張 羽 ，趙集云 ，劉明瀟 ，孫東坡

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046； 2.華北水利水電大學(xué) 水力學(xué)及河流研究所，河南 鄭州450046)

大型輸水干渠大多為跨流域調(diào)水工程，多采用明渠輸水形式。長(zhǎng)距離、大型輸水干渠受運(yùn)行工況限制，一般沒有停水維修的條件，運(yùn)行期渠道維修只能在輸水狀態(tài)下進(jìn)行。南水北調(diào)中線總干渠擔(dān)負(fù)著沿線調(diào)水、供水的重任，維修更是不能影響正常輸水。為了滿足不停水開展渠道修復(fù)，在需要維修的渠道一側(cè)邊坡設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)的“圍墻”（即鋼圍堰），與邊坡一起構(gòu)筑成與渠道水流既相對(duì)連通又相對(duì)封閉的靜水施工環(huán)境。這樣的鋼圍堰設(shè)置既容易平衡渠道水流的動(dòng)水壓力，又為渠道邊坡修復(fù)提供一個(gè)可靠的靜水施工環(huán)境，很好地解決了大型渠道輸水狀態(tài)下的邊坡修復(fù)難題。

與傳統(tǒng)鋼筋混凝土工程相比，鋼結(jié)構(gòu)安裝精度較高，輕便易運(yùn)輸，同時(shí)其整體穩(wěn)定性也需要得到一定的保證。左麗等[1]設(shè)計(jì)了一種自平衡組合式擋水圍堰，研究了擋水面板、支撐傳力系統(tǒng)，并進(jìn)行了有限元分析，但圍堰的最大吃水深度只有3.0～3.5 m，無(wú)法在南水北調(diào)總干渠水深8 m處進(jìn)行作業(yè)。王巖松[2]設(shè)計(jì)了一種水中下放升降平臺(tái)，工作完成以后，抽出艙內(nèi)水，利用水的浮力使圍堰上浮，最后對(duì)圍堰切割拆除。但是這種雙壁鋼圍堰入水時(shí)需要大型機(jī)械運(yùn)送，空間會(huì)受到限制，而且在拆除過(guò)程中難度大，切割成本高。郭海亮等[3]提出將鋼模板圍堰從安裝到下水固定的整套理論，鋼圍堰采用裝配式結(jié)構(gòu)，首先在一級(jí)馬道上進(jìn)行焊接拼裝，然后由牽引裝置牽引下水，再經(jīng)過(guò)模板固定，混凝土澆筑，結(jié)構(gòu)縫處理等步驟將鋼圍堰整體穩(wěn)定；武法聘等[4]采用MIDAS/Gen 800建立有限元模型對(duì)圍堰進(jìn)行分析，得到了立柱式、桁架式圍堰結(jié)構(gòu)的最不利應(yīng)力分布形式；鐘祺等[5]對(duì)多種圍堰進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)MIDAS Civil軟件對(duì)圍堰進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，最后通過(guò)多種工況分析，驗(yàn)證了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。黃鑫偉等[6]采用Fluent有限元軟件，模擬了鋼圍堰設(shè)置對(duì)航道水流條件的影響。

本文以南水北調(diào)中線總干渠輝縣段渠道為典型工程，利用現(xiàn)場(chǎng)水深流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值模擬ANSYS軟件，計(jì)算出兩個(gè)流量條件下圍堰的受力和變形情況，分析鋼圍堰上游、中游及下游的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整等改善措施，以期有效解決圍堰施工問(wèn)題。

1 鋼圍堰工程簡(jiǎn)介

南水北調(diào)中線一期工程總干渠明渠段結(jié)構(gòu)型式為梯形斷面混凝土襯砌，輝縣段渠道屬深挖方段；渠道為梯形斷面，坡比1∶2.25，底寬14 m，設(shè)計(jì)水深7 m，典型斷面見圖1；渠段設(shè)計(jì)流量260 m3/s，渠道比降1/28 000。2017年夏因暴雨造成地下水位偏高，排水不暢引起滲透壓力大，致使某渠道邊坡局部破壞，需要對(duì)邊坡進(jìn)行修復(fù)。

