構皮灘升船機鋼渡槽結(jié)構有限元分析

儀 彤 胡一亮 金 遼

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

1 概述

升船機項目的閘首通常為混凝土結(jié)構，在構皮灘水電站升船機項目中，部分閘首采用了不同以往的一體化鋼結(jié)構閘首(以下簡稱“鋼閘首”)。

鋼閘首用于船廂與中間渠道的對接，并將常規(guī)設置在船廂廂頭上的一些設備如間隙密封機構、間隙充泄水系統(tǒng)、防撞裝置、液壓泵站、電控裝置等一并融入鋼閘首之中，以此簡化廂頭結(jié)構。

鋼渡槽[1]是鋼閘首的主要承重結(jié)構，為槽型薄壁焊接結(jié)構，結(jié)構內(nèi)設有工作門門槽、防撞梁槽及機艙結(jié)構。鋼渡槽由兩側(cè)塔柱之間的混凝土梁支承，通過鋼渡槽兩側(cè)的支臂與塔柱混凝土牛腿的上下游及底部頂緊，以傳遞鋼渡槽承受的正反向水壓力、密封機構的反推力和浮力?？紤]到鋼渡槽結(jié)構的復雜性，本文采用有限元方法(ANSYS軟件[2-4])對其進行強度、剛度和穩(wěn)定性分析。

2 有限元分析

2.1 鋼渡槽結(jié)構特征

選擇最為復雜的第一級下閘首鋼渡槽作為分析對象。鋼渡槽的外形尺寸為：5.85 m×16.0 m×8.5 m(長×寬×高)，其中底鋪板以上高4.5 m，底鋪板以下高4.0 m，鋼渡槽有效水域尺寸為：5.85 m×12 m×4.5 m。底板高程為631.1 m，底鋪板高程為634.5 m，通航水位為637.0 m，校核洪水位為638.36 m。鋼渡槽為槽型薄壁焊接結(jié)構，主要由主縱梁、底鋪板、底板、小縱梁、橫梁、支臂結(jié)構等組成。主縱梁采用箱形結(jié)構，并用豎隔板與角鋼加強結(jié)構的穩(wěn)定性。底鋪板與底板焊接在兩側(cè)主縱梁上，端部端板封閉形成封閉空腔，以放置泵站等設備，小縱梁與T型橫梁將底鋪板和底板劃分為小區(qū)格以承受水載。鋼渡槽通過主縱梁下部的滑塊支撐于連接兩側(cè)塔柱混凝土梁上，通過主縱梁兩側(cè)的支臂與塔柱上伸出的混凝土牛腿的上下游及底部頂緊，以傳遞鋼渡槽結(jié)構受到的正反向水壓力和密封機構的反推力和浮力。鋼渡槽主要材料采用Q345B和Q235B，材料容許應力及結(jié)構容許剛度如表1所示[5]。

2.2 有限元模型

將鋼渡槽各部件離散為板單元，有限元模型采用Shell181單元。模型共有41 557個節(jié)點，46 356個單元。鋼渡槽整體結(jié)構和有限元模型如圖1所示。X向為水流方向，Y向為垂直水流方向，Z為豎直方向。

2.3 運行工況與荷載

2.3.1運行工況

1)正常運行工況(LC1)：a.非對接時正常運行工況：槽內(nèi)水深(2.5±0.1)m；b.與船廂正常對接工況：間隙密封裝置工作，槽內(nèi)水深(2.5±0.1)m。

2)事故工況(LC2)：船只撞擊防撞梁工況：船只撞擊防撞梁，槽內(nèi)水深(2.5±0.1)m。

3)校核工況(LC3)：遇校核洪水位638.36 m工況：要求鋼閘首不被洪水移動，可修復。

2.3.2設計荷載

1)鋼渡槽自重：鋼渡槽自重包括渡槽結(jié)構和止水設備、密封框機構、充泄水系統(tǒng)、防撞梁設備等設備的重量，取重力加速度g=15 N/kg；

2)工作門自重：將工作門門體自重(共150 kN)作為集中力施加在門槽內(nèi)底鋪板上對應支承點上；

3)槽內(nèi)水荷載：渡槽內(nèi)水深為2.5 m，作用在主縱梁內(nèi)腹板上；

4)工作門水壓：工作門上作用的靜水壓力通過閘門支撐點作為集中力傳到門槽結(jié)構上，共380 kN;

