折疊液壓壩支撐結(jié)構(gòu)工作特性有限元分析

俞昊捷,沈振中,徐力群,張宏偉,林 杰

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

液壓壩是一種依靠液壓支撐系統(tǒng)升降擋水面板的低水頭擋水水工建筑物,可調(diào)節(jié)壩體高度,具備擋水溢流、放水泄洪等功能。液壓壩不但能夠克服土石壩不易調(diào)節(jié)水量、容易發(fā)生滑坡,自動(dòng)翻板壩抗洪水沖刷能力差、易受漂浮物卡阻,橡膠壩易受損、使用壽命短等缺點(diǎn),而且能夠?qū)崿F(xiàn)全機(jī)械化操控,方便運(yùn)行與管理,同時(shí)具有保護(hù)生態(tài)、美化城市河道景觀的作用[1-6]。折疊液壓壩是在普通直推式液壓壩的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改的新型液壓壩,其與普通直推式液壓壩的主要區(qū)別在于它取消了整根支撐桿的結(jié)構(gòu)形式,以支撐銷鎖定結(jié)構(gòu)代之。折疊液壓壩的支撐系統(tǒng)為折疊式支撐結(jié)構(gòu),其主要支撐構(gòu)件分為上、下連桿,兩者中間通過支撐銷連接,并配有鎖定液壓缸,下支撐桿底部鉸接于固定鉸支座。

普通直推式液壓壩在立壩和降壩時(shí)的工作特性已有一些研究成果[7-12]。折疊液壓壩的支撐連桿在面板啟閉時(shí)位置不斷發(fā)生變化,致使折疊支撐系統(tǒng)在壩體升降過程中工作特性復(fù)雜,支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性有待深入分析。目前對(duì)新型折疊液壓壩的研究,尤其是對(duì)其支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全和穩(wěn)定性分析幾近空白,制約了新型折疊液壓壩的推廣和應(yīng)用。本文依據(jù)安徽省某折疊液壓壩工程的實(shí)際情況,建立三維有限元模型,采用有限元軟件ABAQUS,對(duì)新型折疊液壓壩啟閉過程進(jìn)行三維仿真模擬,分析其支撐結(jié)構(gòu)在壩體升降過程中應(yīng)力變形的變化規(guī)律,確定危險(xiǎn)的工作狀態(tài),以期為將來設(shè)計(jì)、改進(jìn)和應(yīng)用新型折疊液壓壩提供參考。

1 折疊液壓壩支撐結(jié)構(gòu)

液壓壩工程通常包括擋水面板、支撐桿、液壓桿、液壓缸、液壓泵站和控制室。其中,多根支撐桿間隔分布在擋水面板下游側(cè),由液壓桿帶動(dòng)支撐桿移動(dòng)。普通直推式液壓壩的支撐桿為獨(dú)立整根直桿,每根支撐桿上端連接面板背面中上部,下端安裝于底部滑槽內(nèi),通過支撐桿下端在滑槽內(nèi)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)支撐面板的啟閉,并由滑槽內(nèi)的限位卡確定支撐桿的支撐高度。

圖1 支撐結(jié)構(gòu)組成構(gòu)造

圖2 支撐連桿座細(xì)部結(jié)構(gòu)

新型折疊液壓壩啟閉支撐結(jié)構(gòu)采用折疊支撐形式,支撐結(jié)構(gòu)組成構(gòu)造與支撐連桿座細(xì)部結(jié)構(gòu)分別見圖1、圖2。由圖1和圖2可見,一組折疊式支撐結(jié)構(gòu)包括一根上支撐連桿、兩根下支撐連桿、支撐銷、液壓桿、耳板、耳板底座、底部鋼板、角焊縫和地錨螺栓。其中,上、下連桿鉸接于支撐銷,并在支撐銷處發(fā)生折疊;液壓缸帶動(dòng)液壓桿上下移動(dòng),產(chǎn)生頂托支撐桿折疊和收攏的啟閉力;支撐連桿座由耳板、耳板底座及底部鋼板組成,角焊縫將耳板底座焊接于底部鋼板上表面;底部鋼板通過地錨螺栓布置于底部基礎(chǔ)之上。當(dāng)需要折疊液壓壩臥壩行洪時(shí),上、下支撐連桿能夠折疊收攏,不但能夠降低支撐液壓油缸的推力行程,節(jié)約油缸成本[13],而且還能節(jié)省支撐連桿下放后的空間;當(dāng)需要立壩攔水時(shí),折疊液壓壩的上、下連桿展開,支撐住面板進(jìn)行擋水。折疊支撐系統(tǒng)可以自由固定液壓壩升壩高度,不受限于限位卡的數(shù)量和位置。