圖1 渠道典型斷面（單位：m）Fig.1 Typical cross section of the canal (unit: m)

鋼圍堰采用三面圍堰，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)97 m，橫向范圍達(dá)到左岸坡腳外3.7 m，鋼圍堰高7.5 m，滿足最高水位的擋水需求。鋼圍堰上游是具有30°收縮角的迎流漸縮段，長(zhǎng)32 m；中游是60 m長(zhǎng)的順流縮窄段，下游為長(zhǎng)8 m的擴(kuò)散段。圖2為南水北調(diào)中線某渠段左岸渠道邊坡修復(fù)開展生產(chǎn)性試驗(yàn)而設(shè)計(jì)的布置形式示意圖。圍堰面板由鋼板和槽鋼加工制作；以槽鋼作為骨架，增加鋼板的整體強(qiáng)度，同時(shí)迎水面鋼圍堰內(nèi)側(cè)需增設(shè)斜撐，抵抗水流沖擊和局部壅水造成的壓力。圍堰底部與總干渠底板及渠坡設(shè)置橡膠或其他柔性墊層接觸，于圍擋底部設(shè)置預(yù)制混凝土塊和砂石袋壓重，頂部設(shè)置鋼纜牽拉。鋼圍堰現(xiàn)場(chǎng)施工照片見圖3，鋼圍擋的主要鋼構(gòu)件結(jié)構(gòu)見圖4。

圖2 鋼圍堰的平面布置及邊坡修復(fù)生產(chǎn)性試驗(yàn)圍堰區(qū)域（單位：m）Fig.2 Plane layout of steel cofferdam and production test cofferdam area for slope restoration (unit: m)

圖3 鋼圍堰施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Construction site of steel cofferdam

圖4 渠底鋼圍堰導(dǎo)向架構(gòu)造示意Fig.4 Structure diagram of steel cofferdam guide frame at the bottom of canal panel frame structure

現(xiàn)以原型觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取兩組不同工況的流量，通過(guò)已測(cè)水深及應(yīng)力應(yīng)變相關(guān)公式，對(duì)鋼圍堰的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。鋼圍堰區(qū)域各特征斷面的水深數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同流量下各特征斷面水位Tab.1 Water level of each feature section under different flow conditions 單位：m

鋼圍堰各區(qū)長(zhǎng)度：渠底圍堰處的迎水面圍堰長(zhǎng)8 m，順?biāo)鲊唛L(zhǎng)60 m，背水面圍堰長(zhǎng)8 m；渠坡圍堰處的迎水面圍堰長(zhǎng)36 m，背水面圍堰長(zhǎng)18 m。渠底單體尺寸：圍堰長(zhǎng)6 m，高7.5 m，每個(gè)單體分3層，每層高2.5 m。單體結(jié)構(gòu)說(shuō)明：每個(gè)單體采用150 mm×100 mm×3 mm的矩形管、8#槽鋼（支撐）、12#槽鋼（導(dǎo)向槽）、Ф75 mm×3.75 mm的斜撐加工制作而成；其中矩形鋼管與底部8#槽鋼（縱橫支撐）間采用焊接方式進(jìn)行連接；導(dǎo)向槽與矩形管之間采用螺栓連接，斜撐與導(dǎo)向槽之間采用螺栓連接。單體之間通過(guò)M16螺栓連接固定。鋼圍堰擋板結(jié)構(gòu)及尺寸：鋼圍堰擋板采用8#槽鋼及3 mm厚鋼板制作而成，8#槽鋼與3 mm厚鋼板之間焊接固定，單塊鋼擋板尺寸為2.50 m×1.95 m。模擬計(jì)算材料為鋼材，密度為7 800 kg/m3，彈性模型為2×105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235 MPa，極限強(qiáng)度為375 MPa。

2 應(yīng)力分析

水流在經(jīng)過(guò)繞流物時(shí)，順?biāo)鞣较驎?huì)對(duì)其產(chǎn)生拖曳力，垂直水流方向會(huì)產(chǎn)生壓差阻力或動(dòng)水沖擊力。本次研究利用兩種方法計(jì)算鋼圍堰所受水流沖擊力。第1種采用動(dòng)量原理，利用水流動(dòng)量方程計(jì)算水流沖擊力，計(jì)算式[7]如下：

