船閘人字門結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析及優(yōu)化

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(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

作為船閘中最常采用的形式，人字閘門由一系列板、殼、梁、桿等構(gòu)件組合而成，為一復(fù)雜的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系。門體在啟閉運行和關(guān)門擋水時的受力狀態(tài)完全不同，因此結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)響應(yīng)有其特殊性和復(fù)雜性。 此外，底樞作為人字閘門的主要支承部件，門體的頻繁啟閉極易造成其構(gòu)件接觸面的過度磨損，繼而導(dǎo)致門軸柱傾斜、底封漏水、側(cè)縫射流，造成被迫斷航搶修和提前大修的情況[1-2]。本文針對某現(xiàn)役人字閘門，對其進行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析及優(yōu)化。

1 結(jié)構(gòu)概述

漢江某航電樞紐工程中的船閘人字門布置在漢江主河道右側(cè)，其軸線與壩軸線正交。船閘等級為Ⅲ級，按通航一頂4艘千噸駁船隊設(shè)計，設(shè)計水頭8.82 m，上、下閘門門葉高度分別為9 800 mm、13 100 mm，單個門葉寬度為13 530 mm。門體結(jié)構(gòu)采用交叉梁系方式布置，主橫梁與面板、門軸柱、斜接柱等構(gòu)成門葉擋水支承系統(tǒng)，門體背面設(shè)置一組預(yù)應(yīng)力背拉桿，主、副桿各由兩根扁鋼組成。結(jié)構(gòu)梁系均為實腹工字組合梁，門軸柱和斜接柱均采用開口式截面。關(guān)門擋水時，采用連續(xù)鋼支承方式將反力傳遞于閘首邊墩，并兼作側(cè)止水。閘門底樞為固定式，頂樞采用三角桁架式。上下閘首人字門均采用臥式直推式液壓啟閉機，門葉通過置于其頂部的啟閉桿實現(xiàn)靜水啟閉。

2 數(shù)值仿真

2.1 有限元模型

考慮到人字閘門結(jié)構(gòu)的對稱性，只建立單側(cè)門體模型，其中X軸沿門葉厚度方向、Y軸沿門葉寬度方向、Z軸沿門葉高度方向，見圖1。

圖1 人字閘門有限元計算模型

本閘門底樞為固定式，軸承臺的固定支座剛度較大，故模型中將蘑菇球頭底部剛性固定，取代底樞軸承臺模型。承軸巢與蘑菇球頭的接觸屬于柔體(承軸巢)-剛體(蘑菇球頭)的面-面接觸，通常選取剛度相對較大的蘑菇球頭作為目標(biāo)面，采用targe170接觸單元定義；承軸巢(軸瓦)為接觸面，選用單元conta174定義。承軸巢與蘑菇球頭局部有限元模型見圖2。

鑒于背拉桿的結(jié)構(gòu)及受力特點，模型中采用LINK8桿單元進行模擬，背拉桿端部節(jié)點與門體的連接采用耦合處理。模型單元類型見表1。

圖2 底樞軸承巢與蘑菇球頭接觸模型

表1 模型單元類型匯總表

2.2 載荷及工況

2.2.1 自然懸掛狀態(tài)

1)載荷。人字閘門自重，背拉桿預(yù)應(yīng)力。

2)約束。底樞蘑菇球頭底面剛性固定，頂樞、啟閉桿及門體連接處均為平面位移約束。

2.2.2 啟、閉運行狀態(tài)

1)載荷。人字閘門自重，背拉桿預(yù)應(yīng)力，門前雍水壓力，風(fēng)壓(與門前水壓力同向作用)。

2)約束。底樞蘑菇球頭底面剛性固定,頂樞、啟閉桿及門體連接處均為平面位移約束。

2.2.3 關(guān)門擋水狀態(tài)

1)載荷。人字閘門自重,背拉桿預(yù)應(yīng)力,風(fēng)壓,擋水面板正面水壓力,門軸柱、斜接柱的X面水壓力,底橫梁局部的Z向水壓力。

2)約束。底樞蘑菇球頭底面剛性固定,頂樞平面位移約束,門軸柱端側(cè)支承為平面位移約束,斜接柱端側(cè)支承為對稱約束。

依據(jù)設(shè)計要求，人字閘門為靜水啟閉，且按剩余水頭差0.1 m考慮，故開、關(guān)門時，門前雍水高度取為0.1 m，且水壓力作用方向相反。

2.3 背拉桿預(yù)應(yīng)力優(yōu)化

人字閘門為板架結(jié)構(gòu)，其抗扭能力相對較弱。背拉桿作為抵抗門體彎曲變形的主要構(gòu)件，對其施加預(yù)應(yīng)力可以提高人字門在關(guān)門擋水狀態(tài)下的抗彎剛度，同時減少人字門在自重作用下的變形，使閘門在開啟與關(guān)閉時，門扇平面的彎曲變形方向相反，并均保持較小的數(shù)值。

