基于ABAQUS的翻板閘壩鋼閘門自振特性有限元分析

黃冠權(quán)，楊 琳，張建球

(1.廣西北部灣國際港務(wù)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530028；2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

鋼閘門作為擋水結(jié)構(gòu)在治河工程中較為常見，保證其正常運(yùn)行對河道治理意義重大。為保證水工鋼閘門結(jié)構(gòu)建設(shè)符合設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求，保證其工程質(zhì)量，須對建設(shè)過程中和建成的水工鋼閘門工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)體質(zhì)量檢測工作，其中，閘門結(jié)構(gòu)振動特性的檢測尤為重要。由于現(xiàn)場檢測環(huán)境的復(fù)雜性，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動特性檢測結(jié)果受到干擾致使結(jié)論不準(zhǔn)確。擬采用數(shù)值模擬分析的方法對實(shí)體檢測結(jié)果進(jìn)行輔助驗(yàn)證，以保證工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量評價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 工程概況

為提高河道的防洪能力，同時(shí)使河道在非汛期得到有效利用，某河段河道治理工程采用翻板閘壩形式，實(shí)現(xiàn)了對河道的生態(tài)化治理。其中，1#、2#、6#、7#翻板閘壩工程于2016年11月開工建設(shè)，2017年5月完工。為保證工程質(zhì)量達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求，工程檢測單位對上述閘壩的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)體工程檢測。

2 ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析

ABAQUS有限元軟件在人機(jī)交互方面具有強(qiáng)大優(yōu)勢[1]，ABAQUS/CAE提供的交互式圖形環(huán)境及豐富的單元庫，能讓操作者非常簡便地建立分析模型。且ABAQUS能自動選擇合適的收斂準(zhǔn)則，在模型運(yùn)算時(shí)對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證結(jié)果的收斂性和準(zhǔn)確性。

動力學(xué)分析在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中很常見，進(jìn)行動力分析是ABAQUS的一個(gè)重要優(yōu)勢。工程結(jié)構(gòu)具有多個(gè)固有頻率，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，避免結(jié)構(gòu)的固有頻率與可能的荷載頻率過分接近是關(guān)鍵。在ABAQUS中，使用線性攝動分析步(Linear perturbation)來求解結(jié)構(gòu)的振型和振動頻率，操作簡便。本研究運(yùn)用ABAQUS線性攝動分析步方法對鋼閘門固有振動頻率和振型進(jìn)行求解分析。

2.1 模型建立

參考相似工程的數(shù)值模擬分析案例[2-5]，本研究以2#翻板閘壩鋼閘門門葉為例建立ABAQUS三維有限元模型。翻板鋼閘門高3 m，寬6.4 m。以橫梁方向?yàn)閤向，縱梁方向?yàn)閥向，水流方向?yàn)閦向建立坐標(biāo)系，以m為單位建立1∶1比尺的ABAQUS分析模型。固定鋼閘門面板底部y方向位移和轉(zhuǎn)角，以此模擬閘底板對閘門的約束；固定閘門面板兩側(cè)面x和z方向的位移和轉(zhuǎn)角，以此模擬閘門槽對閘門的約束；對結(jié)構(gòu)整體施加重力。面板及梁的材料均采用Q235鋼，其力學(xué)性質(zhì)見表1。

2.2 網(wǎng)格劃分

鋼閘門門葉由面板和縱、橫梁組成，面板為規(guī)則六面體，采用Hex(六面體)形狀網(wǎng)格劃分；縱、橫梁為槽鋼結(jié)構(gòu)，其腰腿連接處不適用Hex形狀網(wǎng)格劃分，在此采用Hex-dominated(六面體占優(yōu))形狀網(wǎng)格劃分，允許過渡區(qū)域出現(xiàn)楔形單元，使得網(wǎng)格在結(jié)構(gòu)上分布均勻。

2.3 結(jié)果分析

2#翻板閘壩鋼閘門門葉結(jié)構(gòu)ABAQUS三維有限元模型建立完成后，提交作業(yè)進(jìn)行模型自振特性分析。利用ABAQUS線性攝動頻率提取分析步求解鋼閘門的自振頻率和振型，由于結(jié)構(gòu)自振響應(yīng)往往取決于相對較少的幾階振型，在這里計(jì)算鋼閘門的前10階振動模態(tài)。分析得到的2#翻板閘壩鋼閘門門葉結(jié)構(gòu)前10階自振頻率見表2，并列出前五階具有代表性的鋼閘門門葉結(jié)構(gòu)振型及應(yīng)力分布云圖，見圖1～5。