5)防撞梁撞擊力：防撞梁撞擊力為1 000 kN，作用在防撞梁槽上；

6)密封框水平推力：密封框的推力通過11個油缸支座傳至鋼渡槽的腹板和底板上，各對應點上施加150 kN集中力；

7)浮力：在校核洪水位638.36 m時，底板承受向上的7.27 m水頭壓力，主縱梁下翼緣承受向上的7.86 m水頭壓力，縱梁外腹板及上下游端板上承受三角形荷載。底鋪板上承受3.86 m水頭壓力。

2.3.3各運行工況對應的載荷組合與邊界條件

LC1(與船廂正常對接工況)：鋼渡槽承受的載荷為：①+②+③+④+⑥；邊界條件為：主縱梁底部四個支座UZ=0，兩側(cè)支臂UX=0。

LC2：鋼渡槽承受的載荷為：①+②+③+④+⑤；邊界條件同LC1。

LC3：鋼渡槽承受的載荷為：①+②+⑦；邊界條件同LC1。

2.4 有限元結(jié)構分析

采用ANSYS對鋼渡槽結(jié)構進行靜力與彈性屈曲分析。提取各運行工況下鋼渡槽整體的Mises等效應力云圖和位移變形圖如圖2～圖4所示。將各部件的有限元分析結(jié)果列于表2～表4。

表2 鋼渡槽各部位在各計算工況下最大Mises應力值

MPa

表3 鋼渡槽各部位在各計算工況下最大Z向位移值 mm

表4 鋼渡槽在各計算工況下彈性屈曲計算結(jié)果

2.5 結(jié)果分析

通過計算，計算結(jié)果如下所述：

1)正常運行工況下，鋼渡槽整體最大Z向變形發(fā)生在底鋪板上，為8.4 mm，最大Mises應力發(fā)生在門槽受力點，為82.67 MPa。主縱梁等部件的最大變形和應力也都在容許范圍內(nèi)。鋼渡槽產(chǎn)生局部失穩(wěn)的最小臨界荷載與實際荷載的比值為4.12?？梢娫撲摱刹墼谡＿\行工況下滿足強度、剛度及穩(wěn)定性要求。

2)事故工況下，鋼渡槽整體最大Z向變形發(fā)生在底鋪板上，為8.17 mm，最大Mises應力發(fā)生在門槽受力點，為89.12 MPa。主縱梁等部件的最大變形和應力也都在容許范圍內(nèi)。鋼渡槽產(chǎn)生局部失穩(wěn)的最小臨界荷載與實際荷載的比值為3.76?？梢娫撲摱刹墼谑鹿使r下滿足強度、剛度及穩(wěn)定性要求。

3)校核工況下，鋼渡槽整體最大Z向變形發(fā)生在底鋪板上，為8.68 mm，最大Mises應力發(fā)生在中心處小縱梁上，為204.92 MPa。主縱梁等部件的最大變形和應力也都在容許范圍內(nèi)。鋼渡槽產(chǎn)生局部失穩(wěn)的最小臨界荷載與實際荷載的比值為1.7?？梢娫撲摱刹墼谛：斯r下滿足強度、剛度及穩(wěn)定性要求。

3 結(jié)語

構皮灘升船機鋼渡槽結(jié)構復雜，結(jié)合ANSYS軟件對其進行設計和有限元分析必要且可靠。有限元分析結(jié)果明確表示，該鋼渡槽結(jié)構的強度、剛度、穩(wěn)定性滿足設計和規(guī)范要求；鋼渡槽的結(jié)構薄弱部位亦在計算圖形中明確給出，對其制造、安裝及運行維護皆有一定的指導意義。