基于有限元對舊桁架進(jìn)行受力及加固分析

范 如 谷

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

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基于有限元對舊桁架進(jìn)行受力及加固分析

范 如 谷

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

以巴基斯坦蘇勒曼奇攔河壩修復(fù)改造工程中舊桁架改造為例，介紹了如何運用有限元對舊桁架進(jìn)行建模，如何確定邊界條件和受力情況，如何加載并進(jìn)行有限元計算，如何對有限元計算結(jié)果進(jìn)行分析校核，如何確定桁架中需要進(jìn)行加固的桿件和連接件。

有限元；建模；計算；舊桁架；加固；蘇勒曼奇攔河壩

1 概 述

巴基斯坦蘇勒曼奇攔河壩修復(fù)改造工程是對現(xiàn)有攔河壩進(jìn)行修復(fù)改造。其大壩及金屬結(jié)構(gòu)均為上世紀(jì)20年代制作，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行攔河壩的改造升級，尤其需要特別注意的是對金屬結(jié)構(gòu)部分的改造升級。

蘇勒曼奇攔河壩修復(fù)改造工程中的閘門、閘門埋件、啟閉機(jī)均為全新設(shè)計制作；但桁架仍采用原來的舊桁架，由于其使用時間長，需要特別注意舊桁架的腐蝕情況，因此，必須對其進(jìn)行計算校核。筆者采用有限元軟件對桁架進(jìn)行了計算分析。

2 有限元模型的建立

蘇勒曼奇工程中，閘墩、閘門、平衡重、桁架和啟閉機(jī)(包括驅(qū)動裝置、傳動軸及卷筒裝置等)典型結(jié)構(gòu)形式見圖1。桁架安裝在閘墩上，啟閉機(jī)安裝在桁架上。啟閉機(jī)驅(qū)動裝置通過傳動軸驅(qū)動卷筒裝置，卷筒裝置通過鋼絲繩與閘門和平衡重相連，驅(qū)動閘門及平衡重在門槽中升降實現(xiàn)閘門的開啟和關(guān)閉以控制水的流量。

這種形式的布置，其所有的力(包括閘門自重、開啟閘門所需要克服的阻力、平衡重自重等)通過鋼絲繩傳遞到卷筒裝置上，最后全部作用在桁架上。因此，對桁架的強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核計算就顯得尤為關(guān)鍵。

使用有限元軟件對桁架進(jìn)行建模，首先需要確定桁架的具體尺寸。由于其為舊桁架，年代久遠(yuǎn)，原來的圖紙資料不完善，很多尺寸需要現(xiàn)場測量確定；其次，對于桁架中每個桿件的截面尺寸也需要現(xiàn)場測量確定。進(jìn)行舊桁架的校核計算，必須做好前期的準(zhǔn)備工作，其中包括對桁架尺寸及桁架桿件截面尺寸的測量。

圖1 閘墩、閘門、桁架和啟閉機(jī)的典型結(jié)構(gòu)形式圖

確定好桁架尺寸及桿件截面后開始建模。桁架多采用梁單元和桁架單元，而梁單元和桁架單元大致可以按照下述受力情況進(jìn)行分類：受彎桿件按梁單元建模；僅受拉或受壓桿件按桁架單元建模。

建模時，充分考慮了桁架各桿件和連接件長時間以來的腐蝕情況，適當(dāng)減少了桿件截面尺寸。所建立的有限元模型見圖2。X方向為下游指向上游方向，Y方向為左岸指向右岸方向，Z方向為垂直向上方向。

3 計算載荷的確定

桁架模型建好后，開始確定邊界條件和受力情況。該桁架立柱的最下端是固定在閘墩上的，為全約束。

該桁架受力情況較為復(fù)雜。桁架受到的力大致包括以下幾種：啟閉機(jī)自重、人在桁架上行走產(chǎn)生的力、啟閉力(包括閘門自重和開啟閘門所需要克服的阻力)、平衡重自重、風(fēng)載荷、地震載荷等。

圖2 桁架有限元模型圖

根據(jù)閘門啟閉情況，可以將其分為四種最不利的載荷組合工況：

工況一：閘門在下極限時，啟閉力約等于閘門自重加開啟閘門所需要克服的阻力，此時啟閉力大，風(fēng)從下游吹向上游，風(fēng)載荷作用在啟閉機(jī)、桁架、平衡重上；

工況二：閘門在上極限時，啟閉力約等于閘門重，風(fēng)從下游吹向上游，風(fēng)載荷作用在啟閉機(jī)、桁架、閘門上。由于閘門處于上極限，整個閘門面均承受風(fēng)載荷，此時風(fēng)載荷大；

工況三：閘門在下極限時，啟閉力約等于閘門自重加開啟閘門所需要克服的阻力，此時，啟閉力大，地震載荷從下游指向上游；

工況四：閘門在上極限時，啟閉力約等于閘門重，風(fēng)從下游吹向上游，地震載荷從下游指向上游。由于閘門處于上極限，整體重心高，此時地震載荷大。

最后，根據(jù)各個力的作用位置和大小加載力。

4 計算結(jié)果

加載好力和約束條件后，即可進(jìn)行有限元計算。按上述四種工況分別進(jìn)行有限元計算，對比其應(yīng)力和變形結(jié)果，得出在工況一載荷組合作用下，桁架應(yīng)力和變形均為最大，桁架應(yīng)力分布情況見圖3，桁架變形情況見圖4。