圖1 一階振型應(yīng)力分布云圖

圖2 二階振型應(yīng)力分布云圖

圖3 三階振型應(yīng)力分布云圖

圖4 四階振型應(yīng)力分布云圖

圖5 五階振型應(yīng)力分布云圖

分析各階結(jié)構(gòu)自振應(yīng)力分布云圖，可知：

(1)各階振型下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均超過材料屈服強(qiáng)度，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，大大降低材料的力學(xué)性能，造成結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)，進(jìn)而影響鋼閘門整體穩(wěn)定性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，失去閘門有效啟閉、擋水泄水性能，最終使閘門不能按照設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行工作。

(2)由結(jié)構(gòu)各階振型可知：一階振型中，面板和縱、橫梁沿迎水方向彎曲凹陷，變形以中心位置縱梁為軸成軸對稱分布，處于結(jié)構(gòu)對稱軸附近的主梁和上下橫梁出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象且超過屈服強(qiáng)度；二階振型中，面板和縱、橫梁呈波浪形彎曲，變形以中心位置縱梁為軸成中心對稱分布，最大應(yīng)力為2.79E+4 MPa，處于左右兩縱梁偏中心軸位置的主梁和上下橫梁上，且超過屈服強(qiáng)度；三階振型中，面板和縱、橫梁發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，其中，接近閘門底部的左側(cè)縱梁扭轉(zhuǎn)變形最為嚴(yán)重；四階振型中，面板發(fā)生波浪形彎曲變形，縱梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，最大應(yīng)力出現(xiàn)在上橫梁與中心軸交接處；五階振型中，局部變形發(fā)生在左右縱梁的第三截，為扭轉(zhuǎn)變形，且出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，超過了材料的屈服強(qiáng)度。

3 現(xiàn)場檢測結(jié)果及對比分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[6]，鋼閘門現(xiàn)場檢測采用脈沖錘為外界激勵(lì)，測點(diǎn)布設(shè)于上橫梁右幅，采用動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖6所示。

圖6 鋼閘門現(xiàn)場檢測測點(diǎn)布設(shè)圖

將1#、2#、6#、7#翻板閘壩自振頻率現(xiàn)場實(shí)測值與數(shù)值模擬所得結(jié)果對比數(shù)據(jù)繪于圖7。由圖7可知，本次現(xiàn)場檢測的鋼閘門門葉自振頻率實(shí)測值與數(shù)值模擬結(jié)果吻合度較高，后者數(shù)值相對偏高，但仍處于合理范圍內(nèi)，故ABAQUS數(shù)值模擬結(jié)果具有可靠性。

圖7 鋼閘門自振頻率實(shí)測值與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖

4 結(jié)語

(1)本研究中的ABAQUS有限元軟件數(shù)值模擬在結(jié)構(gòu)、邊界條件和荷載方面對實(shí)體鋼閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場檢測實(shí)測值吻合度高，驗(yàn)證了此ABAQUS有限元模型的可靠性。

(2)由數(shù)值模擬結(jié)果可知，鋼閘門結(jié)構(gòu)受外界激勵(lì)發(fā)生共振現(xiàn)象時(shí)，將使結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等大變形，導(dǎo)致材料超過其屈服強(qiáng)度，喪失力學(xué)性能，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不能按照設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行正常工作。故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營階段，應(yīng)避免外界載荷頻率接近結(jié)構(gòu)自振頻率，防止生產(chǎn)事故的發(fā)生。

(3)可運(yùn)用本研究思路建立ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析模型對鋼閘門現(xiàn)場檢測結(jié)果進(jìn)行指導(dǎo)，在鋼閘門交、竣工實(shí)體工程檢測中，為排除結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的可能性，應(yīng)著重對不同工況下鋼閘門的振動頻率進(jìn)行檢測，保證結(jié)構(gòu)安全。

(4)在鋼閘門振動檢測過程中，建議在進(jìn)行鋼閘門結(jié)構(gòu)振動頻率檢測的同時(shí)在對應(yīng)測點(diǎn)進(jìn)行動、靜應(yīng)變檢測，與結(jié)構(gòu)振動頻率結(jié)果作橫向比較以確保檢測結(jié)果的全面性。