松花江大頂子山弧形鋼閘門靜力數(shù)值仿真

謝博群，崔洪斌，于泉海，姚德

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.黑龍江水運建設(shè)發(fā)展有限公司，黑龍江 哈爾濱 150020)

松花江大頂子山弧形鋼閘門靜力數(shù)值仿真

謝博群1，崔洪斌1，于泉海2，姚德2

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.黑龍江水運建設(shè)發(fā)展有限公司，黑龍江 哈爾濱 150020)

針對松花江大頂子山弧形鋼閘門結(jié)構(gòu)特點與承載特性，采用通用有限元分析軟件ANSYS，建立有限元模型。根據(jù)該閘門的實際工作狀態(tài)與當?shù)厮馁Y料確定正常運營情況下的極限工況組合并計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析弧形鋼閘門結(jié)構(gòu)強度、剛度以及穩(wěn)定性，為閘門的使用和日常管理提供數(shù)據(jù)支持。計算結(jié)果表明，在正常運營情況下閘門的強度、剛度與穩(wěn)定性均具有一定的安全冗余。

大頂子山；弧形鋼閘門；ANSYS；數(shù)值仿真；

松花江是季節(jié)性冰凍河流，在冰凍河流上修建航電樞紐工程，無論在設(shè)計、施工以及運營管理方面均存在諸多難題。航電樞紐工程使河流的水文情勢發(fā)生改變，水面變寬、流速變緩、江水易結(jié)冰。樞紐工程建成并投入使用后，冰凍環(huán)境又會影響泄洪閘閘門的使用，閘門在靜冰擠壓以及流冰撞擊的作用下可能會發(fā)生變形，甚至影響閘門的安全使用，給航電樞紐的正常運行帶來隱患。按照國內(nèi)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，水工鋼閘門結(jié)構(gòu)不允許承受冰載荷，故在冬季需要進行持續(xù)的破冰作業(yè)。若閘門強度足夠大，可以考慮承受一定的冰載荷以提高經(jīng)濟性，故需要分析正常工況下閘門的強度。大頂子山水利樞紐泄洪閘門(如圖1所示)寬度達20m，門板弧長超過11m，承壓靜水頭可達10m。在正常情況下，為水力發(fā)電可持續(xù)進行，泄洪閘前水位一般維持在較高水平而閘門下游維持在較低水位，從而保持一定的水位差。

圖1 大頂子山弧形鋼閘門Fig.1 Steel arc gate in Dadingzi Mountain

1 正常運行情況下極限工況

弧形鋼閘門在正常運行情況下，閘門正面(即靠上游處)止水，最大靜水頭接近10米，且水頭有持續(xù)變化，但是變化幅度不大；閘門背面同樣承受水壓作用，但靜水頭較小。弧形鋼閘門除承受靜水壓作用外，還承受動水壓、波浪載荷以及閘門自重等載荷。在特殊情況下，閘門結(jié)構(gòu)還可能承受地震載荷、流冰、水面漂浮物的撞擊載荷。

為得到弧形鋼閘門的強度、剛度和穩(wěn)定性的裕度，在正常運營情況下確定極限載荷工況，即閘門上游承受最大靜水壓與動水壓，下游不承受載荷作用，即單向最大承壓狀態(tài)。閘門上游承受的動水壓以20%的靜水壓計入在總載荷中，此外，在有限元計算中計及閘門自重的影響。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，閘門結(jié)構(gòu)不允許承受靜冰擠壓力作用，故在此忽略冰壓作用。

綜合以上考慮，在正常運營情況下，閘門極限載荷工況為:閘門上游承受10m靜水壓頭，下游無水壓作用，動水壓以20%的靜水壓計入總載荷，此外仍要考慮閘門自重的影響。

2 三維有限元模型

根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)圖紙建立閘門的三維模型，如圖2所示，在建立閘門結(jié)構(gòu)三維模型的同時對閘門主要結(jié)構(gòu)的尺寸進行測量以確保三維模型的準確性。

閘門主橫梁為Q345鋼焊接而成的箱型中空結(jié)構(gòu)，閘門支臂通過與主橫梁的連接支撐整個閘門結(jié)構(gòu)；此外，沿門板弧長每0.7—1.15米設(shè)置有次橫梁或小梁結(jié)構(gòu)，次橫梁或小梁結(jié)構(gòu)為Q235工字鋼或槽鋼。此外，閘門結(jié)構(gòu)背部每間隔1.475米或2.2米設(shè)置垂向加強結(jié)構(gòu)。在整個閘門結(jié)構(gòu)中僅有次橫梁、小梁采用Q235鋼，其余全為Q345鋼。

