摘要:水闸设计在运输、防洪、灌溉以及水利等工程中属于非常关键的内容。水闸闸室作为一种低水头水工建筑物，通常结构比较复杂且采用钢筋混凝土建设，在施工开展中，设计人员一般采用重复设计方法，但这种方法效率较低，计算过程太复杂，会产生巨大的浪费。鉴于此，本文运用ANSYS软件进一步优化了开敞式水闸的闸室结构，不仅有效减少了设计工作量与工作难度，还实现了对水闸设计体系的丰富，在切实提升设计水平与质量的基础上为水利施工建设保驾护航。
关键词：开敞式水闸；优化设计；闸室结构；ANSYS软件
前言：闸室在挡水过程中会受到水压力，水闸在水压力的推动下会向下游滑动，所以，只有依靠闸室自身的重力，才能保障闸室的稳定性。但是由于上下游水位差较大，水闸的地基经常会有上游水经过，然后绕过两岸流向下游，所以亟需进一步优化其结构，在水闸设计过程中，对其结构进行优化有着不可忽视的重要意义与作用。
1在ANSYS软件中实现优化的方法
作为一个大型通用有限元分析程序，ANSYS融合了热、电磁、流体以及结构等专业与方向，通常运行在超级计算机、工作站以及个人电脑上。ANSYS软件包含后处理模块、分析计算模块以及预处理模块等三个主要模块，分别承担了电义边界约束、网格划分以及实体建模；优化分析、灵敏度以及耦合分析各个物理场；对结果进行优化、计算、输出等功能。一般而言，利用ANSYS软件进行优化可从以下几个步骤进行：选择合适的方法，创建优化需要的模型，对于设计标准要求，若优化结构可以很好的满足，就进行迭代计算，最优方案就是最终得到的目标函数的极值。
1.1提取和求解ANSYS中的实体单元内力
通常可通过单元表在ANSYS环境下获取水闸梁单元的内力结果。在分析水闸的结构性过程中，可从三方面入手：第一，使用ANSYS中的实体单；第二，转化水闸各截面节点为截面弯矩；第三，实施配筋设计闸墩和闸底板。实现这种转化可采取路径映射法与面操作法两种方法：
（1）路径映射法
也可运用路径映射对内力进行转换，发Z面：
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（2）面操作法
在对实体单元模型内力进行计算过程中，使用ANSYS软件面操作功能的步骤：确定已经计算的结果→定义目标截面→将应力映射到目标截面上→进行数据运算→若坐标轴和截面中心轴线不重合，将内力转化到截面中心上→得到不同位置截面求的内力重复以上步骤。
但因为在对截面应力进行计算过程中应用此方法有一定的误差，所以本文章在以下两个方面优化这种方法。
（1）用两个节点应力的平均值与这两点的距离相乘，以此来获取合力，并对两点间形心的位置采用梯形公式进行计算。
（2）为了对水闸闸室力的精确值进行更为精确的求取，第一，需要运用ANSYS软件的路径显示功能，将各个截面上节点应力值的大小显示出来；第二，通过上述方法对内力值进行计算。ANSYS软件的路径显示功能可以在模型的任意一条径上映射内力值，然后沿着该路径进行有效的计算，获取最终结果。本文对所取的节点通过这一功能可以实现加密，提高计算精度。
在ANSYS软件中，路径属性需要输入path命令定义，随后输入ppath命令对路径点进行定义，再输入pdef命令沿路径对结果数据进行映射。最后可通过plpagm或plpath命令在完成数据映射后，用列表及显示图像的方法进行观察。
1.2配筋设计
水闸的应力分布情况可以通过三维有限元法精确计算出来，并结合设计规范配筋、水闸的受力特点以及计算结果，在ANSYS软件中计算配筋。第一，在结构荷载计算截面作用下，产生的弯矩M，可根据配筋量、选用材料的强度、水闸闸室的尺寸进行计算。结合水工混凝土结构设计要求，与截面极限弯矩Mu相比，M应较小，计算配筋的步骤：计算截面抵抗弯矩系数→计算相对受压区计算高度→得到钢筋截面面积→得到钢筋配筋率。
结合配筋计算的程序，以闸门为界，在底板顺水流方向分为两个区段，对各个工况下闸室的两个横截面进行选取，对控制截面的内力进行计算，最后对闸墩与底板最大弯矩的配筋进行求取。
2分析实际案例
例如位于我国干流与支流交汇处的某水闸工程，防护堤与两侧相连，汛期时开闸排直流水，非汛期时关闸挡干流水，节制闸全长为95米，地震烈度为6度。