2 實(shí)例工程概況及計(jì)算參數(shù)

安徽省某新型折疊液壓壩,壩長(zhǎng)108 m,壩體面板分15節(jié),單節(jié)面板寬7.2 m,每節(jié)面板配備兩組折疊支撐結(jié)構(gòu),面板可啟閉角度為0°～78°。折疊液壓壩設(shè)計(jì)攔水高度3.4 m,包括正常攔水高度3.2 m以及設(shè)計(jì)溢流水頭0.2 m。折疊液壓壩可整體啟閉,也可根據(jù)需要一節(jié)或數(shù)節(jié)壩體自行局部啟閉。該工程建成不久,在一次洪水中被破壞,發(fā)生數(shù)節(jié)液壓壩支撐桿座扳起、部分壩體倒塌的事故,為了修復(fù)液壓壩,重新擬定了加固方案,更改了地錨螺栓的型號(hào),并相應(yīng)增加了地錨螺栓的數(shù)量。折疊液壓壩主體材料采用Q235鋼,支撐銷材料采用45號(hào)鋼,角焊縫寬度10 mm,底部鋼板厚度30 mm,底部鋼板通過地錨螺栓與基礎(chǔ)鎖緊固定,壩底基礎(chǔ)為鋼筋混凝土。原始方案中,采用6根M16的地錨螺栓固定每塊底部鋼板;后續(xù)加固方案中,更換為10根M33×800(8.8級(jí))的地錨螺栓。本文針對(duì)加固方案,研究支撐系統(tǒng)的工作特性,論證加固方案的合理性。

圖3 三維有限元模型

根據(jù)折疊液壓壩加固方案建立液壓壩三維有限元模型,如圖3所示,三維有限元模型包括單節(jié)折疊液壓壩擋水面板、支撐結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)底軸與埋件,以及鋼筋混凝土基礎(chǔ)。模型所采用坐標(biāo)系為右手系,規(guī)定為:x軸方向?yàn)樗酱怪彼鞣较?右岸指向左岸方向?yàn)檎?y軸方向?yàn)槠叫兴鞣较?逆水流方向?yàn)檎?z軸方向?yàn)榇怪钡鼗较?豎直向上方向?yàn)檎?/p>

由于單節(jié)折疊液壓壩具有對(duì)稱性,因此以單節(jié)面板的中軸線所在平面為對(duì)稱面,截取單節(jié)液壓壩模型的一半進(jìn)行有限元分析計(jì)算。在模型的截?cái)嗵庍吔缭O(shè)置軸對(duì)稱約束,在地基的側(cè)邊界設(shè)置法向約束,在地基的底邊界設(shè)置三向約束。折疊支撐結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格剖分見圖4。如圖4所示,剖分網(wǎng)格時(shí)模型總體采用8節(jié)點(diǎn)等參單元,網(wǎng)格類型采用C3D8R。由于需要考慮模型內(nèi)部某些相鄰零部件接觸面上的摩擦行為和法向傳力,具體包括以下部位:耳板底座與底部鋼板之間的接觸面,底部鋼板與混凝土基礎(chǔ)之間的接觸面,地錨螺栓與底部鋼板之間的接觸面,故在模型內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的接觸,定義法向接觸關(guān)系為“硬接觸”,即法向接觸壓力值無限制;定義切向接觸關(guān)系為“庫倫摩擦”,即切向接觸力未達(dá)到靜摩擦臨界值則不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。本文計(jì)算所用材料參數(shù)如表1所示。

