大頂子山弧形泄洪閘冰壓承載能力數(shù)值分析

劉東，謝博群，崔洪斌，于泉海，姚德

(1.哈爾濱工程大學(xué) 多體船國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱，150001；2.黑龍江水運(yùn)建設(shè)發(fā)展有限公司，黑龍江 哈爾濱，150020)

大頂子山弧形泄洪閘冰壓承載能力數(shù)值分析

劉東1，謝博群1，崔洪斌1，于泉海2，姚德2

(1.哈爾濱工程大學(xué) 多體船國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱，150001；2.黑龍江水運(yùn)建設(shè)發(fā)展有限公司，黑龍江 哈爾濱，150020)

松花江流域大頂子山航電樞紐工程的建成改變了河流的水文，使得水面變寬、流速變緩、江水易結(jié)冰。冬季結(jié)冰對(duì)泄洪閘門(mén)的日常運(yùn)行管理產(chǎn)生極為不利的影響，靜冰擠壓可能會(huì)使閘門(mén)產(chǎn)生較大變形致使閘門(mén)無(wú)法抬起。根據(jù)閘門(mén)設(shè)計(jì)圖紙，采用有限元分析軟件ANSYS建立有限元模型。根據(jù)該閘門(mén)的工作狀態(tài)與當(dāng)?shù)厮馁Y料確定結(jié)冰期內(nèi)的極限組合工況。將此極限工況按冰厚分成若干等級(jí)，其中靜冰擠壓力的取值參考《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(2006)的相關(guān)規(guī)定。在每一組合工況下分析弧形鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，通過(guò)二分法確定閘門(mén)靜冰擠壓力承載上限。計(jì)算結(jié)果表明，在結(jié)冰期內(nèi)，閘門(mén)基本可以承受0.2m厚的冰載荷，此結(jié)論可以為大頂子山航電樞紐泄洪閘的冬季破冰作業(yè)提供一定的數(shù)據(jù)支持。

大頂子山；弧形鋼閘門(mén)；ANSYS；冰載荷

1 概述

寒冷地區(qū)結(jié)冰期水工結(jié)構(gòu)物易受冰載荷作用，若防護(hù)措施不足易導(dǎo)致水工結(jié)構(gòu)變形過(guò)大影響正常使用甚至影響結(jié)構(gòu)安全，若嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定[1]進(jìn)行抗冰作業(yè)則抗冰成本過(guò)高且作業(yè)環(huán)境惡劣。所以，抗冰作業(yè)需要合理的指導(dǎo)，指導(dǎo)抗冰作業(yè)的關(guān)鍵是獲取冰載荷以及分析冰載荷對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的影響。

冰載荷的確定方法在船舶與海洋工程領(lǐng)域研究較多，可以概括為三種方法：一是直接通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)多點(diǎn)局部冰壓，然后擬合出冰載荷的分布；二是監(jiān)測(cè)冰載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，如結(jié)構(gòu)應(yīng)變，位移等，通過(guò)結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)反推出冰載荷；三是監(jiān)測(cè)浮冰運(yùn)動(dòng)，通過(guò)牛頓第二定律估算浮冰沖擊力[2-7]。

國(guó)內(nèi)外鮮有學(xué)者對(duì)冰區(qū)閘門(mén)結(jié)構(gòu)冰載荷進(jìn)行研究，在缺乏實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況，本文借鑒國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范[1]對(duì)壩體靜冰擠壓力的規(guī)定，通過(guò)二分法估算不同冰厚下冰層對(duì)閘門(mén)的擠壓力，在涉及冰壓作用情況下對(duì)閘門(mén)強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，確定閘門(mén)冰壓的安全承載極限，為結(jié)冰期破冰作業(yè)提供了數(shù)據(jù)支持。

圖1 大頂子山航電樞紐示意圖Fig.1 The sketch map of Dadingzi mountain navigation power junction

圖2 結(jié)冰期泄洪閘門(mén)Fig.2 The sluice gate during the freezing gate

2 結(jié)冰期閘門(mén)載荷

2.1 閘門(mén)冰載荷

大頂子山航電樞紐結(jié)冰期上游水域幾乎全被厚冰覆蓋，但是在發(fā)電機(jī)組進(jìn)水口處，冬季保持不結(jié)冰，此自由液面可在一定程度上釋放冰蓋內(nèi)力。在自由液面外圍數(shù)米范圍內(nèi)，冰蓋厚度僅有幾厘米，在自由液面以外冰蓋厚度逐漸增大，最厚處達(dá)1.5米。泄洪閘前2米處若不進(jìn)行破冰作業(yè)，冰厚可達(dá)0.8米，貼近閘門(mén)處冰厚甚至可達(dá)1.6米以上，見(jiàn)圖1。