2.1材料参数
由基岩与混凝土组成的工程模型，具体材料包括了，混凝土：泊松比0.167；密度2450kg/m3；弹性模量2.8*104MPa。基岩：泊松比0.3；密度2600kg/m3；弹性模量2.0*104MPa。
2.2荷载计算和组合
（1）计算荷载
载荷计算组合表在水闸闸室上主要包括荷载种类与部分计算组合：工况1，挡外河水，自重，下游水重；工况2，设计洪水位，自重，上游水重，下游水重，上游水压力。结合工程相关规范与实际工程环境，对两种工况下的荷载组合进行计算后得到：工况1，闸前无水，闸后水位60.10m（P=5%）；工况2，闸前的水位60.18m，闸后水位60.10m（P=5%）。
2.3建立有限元模型
（1）选择模型单元
与四面体相比，六面体单元组成的截面比更加规范，可以将节点应力转为弯矩和截面轴力，在计算模型过程中采用六面体单元，并利用SOLID45单元对三维固体结构进行构造，在X、Y、Z轴方向，将该方法定义的各个节点沿着轴有三个平移的自由度，能实现对闸室复杂结构的精确拟合。在计算前，应对混凝土与地基泊松比、弹性模量等数值进行确定。
（2）对模型进行构建
研究对象为整体闸室左半部分，地基、底板以及闸墩间的相互作用应在计算闸室结构时进行充分考虑。选取计算模型的范围在计算有限单元时：需要从闸室向左岸和右岸延长至两倍闸室高度，然后再从上下游分别延长两倍闸室的高度，同时地基深度也需要达到闸室两倍高度。Z轴是由左岸指向右岸的方向；Y轴是垂直向上的方向；X轴是从上游指向下游的方向。在分析模块过程中，利用ANSYS软件进行优化，第一，对初始结构的尺寸大小进行确定，然后利用迭代计算得到优化数值。再通过LGWRITE命令在求解后，于Jobname.lgw中写入数据库内部的命令，这样生成的分析文件较为完整。
2.4分析优化结果
（1）优化设计变量的结果
结合闸室结构的大小，对三个设计变量闸墩厚度、底板长度以及底板厚度进行选取，优化结果：地板长度，原设计值15，工况1优化值15.462，工况2优化值15.021；地板厚度，原设计值1.5，工况1优化值1.0035，工况2优化值1.0034；中墩，原设计值1.7，工况1优化值1.4384，工况2优化值1.4029；边墩，原设计值1.55，工况1优化值1.0502，工况2优化值1.0510。
（2）优化状态变量
状态变量在两种工况下：工况1，抗滑稳定系数1.2245，最大基底应力-0.72676MPa,最小基底应力-0.15673MPa；工况1，抗滑稳定系数57.564，最大基底应力-0.69343MPa，最小基底应力-0.16832MPa。
（3）目标函数优化结果
目标函数为总投资最小，混凝土每立方米300元，钢筋每吨5000元，在使用迭代运算工况1与2得到优化结果，工况1与工况2造价分别为54万9900元与53万2221元，与62万9650元的原投资总造价相比，有了明显的减少。
结束语：
综上所述，开敞式水闸工程较为复杂，投资较为巨大，采用优化技术，不仅能节约工程造价，还能有效提升设计水平。本文主要通过采取了ANSYS平台，其作为水工结构分析中常用的软件，可以通过有限无法对开敞式水闸优化命令进行编写，结合实际工程，证实得到的优化结果较为可靠、合理。
参考文献：
[1]张晓波，郑雄伟.平原河网的开敞式水闸过流计算方法[J].中国农村水利水电，2013（09）.
[2]崔朕铭，蔡新，黄海田等.软土地基上水闸整体结构优化设计[J].水利水电科技进展，2016（01）:86-89.
[3]强安良，周少敏.基于遗传优化算法的水闸闸室优化设计[J].陕西水利，2011（05）:88-90.
[4]梁一飞，李国宁，王文强.一种新型水闸的结构布置及三维有限元分析[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版)，2014（04）:95-102.
[5]刘云虎.复杂水闸施工技术中的高效工程管理研究[J].工程经济，2015（03）:41-46.
[6]赵永刚，钟恒昌，孙明霞等.洪积地层上某水闸地基设计方案比选[J].人民黄河，2012（11）:129-131.