通過有限元計算結(jié)果可以看出：桁架主梁上游側(cè)靠近桁架立柱處的應(yīng)力值最大，因此，對這兩處需要進(jìn)行校核，判斷其是否需要進(jìn)行加固處理(包括桿件及連接件加固及更換)。而桁架的最大變形為9.14 mm，跨度為20 066 mm，變形約為1/2 195，遠(yuǎn)小于合同要求，滿足使用要求，不需要再加強(qiáng)其剛度。

桁架進(jìn)行局部加固后，在工況一載荷組合作用下，再次進(jìn)行有限元計算，其桁架應(yīng)力分布情況見圖5。

圖3 工況一載荷組合作用下桁架應(yīng)力分布圖

圖4 工況一載荷組合作用下桁架變形圖

圖5 工況一載荷組合作用下加固后桁架應(yīng)力分布圖

通過有限元計算結(jié)果可以看出，經(jīng)過局部加固桁架，有效地減小了桁架的局部應(yīng)力。

5 計算結(jié)果的分析與校核

采用有限元軟件計算出結(jié)果后，其中一些受彎桿件可以直接用有限元計算出來的最大應(yīng)力值與規(guī)范給出的許用應(yīng)力值相比較，對于小于規(guī)范給出的許用應(yīng)力值則不需要進(jìn)行加固，大于則進(jìn)行加固，然后再進(jìn)行計算比較。針對一些受壓桿件，還需進(jìn)行穩(wěn)定性校核，將采用有限元計算出來的最大應(yīng)力值與規(guī)范計算出來的許用應(yīng)力值進(jìn)行比較，對于小于規(guī)范計算出來的許用應(yīng)力值則不需要進(jìn)行加固，大于則進(jìn)行加固，然后再進(jìn)行計算分析與比較。

筆者通過兩個典型的桁架桿件加固計算詳細(xì)說明桁架的加固計算過程。

(1) 桁架受彎桿件的比較與計算。

桁架主梁上游側(cè)靠近桁架立柱處下部橫梁有限元計算出來的最大應(yīng)力值為106.4 MPa(圖2)，此件為受彎桿件，通過標(biāo)準(zhǔn)(水工建筑閘門及壓力鋼管技術(shù)規(guī)范)查出其許用壓應(yīng)力為118 MPa，滿足使用要求。

(2)桁架受壓桿件的校核與計算。

桁架主梁上游側(cè)靠近桁架立柱處斜撐有限元計算出來的最大應(yīng)力值為102.4 MPa(圖2)，為壓應(yīng)力。因該斜撐為受壓桿件，需進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校核。該斜撐長度為1 966.86 mm，其慣性半徑為36.75 mm，通過標(biāo)準(zhǔn)(水工建筑閘門及壓力鋼管技術(shù)規(guī)范)計算出其許用壓應(yīng)力為93.5 MPa，小于有限元計算出來的最大應(yīng)力值102.4 MPa，因此，該斜撐需進(jìn)行加固。該斜撐與桁架其它桿件為鉚釘連接，一端為9顆直徑為22.225 mm的鉚釘，其許用剪切應(yīng)力為42.62 MPa，遠(yuǎn)小于有限元計算出來的最大應(yīng)力值，需更換為高強(qiáng)螺栓。

斜撐加固后，有限元計算出來的最大應(yīng)力值為90.58 MPa(圖3)，為 壓 應(yīng) 力。斜 撐 長 度 為1 966.86 mm，其加固后的慣性半徑為39.17 mm，通過標(biāo)準(zhǔn)(水工建筑閘門及壓力鋼管技術(shù)規(guī)范)計算出其加固后的許用壓應(yīng)力為95.9 MPa，大于有限元計算出來的最大應(yīng)力值90.58 MPa，滿足使用要求。連接處改用9顆M22-10.9S的高強(qiáng)螺栓，高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力為190 kN，摩擦因數(shù)為0.3，摩擦面為2個面，計算出其許用摩擦力為821 kN，大于此處最大軸心力776 kN(最大軸心力=最大應(yīng)力值×截面積(8 569.7 mm2))，滿足使用要求。

桁架其余桿件的計算可按以上兩種方法進(jìn)行。

6 結(jié) 語

通過有限元計算，可以快速地分析出桁架中各處的受力情況，然后根據(jù)受力情況進(jìn)行局部加固。相對于傳統(tǒng)手工計算來說，桁架的有限元計算大大提高了計算的效率和準(zhǔn)確性，縮短了計算周期。

筆者介紹了如何使用有限元對桁架進(jìn)行建模、加載以及計算結(jié)果分析，如何進(jìn)行舊桁架的加固等， 希望對遇到同樣情況需要進(jìn)行桁架加固計算的同行起到參考作用。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-10-28

文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B文章編號:1001-2184(2016)06-0027-03

范如谷(1982-),男，四川金堂人，處長，工程師，學(xué)士，從事水工金屬結(jié)構(gòu)及啟閉起重設(shè)備制造設(shè)計工作.