第2種是采用流體力學(xué)中的繞流阻力計(jì)算方法，利用繞流阻力方程確定水流沖擊力Fp，計(jì)算式如下：

式中：Cd為繞流阻力系數(shù)；Ad為垂直流向的繞流物投影面積；U為計(jì)算寬度內(nèi)的垂線平均流速。

考慮到收縮段來(lái)流流速在橫向分布的不均勻性，采用上述兩種方法計(jì)算水流沖擊力時(shí)，式（1）和（2）應(yīng)表達(dá)成如下形式：

式中：FDi為鋼圍堰收縮段順流向投影第i個(gè)分區(qū)所受繞流阻力。

經(jīng)計(jì)算與綜合分析，現(xiàn)狀流量條件下，渠內(nèi)動(dòng)水壓力作用在鋼圍堰上的壓力荷載分別取500 N/m2和780 N/m2，下文記為工況1和工況2。

3 結(jié)構(gòu)有限元分析

大型輸水干渠外動(dòng)內(nèi)靜水中作業(yè)鋼圍堰的結(jié)構(gòu)分析屬于流固耦合（FSI）系統(tǒng)的力學(xué)分析，其計(jì)算涉及復(fù)雜的流場(chǎng)邊界條件和固體域的邊界條件，為方便計(jì)算，本次研究將復(fù)雜流場(chǎng)邊界條件簡(jiǎn)化為流體壓力，并將其作用在結(jié)構(gòu)上，進(jìn)而分析鋼圍堰的力學(xué)性能。

3.1 模型建立

利用ANSYS Mechanical APDL的智能網(wǎng)格體積算法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鋼圍堰有限元模型如圖5所示。參考張帥等[8-9]在單元技術(shù)上采用的方法，基于Timoshenko梁理論對(duì)鋼圍堰進(jìn)行分析研究。模型中含有4 993個(gè)梁?jiǎn)卧?14個(gè)桿單元，13 660個(gè)殼單元；共有18 867個(gè)單元，24 587個(gè)節(jié)點(diǎn)。坐標(biāo)X軸指向左岸，Y軸指向與渠底垂直，Z軸指向水流方向。

圖5 圍堰結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.5 Finite element model of cofferdam structure

（1）邊界條件：渠道水深7 m，過(guò)流能力為265 m3/s，流速1.25 m/s，渠道橫斷面過(guò)流面積為211.8 m2。設(shè)置圍擋后，圍擋內(nèi)面積為76.9 m2，剩余渠道過(guò)流面積為134.9 m2，考慮流速不變的情況下，渠道設(shè)計(jì)水位下的過(guò)流能力為168.6 m3/s。鋼圍堰上游最大正向落差為9 cm（外高內(nèi)低），下游最大反向落差為-2 cm（外低內(nèi)高）。

（2）荷載分布：本次研究荷載主要有水平荷載和豎直荷載。沿渠道順?biāo)鞣较虻乃胶奢d包括水流對(duì)圍堰的沖擊力、圍堰內(nèi)外水位差產(chǎn)生的壓力。豎直荷載為圍堰自重荷載（水對(duì)圍堰的浮力、摩擦力等可忽略不計(jì)）。

鋼圍堰材料為不銹鋼，通常采用較為經(jīng)典的Ramberg-Osgood模型[10]。本構(gòu)關(guān)系的表達(dá)式為：

式中：E為材料的彈性模量；f0.2、f0.1為殘余應(yīng)變0.2%、0.1%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；n為材料系數(shù)。

3.2 數(shù)值模擬

通過(guò)ANSYS數(shù)值模擬對(duì)鋼圍堰上、中、下游單元進(jìn)行計(jì)算分析，在整體結(jié)果中，由應(yīng)力場(chǎng)、變形量及軸力和彎矩來(lái)驗(yàn)算鋼圍堰的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

3.2.1 強(qiáng)度分析 引入第二強(qiáng)度理論，無(wú)論是復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)還是簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)，引起斷裂破壞的主要原因都是最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變[11]。因此，強(qiáng)度條件如下：