圖2 閘門三維結(jié)構(gòu)圖Fig.2 3-D plot for gate

圖3 閘門結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.3 Finite element model of gate structure

為使有限元模型的計算結(jié)果更好地與實際相符，在保證三維模型精度的前提下采用殼體單元shell281對三維模型進行網(wǎng)格劃分得到有限元模型，如圖3所示。一般情況下，網(wǎng)格越精細，單元形狀越是趨近于正方形，精度越高。該有限元模型單元總數(shù)達398918個，節(jié)點數(shù)達1190776個。

根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)實際工作情況確定有限元模型的邊界條件:閘門的提起與下放依靠液壓裝置使閘門結(jié)構(gòu)繞鉸支座轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，故在有限元模型中將閘門支臂尾端剛性固定于鉸支點并約束鉸支點所有線位移以及鉸支點繞x軸與y軸的角位移。當閘門處于止水狀態(tài)時，閘門底部坐落于混凝土地基上，不可沿垂向移動，故在有限元模型中約束掉閘門底部的垂向線位移。閘門有限元模型邊界條件如圖3所示。

3 閘門結(jié)構(gòu)強度、剛度與穩(wěn)定性評估

對于閘門的承載構(gòu)件和連接件，應(yīng)分析正應(yīng)力和剪應(yīng)力。在同時承受較大正應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用處，還應(yīng)分析折算應(yīng)力，計算的最大應(yīng)力值不應(yīng)超過容許應(yīng)力的5%。

由于該弧形鋼閘門屬于復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)，焊縫處大多為結(jié)構(gòu)突變處，在結(jié)構(gòu)突變出易引起應(yīng)力集中。由于焊縫的存在，很難得到焊縫處精確的三維模型，此外焊縫處的焊接熱影響在一定程度上改變了母材的性能。在本文中，三維有限元分析并未計及焊縫的影響(包括焊縫形狀影響、熱影響)，所以其計算結(jié)果在焊縫處出現(xiàn)失真，故對焊縫處的應(yīng)力水平不作分析。

3.1 閘門結(jié)構(gòu)強度、剛度及穩(wěn)定性評估標準

3.1.1 閘門強度評估依據(jù)

《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》給出了閘門結(jié)構(gòu)件的容許應(yīng)力，閘門結(jié)構(gòu)板件的厚度從10mm至50mm不等，應(yīng)按厚度分成2組分別確定其許用應(yīng)力，具體如下:

(1)對于次橫梁、小梁結(jié)構(gòu):[σ]=160,[τ]=95。

(2)對于閘門其他結(jié)構(gòu):[σ]=225,[τ]=135。

對于閘門結(jié)構(gòu)物，分別按第四強度等效應(yīng)力以及最大剪切應(yīng)力分析其強度水平。對于閘門門板、主橫梁、次橫梁、垂梁、支臂等結(jié)構(gòu)，其第四強度等效應(yīng)力，即Von Mises應(yīng)力為:

(1)

第三強度等效應(yīng)力為:

σr3=σ1-σ3。

(2)

(3)

3.1.2 閘門剛度評估依據(jù)

《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》中明確指出受彎構(gòu)件的最大撓度與計算跨度之比，因此各受彎構(gòu)件最大撓度不應(yīng)超過下列數(shù)值:

(1)露頂式工作閘門和事故閘門的主梁，L/600，L為主梁計算跨度，為13200mm，故:

(4)

(2)次梁，l/250，l為次梁計算跨度，次橫梁沿水平方向共計10個跨度,共有兩種計算跨度，靠近閘門中線的6個跨距的計算跨度l1為2200mm，靠近兩側(cè)的4個跨距的計算跨度l2為1475mm，所以:

(5)

3.1.3 閘門穩(wěn)定性評估依據(jù)