圖4 支撐結(jié)構(gòu)三維有限元網(wǎng)格

材料密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比 液壓壩主體78502100.3 支撐銷78502100.3 角焊縫78502250.3 混凝土2400280.2

3 折疊支撐結(jié)構(gòu)工作特性分析

為分析新型折疊支撐結(jié)構(gòu)在面板不同啟閉角度下的工作特性,選取多個(gè)面板啟閉角度(0°、13°、28°、38°、45°、58°、68°、78°)分別進(jìn)行計(jì)算分析。折疊液壓壩啟閉過程中,其受力與壩體上下游水流流態(tài)(堰流和淹沒出流)密切相關(guān),而且還存在動(dòng)水壓力。根據(jù)本工程折疊液壓壩實(shí)際運(yùn)行情況,有限元計(jì)算進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化,所采用的水頭邊界為導(dǎo)致加固前液壓壩破壞的溢流水頭,規(guī)定如下:上游側(cè)水頭取為液壓壩開啟各角度下的面板擋水高度值,加上設(shè)計(jì)溢流水頭0.2 m，下游側(cè)水頭通過線性插值求取,具體方法為:當(dāng)面板關(guān)閉至0°時(shí),下游側(cè)水頭取0;當(dāng)面板開啟至78°時(shí),下游側(cè)水頭取設(shè)計(jì)攔水高度3.4 m時(shí)形成淹沒出流的下游水頭最大臨界值;當(dāng)面板開啟角度為0°～78°之間時(shí),下游側(cè)水頭取0和78°開啟度時(shí)下游側(cè)水頭之間的線性插值。

3.1 啟閉過程中支撐連桿應(yīng)力的變化規(guī)律

上、下支撐連桿的主應(yīng)力最大值隨面板啟閉角度的變化見圖5。如圖5所示,折疊液壓壩支撐連桿處主應(yīng)力最大值隨面板的開啟先增大后減少。當(dāng)面板關(guān)閉至0°時(shí),支撐連桿主應(yīng)力最大值較小,故面板關(guān)閉時(shí)支撐連桿不承擔(dān)主要支撐力;隨著面板慢慢開啟,支撐連桿開始承受越來越多的支撐力,支撐連桿處主應(yīng)力最大值隨之升高。支撐連桿最危險(xiǎn)工作角度為45°。當(dāng)面板啟閉至45°時(shí),支撐連桿的第一主應(yīng)力最大值達(dá)到峰值225.40 MPa,為谷值36.13 MPa的6.24倍;第三主應(yīng)力最大值亦達(dá)到峰值-228.70 MPa,為谷值-69.18 MPa的3.31倍。當(dāng)面板開啟角度超過45°,支撐連桿的主應(yīng)力最大值逐漸減少,其承擔(dān)的支撐力逐漸減少。

圖5 支撐連桿主應(yīng)力最大值隨面板啟閉角度的變化

圖6 面板啟閉45°時(shí)的支撐銷主拉應(yīng)力云圖

鉸接上、下支撐連桿的支撐銷在面板開啟角度為13°～58°時(shí),其主拉應(yīng)力最大值均大于45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度值,此時(shí)支撐銷局部超過屈服階段。支撐銷主拉應(yīng)力最危險(xiǎn)峰值出現(xiàn)在面板啟閉45°時(shí),該啟閉角度下的支撐銷應(yīng)力分布見圖6。圖6中灰色區(qū)域超過屈服階段,可見該區(qū)域位于上、下支撐連桿相切處,其中主拉應(yīng)力最大值為593.20 MPa,超過屈服強(qiáng)度值0.67倍。據(jù)此,建議將支撐銷替換為強(qiáng)度更高的鋼材,防止金屬疲勞而造成結(jié)構(gòu)破壞。

