一種新型軟支撐翻板鋼閘門門葉設(shè)計探討

張淑琴，郄志紅，吳鑫淼，李英

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北保定 071001；2.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

一種新型軟支撐翻板鋼閘門門葉設(shè)計探討

張淑琴1，郄志紅1，吳鑫淼1，李英2

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北保定 071001；2.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

新型軟支撐翻板鋼閘門機(jī)構(gòu)，由于閘門支撐結(jié)構(gòu)采用點(diǎn)支撐，結(jié)構(gòu)柔性較大、受力復(fù)雜，設(shè)計計算方法尚不成熟。本文分別采用平面體系分析法和三維有限元法計算門葉主、次梁的應(yīng)力，結(jié)果表明：兩種方法計算的應(yīng)力均以拉應(yīng)力為主，但平面體系分析法計算的應(yīng)力的75%均大于三維有限元法計算的應(yīng)力。

閘門結(jié)構(gòu)；門葉結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)計算；對比分析

閘門是用來調(diào)節(jié)流量和上下游水位、宣泄洪水和排放泥沙，以獲得防洪、灌溉、引水發(fā)電、排沙等效益的常見水工結(jié)構(gòu)。閘門門葉結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法分為平面體系分析法和空間結(jié)構(gòu)體系分析法［1-2］。平面體系分析法即在盡可能符合結(jié)構(gòu)的實際工作條件的情況下，將空間結(jié)構(gòu)分拆成幾個平面體系計算，平面閘門、弧形閘門、人字閘門等可根據(jù)門葉結(jié)構(gòu)、受力特點(diǎn)和荷載傳遞途徑將門葉分為面板、主梁、次梁分別設(shè)計計算。

空間結(jié)構(gòu)體系分析法是在符拉索夫的開口薄壁桿件理論［3］提出后，正式在工程界開始使用，但由于符拉索夫理論對閘門的簡化偏離實際情況，整體分析和局部計算如何配合沒有一定的計算準(zhǔn)則，工作中有時仍需按平面體系分析法進(jìn)行核算，所以符拉索夫理論未能取代平面體系分析法的地位。

近年來，三維有限元法［4-5］配合數(shù)字電子計算機(jī)的出現(xiàn)，使結(jié)構(gòu)得以按空間體系分析計算，已有不少學(xué)者研究了這一方法在水工閘門中的應(yīng)用。軟支撐翻板鋼閘門由于不受閘門槽的約束，且門葉位置由4個支撐點(diǎn)固定，面板柔性較大、受力復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)計算方法還不太成熟，如圖1、圖2所示。從圖1、圖2中可以看出，軟支撐翻板鋼閘門主次梁區(qū)分不明顯，部分橫、縱梁沒有直接接觸到地面或軟支撐，處于“漂浮”狀態(tài)，本文采用平面體系分析法和空間結(jié)構(gòu)體系分析法分別計算該門葉結(jié)構(gòu)的橫、縱梁的應(yīng)力，對比分析平面體系分析法是否適用于軟支撐翻板鋼閘門門葉的設(shè)計計算。

圖1 軟支撐翻板鋼閘門立面圖

1 軟支撐翻板鋼閘門簡介

1.1 閘門結(jié)構(gòu)型式

圖2 翻板鋼閘門平面布置、梁系簡化圖

軟支撐翻板鋼閘門主要由平板鋼閘門、圓筒形橡膠袋、各部分連接件及止水、門間連環(huán)等構(gòu)成。閘門由鋼面板與型鋼梁格系統(tǒng)焊接而成；相鄰閘門以止水和連環(huán)扣件聯(lián)系，可以多門一聯(lián)，聯(lián)間以閘墩分隔，每聯(lián)兩側(cè)的閘門與閘墩的接觸部分安裝P型橡膠止水；閘門通過支鉸與圓筒橡膠袋上部的帶凹槽的法蘭相連，帶凹槽的法蘭與圓筒橡膠袋上部套接，并以鋼箍加固；圓筒橡膠袋下部與套接法蘭相連，同樣以鋼箍加固；套接法蘭與底板凹槽中的預(yù)埋件以螺栓相連；圓筒橡膠袋的充放水管前段與充放水干管相連，后端埋入混凝土底板，其出口與圓筒橡膠袋相通。閘門開啟時，與充放水干管相連的水泵先開始工作，向充放水干管及單個圓筒橡膠袋的充放水管充水，閘門被充水的圓筒橡膠袋頂起，達(dá)到所要求的位置后停泵，閘門關(guān)閉時，打開管路的泄水閥門放水，隨著各圓筒橡膠袋中水被排除，則閘門逐漸臥倒，與堰頂齊平［6］。

