船闸结构仿真计算方法研究

量具有重要意义。
关键词：船闸；黏弹性；仿真计算；软件设计；混凝土裂缝
中图分类号：U 641.1
文献标志码：A
文章编号：1002-4972（2010）09-0097-03
Simulation method for shiplock structure
SU Chao1, WANG Xian-mei2, CAO Jian-zhong3, LU Fei2, LU Jian-xin3, DING Zhao-ming2 (1. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;
参考文献：
[1] 赵光恒, 张子明. 有限深弹性层上基础梁的计算[J]. 河
海大学学报, 1984, 12(2): 32-45.
[2] 杨廷青. 黏弹性力学[M]. 武汉: 华中理工大学出版社,
1990: 66-77.
[3] 姜弘道, 苏超, 谭恩会. 黏弹性地基上船闸底板的计算
方法及程序设计[C]//河海大学. 江苏力学论文集.南京:
2. Jiangsu Provincial Communication Planning and Design Institute Co., Ltd., Nanjing 210005, China; 3. Nantong Municipal Waterway Administration, Nantong 226000, China )
图 2 无帷墙人字门船闸闸首网格模型
6 一直是水运船
闸工程质量的关键技术问题之一，它直接关系到 工程的运行安全，历来被工程技术人员所重视， 但到目前为止问题并没有完全解决。要做好这项 工作，需要对船闸不同施工阶段、不同部位混凝 土的温度及温度应力有一个清晰的了解；需要对 各种降温和保温措施的效果有清楚的认识；利用 施工现场监测数据和天气预报等未来数据信息， 建立船闸施工期温度应力预报和现场温控措施管
3 软基上结构仿真计算方法及其应用 在以往的设计工作中，一般把上部结构和地
基进行简化，把软基上工程结构简化为弹性地基 上基础梁或基础板进行计算。利用空间半无限大 地基弹性沉陷公式，根据线黏弹性-弹性相应原
理，推导出相应的地基黏弹性沉陷公式，并同时 采用空间八结点等参单元对上部结构进行离散， 应用半解析方法解决软基上结构仿真计算问题。 实例计算表明，仿真算法能很好地模拟整个工程 从开挖、混凝土浇筑施工到正常运行的全过程[6]。
图 1 无帷墙人字门船闸闸首三维模型
理系统；做到对混凝土内部温度应力的实时预报， 并通过现场温控措施的具体实施使船闸混凝土温 度应力一直处于受控状态，防止和减少混凝土温 度裂缝的发生[18-19]。目前，这套系统正在江苏省南 通市吕四船闸工程中使用。
7 结论 以上工作给出了 2 种不同层次的船闸结构仿
4 三峡永久船闸衬砌墙结构及结构锚杆受力仿真 分析
三峡永久船闸为 5 级双线船闸，总水头差为 113 m，平均每级船闸水头差 23 m，船闸系由左 岸山体开挖而成，闸室墙分为全衬砌式和混合式 结构，全衬砌式闸室墙每浇筑段设计尺寸为 12 m伊 (40耀60) m(宽伊高)，墙厚 1.5耀2.4 m；混合式结构的 衬砌墙尺寸为 12 m伊(10耀50) m (宽伊高)，墙厚 1.5耀 1.8 m，墙与岩体间的联系主要依靠锚杆作用，它 关系到衬砌墙的稳定，设计采用直径 32 mm 的吁 级钢锚杆，排距 1.3耀2.0 m，锚杆伸出岩面 1.45耀 2.0 m。采用三维接触非线性结构温度徐变仿真计 算方法，综合考虑各种荷载因素影响和衬砌墙结 构锚杆和岩体联合受力，精细地模拟了衬砌墙的 混凝土施工浇筑过程、混凝土水平缝和混凝土与 岩石之间的接触非线性机理、结构锚杆和过缝钢 筋的工作状态。针对三峡永久船闸闸室墙 (全衬 式和混合式) 的整体和分水平缝两种结构形式， 就设计人员关心的温度、外水压力产生的锚杆应 力，结构是否分缝，钢筋是否过缝，缝面不同接 触条件，锚杆优化等实际问题进行分析比较，结 果表明分水平缝可以降低混凝土内应力水平，但 部分锚杆应力出现集中现象，钢筋过缝对锚杆应 力略有改善，可以在原设计基础上进一步减少锚 杆布置[7-8]。
2 地基黏弹性参数反分析方法 黏弹性地基上基础梁仿真计算方法，相对于
传统的弹性地基上基础梁计算是一个进步，但是 黏弹性地基在以往的土工计算中很少用到，作为 计算依据的黏弹性地基参数则很难确定，针对不 同种类地基和不同黏弹性模型的室内实验也很少 见到，导致这种仿真计算方法的应用在很大程度 上受到参数的限制。对此，提出利用粉沙地基上 船闸施工过程中各沉陷观测点在各个时刻的实测 沉陷值，采用直接反分析方法来反演地基的黏弹 性参数，并以施桥复线船闸为例进行分析，计算 表明反分析方法稳定、有效[5]。
1 黏弹性基础梁（框架梁）计算方法及其应用 建在软基上的许多船闸闸首采用了“墩底分
浇、预留宽缝、后期封合”的施工方案，这在降 低船闸底板中可能出现的最大负弯矩、防止底板 开裂方面取得了很好的效果。为模拟这种效应， 利用黏弹性力学理论中的线性黏弹性与弹性的相 应原理[2]，推导出对应于 Kelvin 和三参数固体黏弹 性模型的半无限大地基、中厚度地基的黏弹性沉 陷公式，建立了黏弹性地基上基础梁计算方法， 从而解决了软基上基础梁 （框架梁） 随时间变化 的计算问题，同时编制了相应的仿真计算程序， 有效地模拟了降低船闸底板负弯矩的工程措施， 为合理确定封缝时间和两侧回填土施工方案提供 了计算分析工具[3-4]。