國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范規(guī)定閘門(mén)結(jié)構(gòu)不允許承受靜冰擠壓力，但規(guī)范并未給出閘門(mén)靜冰擠壓力的計(jì)算方法或計(jì)算公式。規(guī)范的這種規(guī)定有其不合理的一面，若閘門(mén)強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性足夠，則可以承受一定的冰載荷，在保證閘門(mén)安全的基礎(chǔ)上減少破冰成本。于是參考《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(2006)中冰層膨脹對(duì)壩面或其他寬長(zhǎng)建筑物水平擠壓力的確定方法來(lái)近似得到閘門(mén)冰載荷，冰載荷具體數(shù)值如表1所示。

表1 靜冰壓力值

結(jié)合大頂子山水利樞紐的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況分析，其實(shí)際所承受的靜冰擠壓力較表中給出的冰擠壓力偏小，主要原因有二：

(1)泄洪閘門(mén)與自由液面(水輪機(jī)進(jìn)水口)最大間距僅160米，整個(gè)冰蓋的內(nèi)力可以通過(guò)自由液面進(jìn)行釋放；

(2)大壩本體前出閘門(mén)數(shù)米，冰蓋對(duì)閘門(mén)的擠壓力被壩體吸收了一部分。

在沒(méi)有實(shí)測(cè)冰擠壓力數(shù)據(jù)的情況下，按此法確定的閘門(mén)靜冰擠壓力理應(yīng)偏大，卻不絕對(duì)，因?yàn)楸鶖D壓力分布不均且易受冰蓋下水的波動(dòng)影響。但根據(jù)此法確定冰擠壓力并分析閘門(mén)強(qiáng)度可以對(duì)大頂子山水利樞紐泄洪閘冬季日常維護(hù)與破冰作業(yè)提供一定的指導(dǎo)，具有一定的科學(xué)意義。

2.2 其他主要載荷

閘門(mén)正面止水，最大靜水頭約9.7米，水位持續(xù)變化，在整個(gè)結(jié)冰期內(nèi)水位波動(dòng)不超過(guò)20cm；閘門(mén)背面水位極低，水壓基本可以忽略不計(jì)。除靜水壓之外，閘門(mén)還承受動(dòng)水壓、波浪載荷以及閘門(mén)自重等載荷。波浪載荷主要集中在閘門(mén)上層，在結(jié)冰期內(nèi)表面波受到抑制，故分析時(shí)不計(jì)閘門(mén)波浪載荷，見(jiàn)圖2。

最終極限工況定義為不同冰厚下的冰載荷、閘門(mén)正面10米靜水壓、閘門(mén)背面無(wú)水壓、動(dòng)水壓取靜水壓的20%以及閘門(mén)自重。

3 閘門(mén)強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性分析

依據(jù)閘門(mén)結(jié)構(gòu)圖紙，在ANSYS中建立閘門(mén)的模型，如圖3-4所示。參考文獻(xiàn)[8]給出了詳細(xì)建模過(guò)程、模型邊界條件以及結(jié)構(gòu)材料。

圖3 閘門(mén)三維模型Fig.3 3-D model of the gate

圖4 閘門(mén)有限元模型Fig.4 Finite element model of the gate

閘門(mén)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，應(yīng)按《水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的計(jì)算原則以及規(guī)定的載荷，根據(jù)實(shí)際可能發(fā)生的最不利的載荷組合情況，按基本載荷組合和特殊載荷組合條件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算。

對(duì)于閘門(mén)的承載構(gòu)件和連接件，應(yīng)計(jì)算正應(yīng)力和剪應(yīng)力。在同時(shí)承受較大正應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用處，還應(yīng)計(jì)算折算應(yīng)力，計(jì)算的最大應(yīng)力值應(yīng)不超過(guò)容許應(yīng)力的5%[9-18]。

該弧形鋼閘門(mén)是復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)，焊縫處大多產(chǎn)生結(jié)構(gòu)突變，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。由于存在焊縫，很難用有限元模型模擬焊縫處情況，同時(shí)焊接熱影響在一定程度上改變了焊縫處的材料性能。本文在有限元分析過(guò)程中未考慮焊縫的影響，焊縫處的計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，所以忽略對(duì)焊縫處應(yīng)力水平的分析。

3.1 閘門(mén)強(qiáng)度分析依據(jù)

《水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了閘門(mén)結(jié)構(gòu)件的容許應(yīng)力，閘門(mén)結(jié)構(gòu)板件的厚度為10mm-50mm，按厚度將結(jié)構(gòu)分成2組計(jì)算許用應(yīng)力：