1.2 門葉結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

軟支撐翻板鋼閘門門葉結(jié)構(gòu)由面板和梁格體系組成，梁格體系又由橫梁（輕型工字鋼）、縱梁（輕型槽鋼）和斜梁（不等邊角鋼）組成，其作用是支撐面板，以減少面板的厚度。支撐結(jié)構(gòu)呈縱向?qū)ΨQ布置，分為兩個底部硬支承和兩個上部軟支撐，硬支承為圓柱鉸，軟支撐為圓筒橡膠袋，軟支撐安裝在門葉的主梁后翼緣板上，門葉可以在軟支撐的控制下繞底部圓柱鉸旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)水位調(diào)節(jié)。

軟支撐翻板鋼閘門的主梁分為主橫梁和主縱梁，以圖2中軟支撐翻板鋼閘門為例，主橫梁是以軟支撐或硬支撐為支座的雙懸臂的簡支梁結(jié)構(gòu)，主縱梁是以硬支撐和軟支撐為支座的單懸臂的簡支梁結(jié)構(gòu)，次橫梁是以主梁為支座的單懸臂的簡支梁結(jié)構(gòu)，次橫梁是以接觸的縱梁為支座的連續(xù)梁。

2 門葉結(jié)構(gòu)計算

以某小型水電工程上的軟支撐翻板鋼閘門［7］為例，整個溢流壩段共長99.3m，分成4孔，孔與孔之間由閘墩間隔，每個閘墩寬800mm，4孔中除第1孔由4扇閘門組成外，其余均為5扇閘門，每扇閘門尺寸均為5.1m×2m（寬×高），閘門設(shè)計水頭2m，每扇閘門主框架由主梁（輕型工字鋼100）、次梁（輕型槽鋼100）和斜梁（不等邊角鋼L755010）組成，梁與梁之間采用齊平式連接，面板為厚0.8cm的鋼板，面板平面布置及梁系簡化見圖2。

2.1 平面體系分析法

從圖2中可以看出，閘門縱向?qū)ΨQ，計算時由于4號縱梁，5、6號橫梁與軟、硬支撐相連故設(shè)為主梁，且軟、硬支撐處為主梁的鉸支座，1號橫梁，2、3號縱梁設(shè)為次梁，次梁與主梁交匯處為次梁的鉸支座，縱向次梁與橫向次梁交匯處為橫向次梁鉸支座。平面閘門荷載通過面板依次傳給斜梁、次梁、主梁和支撐結(jié)構(gòu)、埋件，梁承受的水壓力面積按角平分線及其交點(diǎn)的連線所包的范圍進(jìn)行計算，如圖2所示。本文僅計算橫梁、縱梁應(yīng)力。

以1號多跨連續(xù)橫梁計算為例，采用力法計算其彎矩與應(yīng)力，計算梁的應(yīng)力時，梁慣性矩的計算需要考慮面板參與梁彎曲的有效寬度［8］，而面板參與作用的有效寬度B與主梁高跨比r、面板長寬比l0/b、主梁剪切系數(shù)λs及翼緣腹板面積比β等參數(shù)有關(guān)，隨著主梁剪切系數(shù)λs、高跨比r、翼緣腹板面積比β增大，面板有效寬度系數(shù)明顯增大。面板有效寬度［9］：

式中ξ為有效寬度系數(shù)，可通過查鋼閘門設(shè)計規(guī)范中表G1得到。也可計算得到，公式為：

主、次梁的拉、壓應(yīng)力計算結(jié)果見表1。從表1中可以看出，由平面體系分析法計算的應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，且大部分梁計算的應(yīng)力均較大，3、4、5、6號梁的拉應(yīng)力與5號梁的壓應(yīng)力均大于結(jié)構(gòu)抗拉壓容許應(yīng)力［σ］=160MPa。