3.2 啟閉過程中支撐連桿座應(yīng)力的變化規(guī)律

支撐連桿座各部件主應(yīng)力最大值隨面板啟閉角度的變化見圖7。從圖7中可以看出:①耳板、耳板底座和底部鋼板處主應(yīng)力隨面板啟閉變化的規(guī)律相近似。②支撐連桿座處主應(yīng)力最大值隨面板開啟的總體變化趨勢(shì)為先減小后增大,最后再減少。③面板開啟角度0°時(shí),支撐連桿座第一主應(yīng)力最大值達(dá)到峰值140.10 MPa,支撐連桿座第三主應(yīng)力最大值達(dá)到峰值-108.00 MPa,峰值區(qū)域均位于耳板底座與底部鋼板相焊接處。④支撐連桿座最危險(xiǎn)工作角度為0°。⑤當(dāng)面板關(guān)閉至0°,支撐連桿座承受主要支撐力;當(dāng)面板開啟至45°,支撐力主要由支撐連桿座與支撐連桿共同承受;當(dāng)面板開啟角度超過45°,支撐連桿座承受的支撐力逐漸減少。

圖7 支撐連桿座主應(yīng)力最大值隨面板啟閉角度的變化

圖8 面板啟閉45°時(shí)的角焊縫主拉應(yīng)力云圖

面板啟閉0°～45°時(shí),角焊縫的主拉應(yīng)力最大值超過角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。面板啟閉45°時(shí)角焊縫的主拉應(yīng)力分布見圖8,圖中灰色區(qū)域處應(yīng)力值超出抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,該區(qū)域均位于角焊縫轉(zhuǎn)角處,究其原因,主要是角焊縫在轉(zhuǎn)角處發(fā)生形態(tài)突變,由此產(chǎn)生應(yīng)力集中。從圖8中可以看到,角焊縫主拉應(yīng)力最大值為594.40 MPa,超出抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.72倍。據(jù)此,建議加寬焊縫、增加焊縫與材料的咬合面積、提高焊條材料強(qiáng)度,并對(duì)焊縫的4個(gè)角進(jìn)行加固,防止角焊縫處發(fā)生破壞。

3.3 啟閉過程中地錨螺栓應(yīng)力的變化規(guī)律

地錨螺栓最危險(xiǎn)工作截面為底部鋼板下表面與鋼筋混凝土基礎(chǔ)上表面的相切平面所在的截面,對(duì)地錨螺栓該截面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到加固后的地錨螺栓最危險(xiǎn)截面處平均拉應(yīng)力、平均剪應(yīng)力隨門頁啟閉角度的變化曲線,如圖9所示。由圖9可見,其平均拉應(yīng)力在面板開啟0°至45°時(shí)稍有起伏變化,但變化較小,大致呈上升趨勢(shì),而后在面板開啟45°至78°時(shí)出現(xiàn)直線下降;其平均剪應(yīng)力在面板完全閉合時(shí)最大,在面板開啟0°至13°時(shí)出現(xiàn)直線下降且下降速度較快,在面板開啟13°至78°時(shí)依然保持遞減趨勢(shì),但遞減的速率減緩。

圖9 螺栓最危險(xiǎn)截面平均應(yīng)力隨面板啟閉角度的變化

加固后的地錨螺栓最危險(xiǎn)截面平均拉應(yīng)力在面板開啟角度45°時(shí)出現(xiàn)峰值59.46 MPa,平均剪應(yīng)力在面板開啟角度0°時(shí)出現(xiàn)峰值75.56 MPa,平均應(yīng)力值均能夠滿足安全要求[14];相比之下,在原始方案中,地錨螺栓最危險(xiǎn)截面平均拉應(yīng)力在面板開啟角度45°時(shí)出現(xiàn)峰值421.53 MPa,平均剪應(yīng)力在面板開啟角度0°時(shí)出現(xiàn)峰值535.69 MPa,均超出地錨螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。由此可見,在安全加固方案中,地錨螺栓最危險(xiǎn)截面的平均應(yīng)力值較加固前大幅度降低,用加固方案中的地錨螺栓固定折疊液壓壩支撐結(jié)構(gòu)是安全可靠的。同時(shí)可以看出,當(dāng)面板關(guān)閉至0°時(shí),地錨螺栓最危險(xiǎn)截面主要承受剪力;當(dāng)面板開啟角度13°～58°時(shí),地錨螺栓最危險(xiǎn)截面主要承受拉力;當(dāng)面板開啟角度58°～78°時(shí),地錨螺栓最危險(xiǎn)截面主要承受剪力。