次橫梁、小梁結(jié)構(gòu)：[σ]=160MPa，[τ]=95MPa

閘門(mén)其他結(jié)構(gòu)：[σ]=225MPa，[τ]=135MPa

對(duì)于閘門(mén)結(jié)構(gòu)物，按照第四強(qiáng)度等效應(yīng)力以及最大剪切應(yīng)力分析強(qiáng)度，見(jiàn)圖5-圖7。

閘門(mén)門(mén)板、主橫梁、次橫梁、垂梁、支臂等結(jié)構(gòu)，其第四強(qiáng)度等效應(yīng)力，即Von Mises應(yīng)力：

≤[σ]

(1)

若規(guī)定主應(yīng)力大小為σ1≥σ2≥σ3，則第三強(qiáng)度等效應(yīng)力為：

σr3=|σ1-σ3|

(2)

所以：

(3)

3.2 閘門(mén)剛度分析依據(jù)

《水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了受彎構(gòu)件的最大撓度與計(jì)算跨度之比：

(1)對(duì)于露頂式工作閘門(mén)和事故閘門(mén)的主梁，L/600作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，L為主梁計(jì)算跨度，取值13200mm，所以：

2）給排水控制系統(tǒng)運(yùn)行中PLC實(shí)際作用的發(fā)揮，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常工作時(shí)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，且在PLC模擬量輸入模塊的作用下，借助傳感器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)水倉(cāng)水位的實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)而了解供水井涌水量的實(shí)際情況。同時(shí)，通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的科學(xué)分析及高效利用，可以實(shí)現(xiàn)排水泵的啟停。對(duì)電機(jī)電流、水泵軸溫、電機(jī)溫度和排水管等要素進(jìn)行有效控制，在傳感器與變送器的配合作用下，實(shí)現(xiàn)水泵及電機(jī)運(yùn)行工況的監(jiān)測(cè)分析，從而降低其故障發(fā)生率[4]。

(4)

(2)對(duì)于次梁，l/250作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，l為次梁計(jì)算跨度，次橫梁沿水平方向10個(gè)跨度，共有兩種計(jì)算跨度，其中有6個(gè)靠近閘門(mén)中線(xiàn)的跨距，取計(jì)算跨度l1=2200mm，4個(gè)靠近兩側(cè)的跨距，取計(jì)算跨度l2=1475mm，所以：

(5)

3.3 閘門(mén)穩(wěn)定性分析依據(jù)

閘門(mén)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力分布具有一定的復(fù)雜性，由于閘門(mén)支臂、次橫梁翼板與腹板、垂梁翼板與腹板等受到較大壓應(yīng)力，可能會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。但是《水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于閘門(mén)并沒(méi)有給出具體的分析方法，本文根據(jù)理想線(xiàn)彈性屈曲理論，通過(guò)ANSYS對(duì)閘門(mén)進(jìn)行線(xiàn)性屈曲分析，算出特征系數(shù)，分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 基于二分法確定閘門(mén)冰載荷承受能力

首先計(jì)算出無(wú)冰載荷、0.4m冰載荷、0.6m冰載荷聯(lián)合水壓作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，如下所示：

圖5 第四強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖(無(wú)冰載荷)Fig.5 Stress contour of the forth stress(without ice load)

圖6 第四強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖(0.4m冰載荷)Fig.6 Stress contour of the forth stress(with 0.4m ice load)

圖7 第四強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖(0.6m冰載荷)Fig.7 Stress contour of the forth stress(with 0.6m ice load)

分別分析水壓、0.4m冰載荷聯(lián)合水壓、0.6m冰載荷聯(lián)合水壓三種工況下的閘門(mén)安全性，得到閘門(mén)的承載極限位于前2種工況之間，這樣通過(guò)二分法逐步趨近于閘門(mén)承載極限，最終得到其極限工況約為0.2m冰載荷聯(lián)合水壓，該工況下閘門(mén)強(qiáng)度(見(jiàn)表2)、剛度(見(jiàn)表3)以及穩(wěn)定性的具體分析如下：

圖8-圖17為0.2m冰厚時(shí)，考慮冰擠壓力和水壓載荷聯(lián)合作用下，閘門(mén)各構(gòu)件的等效應(yīng)力云圖。

圖8 門(mén)板第四強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖Fig.8 Stress contour of the forth stress for door plank

圖9 門(mén)板第三強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖Fig.9 Stress contour of the third stress for door plank

圖10 主橫梁第四強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖Fig.10 Stress contour of the forth stress for main beam

圖11 主橫梁第三強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖Fig.11 Stress contour of the third stress for main beam

圖12 次橫梁第四強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖Fig.12 Stress contour of the forth stress for secondary beam

圖13 次橫梁第三強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖Fig.13 Stress contour of the third stress for secondary beam

圖14 垂梁第四強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖Fig.14 Stress contour of the forth stress for vertical beam

圖15 垂梁第三強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖Fig.15 Stress contour of the third stress for vertical beam