對背拉桿預(yù)應(yīng)力的數(shù)值模擬主要有等效力法、等效應(yīng)變法和等效降溫法。目前，等效降溫法在不涉及熱分析的結(jié)構(gòu)計算中較為實用，該法通過對材料設(shè)置線膨脹系數(shù)，繼而在給定的溫差下即可獲得與預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變等效的效果。本文采用等效降溫法，模擬實際操作時背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)試過程，將門體僅在自重作用下背拉桿預(yù)應(yīng)力與門軸柱、斜接柱的位移關(guān)系列于表2。

表2 背拉桿預(yù)應(yīng)力優(yōu)化匯總表

注:初始狀態(tài)為門體不設(shè)背拉桿，僅在頂樞、底樞、啟閉桿處約束時的狀態(tài)。X向位移，“+”表示該點位移指向上游面，“-”表示該點位移指向下游面。Z向位移為正值，表示位移方向與重力方向相同。

如圖3～6所示，當(dāng)背拉桿調(diào)試4次后，門體Z向位移沿水平軸線方向分布均勻，且最大Z向位移出現(xiàn)在斜接柱處。由于背拉桿的作用，門體各角點向下游方向變形且量值相當(dāng)，擋水面板中部向上游方向偏移，整個門體呈“帆狀”變形。斜接柱端封板徑向位移呈“弓型”分布，最大相對變位為0.25 mm，其中上、下角點最大相對變位僅為0.18 mm，門扇基本保持垂直。

主、副桿應(yīng)力為58.41和33.42 MPa，且主、副桿應(yīng)力值滿足設(shè)計及規(guī)范要求[3]。

由表2可見，不設(shè)背拉桿時，門扇彎曲變形相當(dāng)嚴(yán)重，垂直于門扇的最大X向位移發(fā)生于斜接柱下角點，其值為13.99 mm，最大相對徑向變位為21.87 mm(斜接柱上、下角點X向位移之差)，斜接柱下角點最大Z向位移為6.49 mm?？梢娙舨辉O(shè)置背拉桿，此程度的變形將使閘門無法正常工作。

圖3 第4次調(diào)試門體垂向位移分布云圖

圖4 第4次調(diào)試門體徑向位移分布云圖

圖5 第4次調(diào)試斜接柱端封板徑向位移分布云圖

圖6 第4次調(diào)試背拉桿von Mises應(yīng)力分布云圖

2.4 結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

2.4.1 典型工況下靜態(tài)響應(yīng)分析

以第四次調(diào)試結(jié)果為基礎(chǔ)，對結(jié)構(gòu)在自由懸掛、啟閉過程以及關(guān)門擋水等典型工況下的響應(yīng)進行分析，各主要構(gòu)件應(yīng)力、門體變形情況見表3、4。

表3 各工況下主要構(gòu)件應(yīng)力匯總 MPa

表4 各工況下門體變形匯總 mm

注：X向位移，“+”表示該點位移指向上游面，“-”表示該點位移指向下游面。Z向位移為正值，表示位移方向與重力方向相同。

2.4.2 模態(tài)分析

多數(shù)工程實例表明，關(guān)門擋水狀態(tài)下，門體易在充、泄水過程中的某一水位段出現(xiàn)振動，而振動的激勵源主要是充、泄水時的水力脈動和漏水所引起的水力脈動[6]。因此從激勵源的角度考慮，應(yīng)確保門體良好的密封性，避免底水封漏水、側(cè)縫射流等情況發(fā)生；從結(jié)構(gòu)自身特性考慮，可適當(dāng)增加背拉桿預(yù)應(yīng)力，以提高人字門的剛度和抗變形能力,使門體基頻避開脈動水壓頻率范圍。

針對本船閘人字門，采用附加質(zhì)量法考慮水體與結(jié)構(gòu)的耦合作用，研究閘室內(nèi)充、泄水過程中，門體自振頻率變化規(guī)律，見表5。

表5 門體自振頻率匯總

由表5可見，在上、下游最大水位差的情況下，門體前三階固有頻率比上、下游無水位差時稍大，即由水壓變化引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力增加使門體剛度增大。由水力學(xué)資料可知，水流脈動壓力頻率范圍一般為1～20 Hz，而由模態(tài)分析結(jié)果可知，閘室充、泄水時門體基頻始終在該范圍之內(nèi)，故在脈動水壓作用下，門體極有可能發(fā)生共振，表現(xiàn)為局部橫梁的垂向振動。而通過對該人字閘門的實際考察可知,充、泄水過程中,當(dāng)上、下游水位差為1.0～1.5 m時，門體確實出現(xiàn)了振動并伴有異響。因此在確保門體良好密封性的同時，有必要適當(dāng)增加背拉桿預(yù)應(yīng)力,提高門體剛度。