式中： σr2為第二強(qiáng)度； σ1、 σ2、 σ3分別為坐標(biāo)軸X、Y、Z方向的主應(yīng)力； [σ]為許用應(yīng)力，由極限應(yīng)力除以安全系數(shù)得到，安全系數(shù)取值為1.2～2.5；μ為泊松比。

對(duì)于上游單元，分別提取兩組工況下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力圖，與鋼圍堰材料參數(shù)進(jìn)行分析對(duì)比，進(jìn)而判斷上游單元的強(qiáng)度是否安全，見圖6和7。

圖6 工況1上游單元強(qiáng)度分析（單位: Pa）Fig.6 Strength analysis of upstream element of condition 1 (unit: Pa)

分析圖6可知，導(dǎo)槽的軸向應(yīng)力最大值為0.1 MPa，出現(xiàn)在該上游單元第4根導(dǎo)槽與短斜撐連接處；導(dǎo)槽的彎曲應(yīng)力絕大部分為2.7 ～80.0 MPa，最大值為109.0 MPa，出現(xiàn)在導(dǎo)槽與長(zhǎng)斜撐連接處；斜撐軸向應(yīng)力最大值是13.8 MPa；面板應(yīng)力最大值是360.0 MPa，出現(xiàn)在面板、導(dǎo)槽和短斜撐三者相連接的位置。

由圖7可看出，導(dǎo)槽的軸向應(yīng)力最大值為0.1 MPa，出現(xiàn)在該上游單元第4根導(dǎo)槽與短斜撐連接處；導(dǎo)槽的彎曲應(yīng)力絕大部分為28.0～120.0 MPa，最大值為140.0 MPa，出現(xiàn)在導(dǎo)槽與長(zhǎng)斜撐連接處；斜撐軸向應(yīng)力最大值是17.7 MPa；面板應(yīng)力最大值是356.0 MPa，在面板、導(dǎo)槽和短斜撐三者連接處。

圖7 工況2上游單元強(qiáng)度分析（單位: Pa）Fig.7 Strength analysis of upstream element of condition 2 (unit: Pa)

綜上所述，在兩組工況荷載作用下，鋼圍堰上游單元的應(yīng)力都小于Q235a鋼材的屈服強(qiáng)度，由第二強(qiáng)度理論可知，第二強(qiáng)度小于許用應(yīng)力。因此，鋼圍堰上游單元強(qiáng)度是安全的。

同理，對(duì)于中間和下游單元，對(duì)強(qiáng)度的計(jì)算分析與上游單元相同。應(yīng)力范圍和應(yīng)力最大值如表2所示。

表2 中間及下游單元應(yīng)力Tab.2 Stress of middle and lower reaches element 單位：MPa

可見，兩種工況條件下，各構(gòu)件應(yīng)力值均小于Q235a鋼材的屈服強(qiáng)度，且第二強(qiáng)度小于許用應(yīng)力，由強(qiáng)度理論可知，鋼圍堰中間和下游單元強(qiáng)度是安全的。

3.2.2 剛度分析 鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大承載力和剛度密切相關(guān)[12]，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，導(dǎo)槽容許撓度值為18.8 mm，鋼板的容許撓度值為37.5 mm。工況1和2中，上游單元?jiǎng)偠确治鲆妶D8和 9。

分析圖8可見：工況1導(dǎo)槽的最大變形在導(dǎo)槽最上部，為39.0 mm，大于容許值；斜撐最大的變形在外部斜撐的最高處，變形量為0.7 mm；鋼板的大部分變形量很小，約5.0 mm，但是結(jié)構(gòu)下部板邊的變形量卻很大，變形量約為179.0 mm，大于容許值。

圖8 工況1上游單元?jiǎng)偠确治觯▎挝唬簃）Fig.8 Stiffness analysis of upstream element of condition 1 (unit: m)

分析圖9可得：工況2導(dǎo)槽的最大變形也在導(dǎo)槽最上部，變形為50.0 mm，大于容許值；斜撐變形量為0.9 mm；鋼板的大部分變形量很小，約為5.0 mm，但是結(jié)構(gòu)下部的板邊的變形量約為266.0 mm，大于容許值。

圖9 工況2上游單元?jiǎng)偠确治觯▎挝唬簃）Fig.9 Stiffness analysis of upstream element of condition 2 (unit: m)