圖16 支臂第四強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖Fig.16 Stress contour of the forth stress for support arm

圖17 支臂第三強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖Fig.17 Stress contour of the third stress for support arm

結(jié)構(gòu)最大計(jì)算結(jié)果許用應(yīng)力分析結(jié)果門(mén)板σr4233.885225—門(mén)板τmax132.928135滿(mǎn)足規(guī)范要求主橫梁σr4209.866225滿(mǎn)足規(guī)范要求主橫梁τmax111.131135滿(mǎn)足規(guī)范要求次橫梁σr4163.522160—次橫梁τmax84.20695滿(mǎn)足規(guī)范要求垂梁σr4201.978225滿(mǎn)足規(guī)范要求垂梁τmax109.244135滿(mǎn)足規(guī)范要求支臂σr4150.117225滿(mǎn)足規(guī)范要求支臂τmax82.658135滿(mǎn)足規(guī)范要求

圖18-圖19為為0.2m冰厚時(shí)，考慮冰擠壓力和水壓載荷聯(lián)合作用下，閘門(mén)主橫梁和次橫梁的節(jié)點(diǎn)位移云圖。

圖18 主橫梁位移云圖Fig.18 Displacement contour of main beam

圖19 次橫梁位移云圖Fig.19 Displacement contour of secondary beam

結(jié)構(gòu)最大計(jì)算撓度許用撓度分析結(jié)果主橫梁9.97222滿(mǎn)足規(guī)范要求次橫梁-13.2228.8滿(mǎn)足規(guī)范要求次橫梁-22.9785.88滿(mǎn)足規(guī)范要求

對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)總體進(jìn)行線(xiàn)性屈曲分析計(jì)算，得到0.2m冰厚下其特征值系數(shù)為2.065，計(jì)算結(jié)果如圖20所示：

圖20 閘門(mén)線(xiàn)性屈曲分析結(jié)果(考慮冰載荷)Fig.20 Analysis results of linear buckling(considering ice load)

5 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)大頂子山水利樞紐泄洪閘實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況與《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(2006)中冰層膨脹對(duì)壩面或其他寬長(zhǎng)建筑物水平擠壓力的相關(guān)規(guī)定確定了三種基本的極限載荷工況。

2)分別分析三種極限載荷工況(水壓、水壓聯(lián)合0.4m冰載荷、水壓聯(lián)合0.6m冰載荷)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，得到閘門(mén)的承載極限位于前2種極限工況區(qū)間之內(nèi)。

3)通過(guò)二分法逐漸逼近閘門(mén)的承載極限，得到閘門(mén)的承載極限約為：上游止水面靜水頭10米、動(dòng)水壓力以20%的靜水壓計(jì)入、閘門(mén)自重、0.2m冰厚對(duì)應(yīng)的冰載荷以及閘門(mén)下游不受任何壓力作用。

4)分析結(jié)果表明：大頂子山水利樞紐弧形泄洪閘的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性允許其在承受極限水壓載荷以外承受0.2m冰厚引起的靜冰擠壓力。

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Numerical analysis of ice pressure bearing capacity of Dadingzimountain arc sluice

LIU Dong1，XIE Boqun1,CUI Hongbin1,YU Quanhai2,YAO De2

(1.Multi-hull Ship Technology Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense，Harbin Engineering University ，Harbin 150001，China；2.Heilongjiang Water Transportation Construction Development Co.,Ltd，Harbin 150020,China)

The construction of Dadingzi mountain navigation power junction project in Songhua River Basin has changed the hydrological regime of rivers，which makes water wider，flow rate slower and river water easy to freeze.However，freezing environment can have an extremely adverse effect on the daily operation and management of the gate in winter.The deformation may occur on the gate due to the static ice extrusion so that it fails to lift.According to the design drawings of the gate，the finite element analysis software ANSYS was used to build the finite element model.The extreme combined conditions during the freezing period are determined by working condition of the gate and the local hydrological data，then they are divided into several levels according to the ice thickness，in which the value of the static ice pressure is referenced to the relevant provisions of “Design code for anti-freezing hydraulic structures (2006)”.The strength，stiffness and stability of the steel arc gate are evaluated under each combined working condition，and the upper limit of the static pressure bearing capacity of the gate is determined by the dichotomy method.The calculation results show that the gate is basically able to bear the ice load with 0.2m ice thickness during the freezing period.This conclusion provides data support for the ice breaking operation on Dadingzi mountain navigation power junction sluice in winter.

Dadingzi mountain；steel arc gate；ANSYS；ice load

1672-7010(2017)02-0075-08

2017-02-24

西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2014364554050)

劉東(1993-)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞與斷裂研究

崔洪斌(1969-)，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究

TV663+.2

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