2.5 優(yōu)化建議

1)橫、縱梁及擋水面板等構(gòu)件在自由懸掛、啟閉過程中應(yīng)力值較小，故此時門體內(nèi)的應(yīng)力值不作為控制因素。此外相比橫梁及擋水面板，斜接柱和門軸柱剛性較大，門體變形主要由剛性較小的橫梁和面板承擔(dān)，故在面板與門軸柱、斜接柱連接區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，而該區(qū)域焊接構(gòu)件較多，反復(fù)啟閉過程中的交變應(yīng)力可能引起焊接區(qū)域的疲勞破壞。

2)關(guān)門擋水時，橫梁與擋水面板的應(yīng)力值均較其它3種情況有大幅度的提高，且呈自上而下逐漸增大的趨勢(見圖7、8)，因此可考慮在控制門體總重的情況下，適當(dāng)減小上部面板厚度，增大下部面板厚度，使面板內(nèi)應(yīng)力分布相對均勻。此外該工況下，過大的拱軸壓力可能導(dǎo)致橫梁的局部失穩(wěn)，因此可在橫梁腹板增設(shè)橫、縱向加強筋或適當(dāng)增大底部橫梁腹板厚度以提高橫梁局部穩(wěn)定性。

圖7 關(guān)門擋水時，擋水面板應(yīng)力分布云圖

3)各工況下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均位于底樞的蘑菇球頭,且承軸巢與蘑菇球頭應(yīng)力分布極不均勻，并出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在門體啟閉過程中，過高的接觸壓力將加速底樞構(gòu)件的磨損。已有文獻指出，提高船閘底樞使用壽命，除提高材質(zhì)和加工工藝水平外，最有效的方法是增設(shè)浮箱，

圖8 關(guān)門擋水時，橫梁應(yīng)力分布云圖

利用其產(chǎn)生的浮力減少門體的工作重量[4]。底樞部分主要承受門體的自重及啟閉力產(chǎn)生的水平力，由于閘門增設(shè)浮箱后，門體作用在底樞上的垂直力會減小，相應(yīng)的水平力也將有所減小，作用在蘑菇頭上的合力作用點有所改變，這對底樞部分受力是有利的[5]。

4)背拉桿在幾種工況下的應(yīng)力值變化不大，其中開門狀態(tài)、關(guān)門擋水狀態(tài)主桿應(yīng)力值較預(yù)應(yīng)力值有所降低，副桿應(yīng)力值較預(yù)應(yīng)力有所提高。這是因為在這兩種工況下，水壓引起門軸柱下角點向下游偏移，從而使主桿應(yīng)力得到松弛，副桿應(yīng)力增加。

由表4可知,開門、關(guān)門過程中，由于雍水壓力作用方向相反，故斜接柱相對徑向變位大小相近、方向相反，這也表明背拉桿預(yù)應(yīng)力對門體在自重下的彎曲變形有良好的抑制作用；關(guān)門擋水時，由于較大的水壓作用，門體發(fā)生偏向下游的彎曲變形，對應(yīng)表3可知，此時副桿應(yīng)力值達到最大。

3 結(jié)論

1)背拉桿的作用是增加門體抗扭剛度以及關(guān)門擋水狀態(tài)下的抗彎剛度，閘門日常運行的多數(shù)故障(如門體振動)等，均可通過調(diào)節(jié)背拉桿的預(yù)應(yīng)力加以解決。本文采用降溫法模擬背拉桿預(yù)應(yīng)力的調(diào)試過程，對閘門及同類結(jié)構(gòu)的計算仿真具有較好的參考價值。

2)相比自由懸掛狀態(tài)，啟閉過程中的雍水壓力會增加門體的徑向變形，因此門體應(yīng)盡量避免過大的啟閉速度，以減小水位雍高，降低門體的彎曲變形。

3)對于船閘人字門，結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析及優(yōu)化的重點在于背拉桿、底樞、擋水面板及橫梁等主要承力構(gòu)件，且應(yīng)以自由懸掛狀態(tài)下的門體變形量和關(guān)門擋水狀態(tài)下的構(gòu)件應(yīng)力值作為控制因素。增設(shè)浮箱作為降低門體工作重量的有效措施，可有效地改善底樞構(gòu)件受力狀態(tài)，但此時增加的浮托力會改變門體原有受力狀態(tài)，故有必要對門體背拉桿預(yù)應(yīng)力進行重新調(diào)試。此外，適當(dāng)調(diào)整擋水面板、橫梁等構(gòu)件厚度可使其應(yīng)力分布相對均勻，充分發(fā)揮材料性能；而在橫梁面板增設(shè)加強筋,一方面可提高橫梁局部穩(wěn)定性，防止其在較大拱軸壓力下發(fā)生失穩(wěn)；另一方面可提高關(guān)門擋水狀態(tài)下的門體基頻，減小脈動水壓誘導(dǎo)橫梁發(fā)生共振的可能性。

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