對(duì)于中間和下游單元，單元變形量見表3。

表3 中間下游單元變形量Tab.3 Deformation of middle and lower reaches’ element 單位：mm

通過(guò)對(duì)比分析可知，對(duì)于中間單元，在工況1條件下，導(dǎo)槽變形和鋼板變形量均小于容許值；在工況2條件下，導(dǎo)槽的變形9.4 mm，小于容許值，但是鋼板下邊最大變形為46.3 mm，大于容許值。因此工況1條件下剛度符合要求，工況2鋼板處有待改善。

對(duì)于下游單元，在2種工況條件下，導(dǎo)槽變形和鋼板變形量均小于容許值，其剛度滿足規(guī)范要求。

3.2.3 穩(wěn)定性分析 鋼圍堰的穩(wěn)定性分為導(dǎo)槽的壓彎穩(wěn)定和支撐桿件的軸壓穩(wěn)定。壓彎穩(wěn)定需要分析構(gòu)件的彎矩和軸力，軸壓穩(wěn)定需要分析構(gòu)件的軸力。彎矩作用在對(duì)稱軸平面內(nèi)的實(shí)腹式壓彎構(gòu)件，其穩(wěn)定性按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[13]（GB 50017—2017）校核。

平面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算式為：

式中：N為所計(jì)算構(gòu)件范圍內(nèi)軸心壓力設(shè)計(jì)值（N）；為參數(shù)； ?x為彎矩作用平面內(nèi)軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；Mx為所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)的最大彎矩設(shè)計(jì)值（N·m）；W1x為在彎矩作用平面內(nèi)對(duì)受壓最大纖維的毛截面模量（mm3）；βmx為彎矩作用平面內(nèi)的等效彎矩系數(shù)，在本構(gòu)件中，全跨均布荷載：

式中：Ncr為臨界力；λ為長(zhǎng)細(xì)比。

為研究圍堰的穩(wěn)定性，提取導(dǎo)槽彎矩、導(dǎo)槽軸向應(yīng)力及斜撐桿軸力見圖10。

圖10 上游單元穩(wěn)定性分析（工況1）Fig.10 Stability analysis of upstream element (condition 1)

圖10清晰體現(xiàn)了導(dǎo)槽在一定壓力荷載條件下的受力狀況。從上游單元整體分析看，由于第3部分處于水深最深處，水流流速相對(duì)較小，在有斜撐分擔(dān)的情況下，其受到的軸向壓力最小，為1 230.32 N。在上游來(lái)流量不變的情況下，動(dòng)水壓力荷載恒定，受軸向壓力最大的是第4根（沿水流方向）導(dǎo)槽的第2部分，即中間一段，軸壓力最大值為3 286.61 N，而其余3根所受軸壓力差別不大。此時(shí)彎矩最大值為7 585.65 N·m，另外3根導(dǎo)槽的彎矩幾乎無(wú)差別?？傮w上，4根導(dǎo)槽在斜撐的作用下，近似地被分成三部分，斜撐軸向作用力最大值為11 591.6 N。

分析圖11可見，由于斜撐的作用，導(dǎo)槽近似被分為了3部分。其中受軸向壓力最大的是第4根（沿水流方向）導(dǎo)槽的中間一段，軸壓力最大值為4 228.1 N，而此時(shí)所對(duì)應(yīng)的彎矩圖中的彎矩最大值為9 760.8 N·m，斜撐軸向作用力最大值為14 903.3 N。

圖11 上游單元穩(wěn)定性分析（工況2）Fig.11 Stability analysis of upstream element (condition 2)