2.2 三維有限元法

采用三維有限元軟件計算在設(shè)計水位下、閘門全開時面板受力情況。根據(jù)軟支撐翻板閘門的實際特點(diǎn)，將門葉結(jié)構(gòu)的面板定義為薄板單元（SHELL63單元），主梁、次梁、斜梁定義為空間梁單元（BEAM188單元）。板梁之間是相互剛接的，面板傳來的水壓力通過主梁、次梁、斜梁依次傳給支撐結(jié)構(gòu)，在荷載或者其他外力作用下，由于梁單元具有彈性而與薄板同時發(fā)生變形和位移。閘門結(jié)構(gòu)采用Q235鋼，其鋼材的彈性模量，泊松比0.3，密度，整個閘門劃分為5360個單元，4636個節(jié)點(diǎn)，見圖3。

圖3 閘門網(wǎng)格劃分

圖4給出了閘門結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算結(jié)果，從圖4中可以看出，由于軟支撐處設(shè)為點(diǎn)支撐，在其附近應(yīng)力最大，最大應(yīng)力達(dá)到121.71MPa，但小于鋼構(gòu)件抗拉容許應(yīng)力。主、次梁應(yīng)力計算結(jié)果見表1。

圖4 閘門面板等效應(yīng)力

表1 主、次梁最大應(yīng)力單位：MPa

3 兩種計算結(jié)果對比分析

對比表1中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)由平面體系分析法和三維有限元法計算的梁的應(yīng)力均以拉應(yīng)力為主，但由平面體系分析法計算的應(yīng)力多數(shù)大于鋼構(gòu)件抗拉壓容許應(yīng)力。對于三維有限元法計算，門葉采用梁殼單元模擬，將梁單元與板殼單元剛接，梁包含在殼面內(nèi)，梁單元與板單元共用節(jié)點(diǎn)同時發(fā)生變形和位移。而平面體系分析法的計算是將門葉拆分為板、主梁和次梁，荷載通過面板傳給次梁，再通過次梁鉸支座傳給主梁，最終到達(dá)支撐結(jié)構(gòu)或埋件，但面板與梁變形不同步，以5號主梁為例，由于其為底梁，面板不參與主梁彎曲，主梁受到面板傳來的均布荷載作用和次梁通過鉸支座傳來的集中力作用，而面板僅受均布水壓力，受力不同，計算的撓度不同，變形不同步，所以平面體系分析法對軟支撐翻板鋼閘門門的設(shè)計計算并不適用。

4 結(jié)語

針對目前廣泛發(fā)展但設(shè)計計算方法尚不成熟而限制其發(fā)展的軟支撐翻板鋼閘門提出應(yīng)用平面體系分析法和空間結(jié)構(gòu)體系分析法分別進(jìn)行設(shè)計計算，分析結(jié)果表明平面體系分析法對軟支撐翻板鋼閘門門葉的設(shè)計計算并不適用。

［1］李英.柔性液壓翻板鋼閘門的結(jié)構(gòu)分析與智能優(yōu)化［D］.保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

［2］安徽省水利局勘測設(shè)計院.水工鋼閘門設(shè)計［M］.北京：水利出版社，1980.

［3］陳昌宏，黃鶯，單建.考慮圣維南翹曲變形的初始扭轉(zhuǎn)薄壁梁單元剛度矩陣［J］.工業(yè)建筑，2012（4）.

［4］龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［5］王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［6］李松輝.基于APDL及遺傳算法的水工結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法及其應(yīng)用［D］.保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

［7］范志國，鄭向輝.新型軟支撐翻板閘門的設(shè)計與應(yīng)用［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2006（S2）.

［8］申永康，王正中，劉計良．深孔鋼閘門面板參與主梁彎曲的有效寬度分析［J］．北京:水力發(fā)電學(xué)報，2011，30（4）．

［9］SL 74—95，水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范［S］．

Discussion on Design of New Type Soft Support Flap Gate

ZHANG Shu-qin1，QIE Zhi-hong1，WU Xin-miao1，LI Ying2
（1.Agriculture University of Hebei，Baoding 071001，China；2.Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

Because the gate is supported by four points，and the structure has greater flexibility and more complex force，the theory calculation method is not mature enough.Plane system analysis method and ANSYS are used to calculate stress of main，sub-beam，and the result indicate that the stress calculated by the two methods is mainly tensile stress，but seventy-five percent of stress calculated by plane system analysis method is greater than that of ANSYS.

gate structure；door leaf structure；structure calculation；comparison analysis

TV663+.8

A

1672-9900（2013）01-0035-03

2012-10-29

張淑琴（1985-），女（漢族），河北滄州人，碩士，主要從事水利工程信息化技術(shù)研究，（Tel）15931868772。