3.4 壩前泥沙淤積的影響

壩前有泥沙淤積的情況下,折疊液壓壩的啟閉力與附帶泥沙的重量、泥沙對(duì)面板的壓力等因素緊密相關(guān)[15-17]。本文計(jì)算了折疊液壓壩在面板啟閉角度分別為45°和58°,壩前泥沙淤積高度分別為1.02 m以及0時(shí)的折疊支撐結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力及變形(或安全系數(shù)),計(jì)算結(jié)果見表2和表3。

由表2和表3可以看出:①與泥沙淤積高度0時(shí)相比,泥沙淤積高度1.02 m時(shí),地錨螺栓截面所承受的平均拉應(yīng)力與平均剪應(yīng)力更大,其抗拉安全系數(shù)與抗剪安全系數(shù)更低。②支撐連桿的主應(yīng)力最大值隨著泥沙淤積高度的增加而增大。③當(dāng)液壓壩啟閉角度為45°時(shí),支撐連桿座處的主應(yīng)力最大值隨著泥沙淤積高度的增大而減少;當(dāng)液壓壩啟閉角度為58°時(shí),支撐連桿座處的主應(yīng)力最大值隨著泥沙淤積高度的增大而增大。針對(duì)變化規(guī)律的不同,究其原因,主要是折疊液壓壩在啟閉過程中,面板的重心位置發(fā)生上下移動(dòng),外界荷載的合力也隨啟閉角度的變化而上下移動(dòng),面板重心和合力的相對(duì)位置不斷發(fā)生變化,從而出現(xiàn)不同的變化規(guī)律。④支撐結(jié)構(gòu)各部件的變形值隨著泥沙淤積高度的增大而增大。綜合以上各點(diǎn),泥沙淤積對(duì)折疊支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響,建議定期清理壩前淤積泥沙。

表2 不同用泥沙淤泥高度下地錨螺栓應(yīng)力及安全系數(shù)

表3 不同泥沙淤積高度下支撐結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

a. 當(dāng)面板關(guān)閉至0°時(shí),主要由支撐連桿座承擔(dān)面板支撐力;當(dāng)面板開啟0°～45°時(shí),由支撐連桿與支撐連桿座共同承擔(dān)面板支撐力;當(dāng)面板開啟超過45°時(shí),支撐連桿座與支撐連桿承受的面板支撐力均減小。

b. 當(dāng)面板關(guān)閉至0°時(shí),地錨螺栓最危險(xiǎn)截面主要承受剪力;當(dāng)面板開啟13°～58°時(shí),地錨螺栓最危險(xiǎn)截面主要承受拉力;當(dāng)面板開啟58°～78°時(shí),地錨螺栓最危險(xiǎn)截面主要承受剪力。加固方案中,地錨螺栓最危險(xiǎn)截面處平均拉應(yīng)力及平均剪應(yīng)力較加固前均大幅度降低,加固方案安全可行。

c. 當(dāng)面板開啟13°～58°時(shí),支撐銷主拉應(yīng)力最大值超過材料屈服強(qiáng)度值,建議將支撐銷替換為強(qiáng)度更高的鋼材。當(dāng)面板開啟0°～45°時(shí),角焊縫轉(zhuǎn)角處主拉應(yīng)力最大值超過強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,建議加固焊縫。

d. 隨著壩前泥沙淤積高度的增大,支撐連桿及地錨螺栓截面處的應(yīng)力值增大,支撐結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性變差,總變形增大,建議定期清除壩前淤積泥沙。