在第1種工況條件下，取構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比λ=46，歐拉荷載NEx=1 590 kN，抗力分項(xiàng)系數(shù)取1.1，由式（8）計(jì)算得：=1 445 kN， βmx=1，由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附表D0.2按b類截面查表得穩(wěn)定系數(shù)：?x= 0.856，由式（7）得出：fy=235 N/mm2＞2.234 N/mm2。對(duì)于斜撐桿件：該結(jié)構(gòu)只受拉壓的軸向作用力， λ =μl/i，該桿件兩端鉸接，μ=0.9，λ= 0.9 × 5 300/25.3=189，由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可知，對(duì)于軸心受壓構(gòu)件，支撐的容許長(zhǎng)細(xì)比為200，該結(jié)構(gòu)為189，支撐桿件滿足要求。由應(yīng)力分析結(jié)果可知：支撐桿件軸向應(yīng)力最大值為0.96×107Pa，由式(10)可以得出，歐拉臨界應(yīng)力為1.44×107Pa，考慮到實(shí)際桿件存在力學(xué)和幾何缺陷，可以取修正系數(shù)0.7，得到修正后的臨界應(yīng)力為1.01×107Pa，仍大于支撐桿件軸向應(yīng)力的最大值，支撐桿件穩(wěn)定性基本上滿足要求。

同理，對(duì)于工況 2，fy=235 N/mm2＞3 N/mm2，斜撐桿件軸向應(yīng)力最大值為 1.77×107Pa＞1.44×107Pa，支撐桿件穩(wěn)定性不滿足要求。中間單元和下游單元的受力見表4。

表4 中下游單元受力Tab.4 Force of middle and lower reaches’ element

對(duì)于中間單元第1種工況，由式（7）知：

因此，導(dǎo)槽穩(wěn)定性滿足要求。由表4可見，中間單元和下游單元穩(wěn)定性均滿足要求。

綜上所述，鋼圍堰的導(dǎo)槽和支撐桿件都滿足穩(wěn)定性的要求，且穩(wěn)定富余量較大，可以進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 優(yōu)化措施

由于下游單元導(dǎo)槽強(qiáng)度安全系數(shù)在2.0左右，建議將導(dǎo)槽12號(hào)槽鋼（導(dǎo)向槽）調(diào)成10號(hào)槽鋼，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度依然滿足要求。針對(duì)鋼圍擋上游單元部分導(dǎo)槽構(gòu)件撓度大于容許值的問(wèn)題，可以采用焊接或螺栓連接，將各單元的槽鋼兩兩相連，或采用工字鋼錨固來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。針對(duì)上游單元支撐桿件剛度及穩(wěn)定性不足，建議增大上游單元拐角處?kù)o水區(qū)斜撐，斜撐構(gòu)件規(guī)格由Ф75 mm×3.75 mm調(diào)整增加為Ф75 mm×4.25 mm；為了減小導(dǎo)槽的變形，可以將斜撐上點(diǎn)支撐點(diǎn)向上移至1.25 m處來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。對(duì)于面板，部分工況上游單元和中游單元面板的變形量大于容許值，建議在鋼面板靜水側(cè)水下部位增設(shè)豎向加勁肋，在水下將面板與導(dǎo)槽實(shí)施螺栓聯(lián)結(jié)。

經(jīng)計(jì)算分析，在兩組工況條件下，優(yōu)化后鋼圍堰的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足要求，可應(yīng)用于實(shí)際工程。

4 結(jié) 語(yǔ)

建立了圍堰結(jié)構(gòu)的有限元模型，利用ANSYS數(shù)值模擬軟件，對(duì)各構(gòu)件的受力狀況及整體結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析；對(duì)于典型的兩組不同壓力荷載，鋼圍堰整體強(qiáng)度符合要求。結(jié)構(gòu)分析表明，在兩組工況下，上游單元導(dǎo)槽和斜撐變形量較小，但面板變形量較大，鋼圍堰內(nèi)部只有斜撐支撐，需要適當(dāng)增加斜撐構(gòu)件規(guī)格，將斜撐上的支撐點(diǎn)向上移來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。在鋼板靜水側(cè)水下部位增設(shè)豎向加勁肋，改善結(jié)構(gòu)受力條件。鋼圍堰上游單元部分導(dǎo)槽構(gòu)件撓度大于容許值，提出了采用焊接或螺栓連接，將各單元的槽鋼兩兩相連，或采用工字鋼錨固來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。在外側(cè)動(dòng)水條件作用下，鋼圍堰有向下游運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，需要在底部設(shè)置重物進(jìn)行壓重，以增大圍堰與渠底的摩擦力。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法，成功應(yīng)用于工程實(shí)際，為鋼圍堰的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。