.0m,2.5m in the time of completion and full storage. According to the force condition to assign steel and find the best project. The paper can be as references for similar projects in numerical simulation .
Keywords: ABAQUS; Three-dimensional finite element analysis; sluice well; stress and stain
中图分类号：TV文献标识码： A
1 工程简介
本工程主要水工建筑物有拦河坝（沥青混凝土心墙坝）、两条表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、2条深孔泄洪洞、2条发电引水洞、厂房、生态基流发电洞和发电厂房等。导流洞布置在左岸，为有压洞， 2#深孔放空排沙洞采用“龙抬头”方式与导流洞结合，由进口明渠段、闸井段、洞身段、扩散段、消力池段、护坦段组成。引渠段进口处天然河道河底实测最低高程为1666.0m，闸井底板高程定为1666.0m，与河床底高程相同，闸井底板设计有固结灌浆和砂浆锚杆。封堵门孔口尺寸为11.0m×13.5m（宽×高），钢闸门尺寸为11.0m×16.0m（宽×高）。
2 计算模型选用
混凝土的应力应变曲线呈现出非线性关系，但是在小变形的情况下，可以视为弹性变形，所以采用弹性模型。地基采用弹塑性摩尔—库伦模型，闸井底板与基岩设置接触[1]，各个材料参数见表1。
表1材料参数
表2闸井配筋演算表
3 闸井几何模型
采用ABAQUS剖分功能分割Revit创建的三维模型，对闸井采用八结点六面体线性单元，其中闸井总结点数共计结点数: 8440个，6390个单元。闸井、排架、地基采用实体单元，均是共计24148个结点，32541个单元，最小几何尺寸一般为0.5m，最大几何尺寸为1.2m。类似工程的经验表明这样尺度的网格的计算精度，完全可以满足本次计算要求，闸井整体剖分网格如图1所示[2]。
图1有限元剖分网格
4 计算成果与分析
经过四组计算，将闸井底板配φ32@200时，素混凝土沿垂直水流方向的最大拉应力区域路径，列于图2中。
图2 闸井底板为2.0m时度汛期不配筋与配筋图（MPa）
通过计算得到，当度汛期闸井底板厚2.0m且不配筋时，素混凝土的极限拉应力为2.43MPa，已经超过C25混凝土的极限拉应力1.3Mpa，所以给底板拉应力超过极限值的区域配双层的二级钢筋网，钢筋直径与间距分别为：φ25@200、φ28@200、φ28@167、φ32@200然后进行演算，混凝土的极限拉应力分别已经降低了20.2%，24.1%，24.8%，29.3%，上底板混凝土仍然在破坏范围之内，并且混凝土的最大拉应力改变不是很大，所以不能再继续配筋了，这时只能从结构上改变底板较大拉应力区域，以下是当底板加厚0.5m后的计算结果，列于图3中。
图3 闸井底板为2.5m时度汛期不配筋与配筋图（MPa）
当闸底板加厚0.5m时，度汛期混凝土的极限拉应力已经降至安全范围之内。当渡汛期闸底板配φ28@200钢筋之后闸底板的混凝土拉应力减小了58.09%，此后混凝土拉应力减小值也不是很明显，从经济与安全安全度考虑，建议考虑底板厚度为2.5m并配φ28@200的钢筋。同时也说明该加厚底板和配筋方案对降低混凝土闸底板的高拉应力有显著作用。由于此次计算的闸底板是没有进行固结灌浆，基底围岩弹抗比较小，所以计算后闸底板的拉应力较大，如果，后期固结灌浆，闸底板进行固结灌浆后，岩石的变形模量还会提高，这对抑制闸井底板的形变是有利的，闸底板的拉应力还会减小，这个量作为一个安全储备。
5 结论
本次计算采用Revit族库中的三维实体模型，很大程度上提高了优化的效率，通过分析可知，该工程闸井底板的厚度宜采用2.5m，并且建议配φ28@200的钢筋，因为此次计算的闸底板是没有进行固结灌浆，当后期提高地基承载力后，还可以提高工程的安全度，所以采用该方法进行配筋演算是一种比较快捷简便的方法，计算的结果可以为类似工程数值模拟提供参考。
参考文献
[1]谢定义，姚仰平，党发宁. 高等土力学 [M]. 北京：高等教育出版社，2008：113-116.
[2]吴俊杰，凤炜，刘亮，曹文洁. 山前倾斜平原水库全库盘防渗复合土工膜应力应变分析[J].水电能源科学，2013，（12）：22.
[3]费康. ABAQUS软件在高进水塔动力分析中的应用[J]. 水利与建筑工程学报,2008，（4）:17-19.
[4]费康. ABAQUS在岩土工程中的应用[M].中国水利水电出版社，2010:26-58.