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有限元法在混合式闸室墙结构优化中的应用 　　摘要：在高水头船闸中，运用衬砌式混合结构闸室墙结构作为船闸闸室墙的比较少，对于这种结构闸室墙在高水头情况下运用的有限元法进行设计还没有形成完整的理论，本文通过对这种结构特点进行分析，阐述了有限元法在混合式闸室墙结构设计及优化方面的应用。 　　关键词：船闸、混合结构、结构优化 　　船闸是用水力直接提升船舶过坝以克服航道上集中水位差而设置的一种通航建筑物，根据船闸所处的地质条件，选择不同的闸室墙结构，而混合式闸室墙一般用于开挖岩石山体中，当岩面处于墙高的中部时，就可采用混合式闸室墙结构，混合式闸室墙上部为重力式结构，下部采用衬砌式结构。目前在工程设计中，一般假设上部重力墙和下部衬砌墙为独立结构，分别进行稳定性、强度和地基承载力验算，但是对于不同地质条件下上部结构和下部结构之间的作用力、地基和周围岩体与墙体结构之间的作用力尚不完全明确，因此基于有限元软件针对不同“接触”非线性问题，有许多功能强大、灵活多变的接触面模拟功能，相较于传统的分析方法在解决复杂接触问题时具有更多的优势。 　　1 船闸闸室结构有限元模型 　　船闸结构全部或者部分埋置在土中，受到很大的水压力作用，周围岩土体对船闸结构具有约束作用。在两者相互作用下，其结构的响应不同于地面上的自由结构。而混合式闸室墙一般采用整体式结构，在传统方法计算中是将空间问题转化为平面问题，按固定于底板上的的悬臂梁进行计算并且计算高度不大于25m，一般按材料力学偏心受压公式计算内力；运用有限元法进行混合式船闸闸室墙结构计算，可将采用非线性有限元方法，借助大型有限元软件建立回填土-船闸闸墙结构-岩基整体有限元模型，分析不同工况下混合式船闸闸墙结构的应力应变特征，并对数据进行分析整理，得出相应结论，为高边坡混合式船闸闸墙结构优化设计提供科学的依据。 　　2 船闸结构优化的影响因子 　　通过有限元法建立船闸闸室的计算模型，首先考虑不同工况下作用于闸室墙结构上的荷载作用，同时要分析闸室墙与岩基之间的接触应力，选择必要和合理的有限元计算范围，对于岩基与闸室之间的作用区域如何将其荷载准确地拟合在有限元模型上对于计算结果是非常重要的。同时在混合式闸室墙的结构设计中，可能会运用广义Hooke定律；土体材料本构关系采用Mohr-Coulormb模型等，因此在因地制宜地采取不同的结构形式时，对于不同的结构形式结构设计参数的变化对有限元模型计算结果的影响。例如：闸墙背与垂直线的夹角α；填土的内摩擦角φ，闸墙背与土的摩擦角δ，填土表面与水平面所成夹角等。可以从上述的参数考虑不同的参数对结构的稳定性以及地基的承载力的影响。 　　3 有限元法计算的荷载及边界 　　混合式船闸在计算时主要计算正常运行工况、完建工况，检修工况、设计洪水工况、校核洪水工况的荷载组合，各个工况下施加于于有限元模型的荷载主要有结构自重、土体自重、土体土压力，上部荷载的土压力，闸室内的静水压力，闸室底板上的浮托力以及通过船闸船舶的系缆力，在有限元法计算时根据不同的工况将相应的荷载模拟在有限元模型上，并根据应力及应变云图得出不同工况下闸室墙结构断面各个部位的应力应变结果，通过对各个工况下计算结果进行比较，可得出应力应变的最大及最小值点，根据以往工程实践以及有限元方法建立模型的计算可知正常运行及完建工况比较有代表性。正常工况下墙后回填料易发生不均匀沉降，因此在设计和施工过程中要注意对回填料的压实强夯，应力最大值出现在挡墙前趾及底板上且应力值偏大，考虑配筋或加大截面尺寸解决解决。完建工况与正常工况相似。 　　混合式结构闸室墙下部为衬砌式结构，由于锚杆的作用，需要研究其和岩石相互作用以及不同锚固长度、自由长度、锚筋数量、锚筋排列方式、锚杆和岩体及混凝土的作用力等对闸室墙的结构稳定性的影响，在用有限元法进行计算时，可将锚杆作为杆件单元，同时要准确地定义弹性模量E，泊松比ν等材料参数，同时也应根据所建有限元模型建立适合于本模型的材料库。 　　结语 　　通过以上论述可知对于高边坡的混合式船闸，运用有限元法进行结构计算具有以下优点： 　　对于混合式闸室墙结构，结构和地质情况比较复杂，有限元方法能很好地反映闸室墙结构各个部分的受力特征，根据有限元法计算的应力应变结果有助于结构形式的优化，为工程带来更大地经济效益。与传统的解析法相比，有限元法能更好地反应出局部应力应变分布情况，为结构局部配筋提供依据。 　　一般结构经优化设计后，应力分布会比之前更加均匀。而且结构尺寸会比之前更小，不仅节省材料，提高经济效益，而且加快了施工进度。 　　由于闸室墙所处的环境，周围岩体的渗流对闸室墙的作用在所难免，严重影响着构筑物的安全与造价，传统的有限元法较难确定浸润面的位置，例如运用ABAQUS/Standa