由于該閘門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力分布呈現(xiàn)一定的復(fù)雜性，閘門支臂結(jié)構(gòu)、次橫梁翼板與腹板、垂梁翼板與腹板等結(jié)構(gòu)受到較大壓應(yīng)力，可能會因此而失穩(wěn)。對于該閘門結(jié)構(gòu)，《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》并沒有給出詳細的評估方法，在此根據(jù)理想線彈性屈曲理論，通過ANSYS對其進行線性屈曲分析，給出特征系數(shù)，由此分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 閘門結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

3.2.1 閘門結(jié)構(gòu)強度分析結(jié)果

通過有限元計算得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，在后處理中提取第四強度等效應(yīng)力σr4，得到第四強度等效應(yīng)力云圖，如圖4所示，同樣可以得到第三強度等效應(yīng)力云圖，如圖5所示。在強度評估中忽略掉焊縫處的應(yīng)力集中。

圖4 第四強度等效應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of the forth strength

圖5 第三強度等效應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of the third strength

在ANSYS后處理中提取計算結(jié)果，若應(yīng)力最大點位于結(jié)構(gòu)發(fā)生突變的焊縫處，忽略此最大應(yīng)力，詳細結(jié)果如表1所示。

表1 閘門強度分析結(jié)果 單位:MPa

3.2.2 閘門結(jié)構(gòu)剛度分析結(jié)果

在ANSYS后處理中提取閘門主梁、次梁節(jié)點位移向量，并以節(jié)點位移云圖顯示，如圖6、圖7所示。由上文可知，次橫梁沿水平方向共計10個跨度，在次橫梁的剛度評估中需要單獨考慮每個跨度對應(yīng)的次橫梁最大位移量，根據(jù)跨距可以將次橫梁分成2大類:次橫梁-1跨距為2200mm,次橫梁-2跨距為1475mm。將剛度分析結(jié)果匯總于表2。

圖6主橫梁位移云圖Fig.6 Displacement nephogram of main beams

圖7次橫梁位移云圖Fig.7 Displacement nephogram of sub-beams

結(jié)構(gòu)最大計算撓度許用撓度評估結(jié)果主橫梁9.8122滿足規(guī)范要求次橫梁-12.588.8滿足規(guī)范要求次橫梁-22.315.88滿足規(guī)范要求

3.2.3 閘門結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評估結(jié)果

對閘門結(jié)構(gòu)總體進行線性屈曲分析計算，得到其特征值系數(shù)為9.57，計算結(jié)果如圖8所示:

圖8 線性屈曲分析結(jié)果Fig.8 Analysis results of linear buckling

4 結(jié)語

1.通用有限元分析軟件ANSYS建立了大頂子山弧形鋼閘門的有限元模型，并根據(jù)閘門實際運營情況定義了閘門的邊界條件。

2.結(jié)合大頂子山山弧形鋼閘門實際運營情況與《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》確定了極限載荷工況:上游承受10m靜水壓頭，下游無水壓作用，動水壓以20%的靜水壓計入總載荷，考慮閘門自重。

3.根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》分析了閘門的強度與剛度，強度與剛度均能滿足規(guī)范要求。

4.針對此復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋼閘門，《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》并沒有給出具體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算方法。本文通過ANSYS對閘門結(jié)構(gòu)進行線性屈曲分析，給出特征值系數(shù)，表明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性足夠。

5.本文綜合分析計算了閘門結(jié)構(gòu)的強度、剛度以及穩(wěn)定性，均滿足規(guī)范要求并具有一定的安全冗余，可以考慮承受一定的冰載荷。

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Static numerical simulation of gate steel arc in Songhua River,Dadingzi Mountain

XIE Boqun1,CUI Hongbin1,YU Quanhai2,YAO De2

(1.College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University,Harbin 150001，China; 2.Heilongjiang Water Transportation Construction Development Co.,Ltd.,Harbin 150020,China)

According to the structural features and bearing characteristic of steel arc gate in Songhua River,Dadingzi Mountain,the finite element analysis software ANSYS was used as creating the finite element model.The extreme condition combination and calculated structural response under the normal situation were determined by the working condition of the gate and the local hydrological data.The calculated structural response could be used as assessing the structural strength,rigidity and stability of the gate and providing data to support their use and daily management.The calculation results indicated that the strength,rigidity and stability of the gate had safety redundancy to some extent.

Dadingzi Mountain ;steel arc gate;ANSYS;numerical simulation

1672-7010(2016)04-0076-06

2016-10-10

謝博群(1992-)，湖南邵陽人，男，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞與斷裂

TV663

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