溪洛渡水電站1號(hào)導(dǎo)流洞封堵閘門的三維有限元靜力計(jì)算

劉天德，龍朝暉

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 門葉結(jié)構(gòu)布置

閘門孔口尺寸為18m×20m(寬×高，下同)，第一次啟門水頭為18.98m，第二次下閘水頭為12.67m，封堵?lián)跛^為36.43m，閘門總水壓力為97 836kN。門槽采用II型門槽，門型為潛孔式平面滑動(dòng)閘門，門葉結(jié)構(gòu)主要材料為Q345B，下游止水，采用NL150滑道支承，閘門分為6節(jié)，其中2～5節(jié)門葉結(jié)構(gòu)相同。為方便二次安裝，節(jié)間采用螺栓連接。閘門由1臺(tái)2×8000kN固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)操作，揚(yáng)程47m。門葉結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 門葉結(jié)構(gòu)布置

2 強(qiáng)度理論與允許應(yīng)力

閘門應(yīng)力分布為三向應(yīng)力狀態(tài)，閘門在常溫、靜載受力狀況下，金屬材料應(yīng)按第四強(qiáng)度理論驗(yàn)算門葉強(qiáng)度。第四強(qiáng)度理論為：

按DL/T5039-95《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》，閘門構(gòu)件允許應(yīng)力[σ]見表1。其中面板允許應(yīng)力=1.1×1.3[σ]=1.43[σ]，其他構(gòu)件允許應(yīng)力=0.9[σ]，1.1×1.3為考慮面板進(jìn)入塑性的系數(shù)，0.9為應(yīng)力折減系數(shù)。

表1 閘門構(gòu)件允許應(yīng)力 MPa

注： [σcd]為腹板局部承壓應(yīng)力，不乘調(diào)整系數(shù)0.9。

3 閘門有限元計(jì)算模型

閘門結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算程序采用國際通用的有限元程序ANSYSWORKBENCH V11。采用三維實(shí)體建模，除連接螺栓、側(cè)輪、小筋板、焊縫未在模型中反映外，其他均按實(shí)體結(jié)構(gòu)尺寸建模。模型中水封橡膠及節(jié)間橡膠墊按小變形線性材料處理，其他材料為結(jié)構(gòu)鋼。橡膠材料彈性模量E=6.5MPa，泊松比μ=0.49，密度ρ=1.5e-6kg/mm3；鋼材彈性模量E=2.05e+5MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85e-6kg/mm3。

圖2 閘門網(wǎng)格劃分

考慮閘門對(duì)稱性，取閘門一半進(jìn)行計(jì)算。有限元模型共劃分171 225個(gè)帶中間節(jié)點(diǎn)的二次實(shí)體單元，320 914個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型網(wǎng)絡(luò)劃分見圖2。

4 閘門有限元靜力計(jì)算

4.1 閘門最高擋水位工況

閘門在第二次下閘及施工堵頭施工完并具備擋水時(shí)，閘門最高擋水水頭為36.43m。頂側(cè)水封壓縮x=-4mm，滑塊頂面位移x=0mm，邊梁底面y=0mm。

4.1.1 各節(jié)門葉位移分布(見圖3、4、5)

圖3為第1節(jié)門葉位移圖，最大位移13.9mm，z軸方向位移分布0.771～13.9mm。

圖3 第1節(jié)門葉位移分布

第2～5節(jié)門葉結(jié)構(gòu)相同，其中第5節(jié)門葉位移最大。圖4為第5節(jié)門葉位移圖，最大位移20.04mm，z方向位移分布1.93～20.04mm。

圖4 第5節(jié)門葉位移分布

圖5為第6節(jié)門葉位移圖，最大位移19.4mm，z方向位移分布0.15～19.4mm。

4.1.2 各節(jié)門葉Mises 應(yīng)力

圖6為面板應(yīng)力分布，最大值115.51MPa，面板強(qiáng)度富裕度較大。

圖7為下游側(cè)梁系后翼緣應(yīng)力分布，最大值為261.6MPa，是面板滑塊部位與邊梁筋板局部承壓應(yīng)力，離開最大值后應(yīng)力迅速降低至100MPa以下。圖中100MPa以下顯示為藍(lán)色，171MPa以上為紅色。其中第6節(jié)門葉第一根主梁后翼緣應(yīng)力為145MPa 左右。