真计算方法：一是基于基础黏梁结构简化计算、 但同时可以考虑时间效应影响的弹性地基上基础 梁计算方法；二是同时考虑地基随时间变形特性 和混凝土浇筑过程的温度徐变规律的三维有限元 数值分析方法。这些方法相对于传统的规范设计 算法在理论上有较大的进步，在研究对象上可以 解决不同介质间的接触问题和相互作用问题，更 有意义的是将理论分析方法应用于防治闸首混凝 土裂缝这一施工质量通病问题，具有广阔的应用 前景。
第9期
苏 超，等：船闸结构仿真计算方法研究 *
窑99窑
应力计算；编制了应力反求内力程序，以有限元 分析数值结果文件作为数据来源，计算闸首底板、 廊道、空箱等结构的内力分布，同时编写了 VB 与 Word 的接口程序，自动生成计算说明书，为工 程设计人员带来方便[9-17]。以刘老涧三线船闸工程 为例，应用所开发的船闸闸首结构计算系统进行 下闸首设计计算，验证了船闸闸首结构计算系统 开发思路的可行性，以及船闸闸首建模程序、接 口程序、内力计算程序的实用性和可操作性。
Key words: ship lock; viscoelasticity; simulation; software design; concrete crack
自 1867 年 捷 克 学 者 文 克 勒 ( Winklar) 提 出 “地基每单位面积上所受压力与地基的沉陷成正
比”这个基本假定以来，基于文克勒地基的基础 梁板的计算方法一直沿用至今，1919 年前苏联学 者普罗克托尔提出的半无限大弹性地基模型能够 考虑边荷载的影响以及邻近底板间的相互影响。 我国许多学者从 20 世纪 60 年代起开始了弹性地 基上基础梁计算方法的研究，并提出了中厚度地
收稿日期：2010-03-17 *基金项目：江苏省交通科学研究计划项目（KY2009-09Y28-01），南通市科技项目（S2009004） 作者简介：苏超（1960—），男，教授、博士生导师，从事水工结构工程、水运工程数值计算方法与实验研究。
窑98窑
水运工程
2010 年
才能稳定；同时基础梁、板方法不能反映上部结 构的整体特性，计算结果的应用上存在明显的局 限性。河海大学和江苏省交通规划设计院有限公 司等单位从 20 世纪 90 年代开始对水运船闸设计 计算理论及应用技术进行了深入研究，主要成果 体现在以下几个方面。
河海大学出版社, 1994: 85-91.
[4] 苏超, 姜弘道, 谭恩会. 黏弹性基础梁计算方法及其应
用[J]. 河海大学学报, 2000, 28(5): 101-105.
摘要：总结江苏近 10 年来在水运船闸计算方面的主要工作，包括：黏弹性基础梁 （框架梁） 计算方法、软基上结构仿
真计算方法以及地基黏弹性参数反分析方法，三峡永久船闸衬砌墙结构及结构锚杆受力仿真分析，人字门 （三角门） 船闸闸
首结构有限元计算系统的开发与应用，船闸工程混凝土施工期现场防裂控制技术等。这些方法对提高船闸设计水平和施工质
基模型，推导出了弹性层与刚性下卧层光滑接触、 弹性层与刚性下卧层完全粘合情形下的中厚度地 基沉陷公式，从而使模型更符合一般天然地基的 实际情况[1]。传统的弹性地基基础梁计算方法目前 仍然是软基上船闸等结构底板设计的规范方法， 但该方法存在着明显的不足，主要表现在不能反 映时间效应的影响上，因为软基的沉陷在结构施 工和运行过程中会不断变化，往往需要若干年后
Abstract: This paper presents a summary of the main work of the simulation of water transport shiplock in
Jiangsu province in recent 10 years, including the computation method of viscoelastic foundation beam, simulation method and its application to structures on soft foundations, back analysis method for 3D viscoelasticity parameters of foundation, simulating analysis for forcing of lined wall and anchorage bars of permanent shipping lock in the Three Gorges project, development and application of the FEM analysis system for lock head structure of ship lock using miter gate (triangle gate), on-site crack prevention and control techniques for concrete of shiplock project during the construction period, etc. All the methods mentioned above are of great importance to the improvement of the design level of ship lock and construction quality.