圖8為第5節(jié)門葉下主梁腹板及前翼緣應(yīng)力分布，最大值為204.3MPa，是滑塊部位邊梁后翼緣支承反力在主梁腹板產(chǎn)生的局部承壓應(yīng)力，離開最大值后應(yīng)力迅速降至140MPa以下。

圖9為門葉中心線處縱隔板腹板應(yīng)力分布，最大值為107.9MPa，在主梁前后翼緣與主梁腹板交界處應(yīng)力較大，是腹板產(chǎn)生的局部承壓應(yīng)力。

圖10為邊梁腹板應(yīng)力分布，最大值為162.9MPa，在滑塊部位邊梁后翼緣與筋板交界處應(yīng)力較大，是腹板產(chǎn)生的局部承壓應(yīng)力。

圖11為小梁應(yīng)力分布，最大值為91.7MPa，位于門葉中心附近。

圖5 第6節(jié)門葉位移分布

圖6 面板應(yīng)力分布

圖7 門葉后翼緣應(yīng)力移分布

圖8 面板應(yīng)力分布

圖9 門葉中心線處縱隔板腹板應(yīng)力分布

圖10 邊梁腹板應(yīng)力分布

圖11 小梁應(yīng)力分布

圖12 頂節(jié)門葉結(jié)構(gòu)及水封分布

圖13 頂水封位移分布

名稱滑塊及水封受力HK1HK2HK3HK4HK5HK6HK7頂水封側(cè)水封受力/ kN2 408.42 575.96 617.57 629.98 481.88 979.711 623263516.1平均線壓強(qiáng)/N·mm-12 408.42 575.92 205.82 543.32 827.32 993.23 874.328.525.7

從頂至下各滑塊及水封所受的靜力荷載見表2。

各滑塊受力總和的2倍∑F=96 632.4 kN (重力加速度取9 806.6mm/s2)，計(jì)算得總水壓力P=97 776kN (重力加速度取10 000mm/s2)，相對(duì)誤差0.8%。

4.2 閘門下閘工況

對(duì)于該工況主要關(guān)心頂水封壓板在閘門即將下降至門楣時(shí)的變形情況。橡塑水封對(duì)不銹鋼摩擦系數(shù)取0.2，NL150滑塊對(duì)不銹鋼摩擦系數(shù)取0.05。圖12為該工況頂節(jié)門葉結(jié)構(gòu)位移,圖13為水封位移分布情況，最大值2.36mm，水封及壓板位移均在1.7mm左右，不會(huì)發(fā)生因頂水封壓板變形過大與門楣相碰的情況。

5 結(jié) 論

(1) 模型考慮了水封、滑道的約束，反映了原型的約束情況，對(duì)超彈材料橡膠在小變形情況下作為線彈性材料處理是可行的。

(2) 第5節(jié)門葉最大位移為20.6mm，按支承跨度19 400mm，主梁最大撓度1/942，小于規(guī)范1/750的規(guī)定。第5節(jié)門葉的小梁在門葉中心支承處位移分別為20.3mm、19.7mm，跨中20.2mm；邊跨支承處5.5mm、1.7mm，跨中3.6mm。縱隔板位移基本上是隨閘門位移的整體平移，自身變形較小。

(3) 面板等效應(yīng)力較低，強(qiáng)度富裕度較大。

(4) 梁系各板等效應(yīng)力均小于相應(yīng)板厚的板件容許應(yīng)力，腹板局部承壓應(yīng)力均小于相應(yīng)的局部承壓容許應(yīng)力。

(5) 在閉門工況下，水封及壓板位移均在1.7mm左右，不會(huì)發(fā)生因水封壓板變形過大與門楣相碰的情況。