水工鋼閘門應(yīng)力復(fù)核評判方法研究

王 江

(上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

閘門是水工建筑物中用于控制河道流量、調(diào)節(jié)上下游水位的重要設(shè)施，主要設(shè)置在溢洪道、引水隧道、水閘等河口結(jié)構(gòu)中。一般水工鋼閘門安全評估是對閘門外觀、閘門腐蝕速率、焊縫質(zhì)量、閘門受載應(yīng)力、啟閉機(jī)性能等進(jìn)行現(xiàn)場測試后，通過有限元法進(jìn)行模擬計(jì)算[1]，綜合評價(jià)閘門的安全狀況。受規(guī)劃水位、閘門腐蝕等因素的影響，在有限元校核過程中經(jīng)常出現(xiàn)局部極少數(shù)單位應(yīng)力超標(biāo)的現(xiàn)象，針對這種現(xiàn)象，郭建斌等通過對吊耳進(jìn)行線彈-塑性失效仿真、承載考核試驗(yàn)，校核了鋼閘門吊耳框架的承載能力[2]；蘇浩等通過明確結(jié)構(gòu)受載響應(yīng)的敏感特性及其分布區(qū)域，可以有效確保鋼閘門安全可靠運(yùn)行[3]。由此可以知道對閘門關(guān)鍵構(gòu)件單元應(yīng)力進(jìn)行安全校核是閘門安全評判的重要手段。

通過對國內(nèi)外大量失事鋼閘門進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合業(yè)內(nèi)學(xué)者的研究成果[4- 6]，可知造成鋼閘門失事的構(gòu)件主要有支鉸、支臂、主梁、次梁、聯(lián)接部位、面板等[7- 9]。一方面隨著環(huán)境荷載的增加，局部應(yīng)力最先超過各自容許應(yīng)力，率先失效破壞；另一方面，當(dāng)環(huán)境荷載逐步增加時(shí)，部位結(jié)構(gòu)應(yīng)力迅速響應(yīng)、快速增加，表現(xiàn)為受載高度敏感。因此，對這些影響結(jié)構(gòu)安全的部位進(jìn)行安全分析是評判閘門整體安全的關(guān)鍵。

1 兩類易超標(biāo)單元的介紹及提取方法

第一類應(yīng)力易超標(biāo)單元往往呈現(xiàn)出率先失效的特點(diǎn)；第二類應(yīng)力易超標(biāo)單元應(yīng)力值相比于普通單元增速更快，是結(jié)構(gòu)受載高度敏感的單元，即易失效的敏感部位。本節(jié)重點(diǎn)介紹這兩類結(jié)構(gòu)單元的搜索方法[3]。

在有限單元法中，鋼閘門實(shí)體模型經(jīng)過網(wǎng)格剖分，劃分為由多種單元組成的計(jì)算模型，每個單元包括若干個節(jié)點(diǎn)，兩個單元之間是利用一個共同的節(jié)點(diǎn)相互連接起來的，因此對特定單元的搜索可以通過搜索附著在其上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，一旦找到符合條件的節(jié)點(diǎn)，就可以得到這些節(jié)點(diǎn)組成的單元。

兩類單元分別按式(1)進(jìn)行條件檢索：

(1)

圖1 單元靜應(yīng)力相對變化率隨荷載變化的特性曲線

第二類單元搜尋結(jié)束后，把篩選出的分類單元節(jié)點(diǎn)按其坐標(biāo)(x，y，z)重新導(dǎo)入ANSYS系統(tǒng)中構(gòu)建三維空間模型，可以獲得第二類單元的局部分布狀況。

2 數(shù)值模型

2.1 建立鋼閘門模型并劃分網(wǎng)格

鋼閘門按原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸建模，所建立的閘門有限元計(jì)算模型如圖2所示，其中計(jì)算模型按標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格器進(jìn)行有限元剖分，外殼曲面自動重新光滑對齊，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為484514個，單元總數(shù)為244971個。

圖2 閘門有限元計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

鋼閘門材料為Q235鋼，彈性模量E=206.0GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3。根據(jù)SL 74—2013《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，取0.9為調(diào)整系數(shù)，根據(jù)主要受力部位情況，鋼材尺寸取第3組，確定材料容許應(yīng)力[σ]′=0.9×[σ]=130.5MPa、[τ]′=0.9×[τ]=76.5MPa。

2.3 APDL編程及應(yīng)力試驗(yàn)

(1)確定邊界條件及全局變量

閘門正常工作時(shí)主要受到靜水壓力及自重力，其中在有限元分析過程中，靜水壓力采用10%H設(shè)計(jì)、30%H設(shè)計(jì)、60%H設(shè)計(jì)、100%H設(shè)計(jì)、110%H設(shè)計(jì)、120%H設(shè)計(jì)、130%H設(shè)計(jì)、140%H設(shè)計(jì)、150%H設(shè)計(jì)逐項(xiàng)施加荷載，其中H設(shè)計(jì)=12.0m。

邊界約束重點(diǎn)考慮以下部分：在支鉸處受三個方向位移約束及繞y、z軸的轉(zhuǎn)動約束，門底受鉛直方向位移，約束原點(diǎn)位于門底。

(2)編寫APDL宏文件并求解

共編寫3個APDL宏文件，分別是Mair-Loop.mac，Loading.mac、Show.mac。

各宏文件的作用如下：

①M(fèi)air-Loop.mac：主腳本。負(fù)責(zé)循環(huán)調(diào)用子宏文件Loading.mac進(jìn)行應(yīng)力仿真計(jì)算過程。

②Loading.mac：子宏文件。被主腳本Main-Loop.mac調(diào)用。該文件讀入節(jié)點(diǎn)和單元文件，構(gòu)建整個有限元模型，加載變化的荷載和約束，然后求解，求解之后輸出節(jié)點(diǎn)應(yīng)力信息文件，供后階段搜尋第二類結(jié)構(gòu)單元。

③Show.mac：子宏文件。Matlab程序通過篩選得到第二類結(jié)構(gòu)單元并按固定格式輸出節(jié)點(diǎn)及單元文件，Show.mac負(fù)責(zé)載入單元文件并顯示。

3 兩類易超標(biāo)單元的提取結(jié)果

鋼閘門的靜應(yīng)力計(jì)算分析采用系統(tǒng)的靜應(yīng)力分析模塊，其中10%H設(shè)計(jì)～100%H設(shè)計(jì)四種荷載按實(shí)際水頭作用位置施加在閘門面板上。110%H設(shè)計(jì)～150%H設(shè)計(jì)五種荷載由于已超過閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高度，兼顧到“工程”中露頂式閘門結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程實(shí)際現(xiàn)狀，在H設(shè)計(jì)水頭的作用位置上調(diào)節(jié)水的密度進(jìn)行加載試驗(yàn)，受篇幅所限，本次只針對100%H設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力進(jìn)行分析(下同)，應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

圖3 鋼閘門結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分布云圖

3.1 第一類易超標(biāo)單元提取結(jié)果

在100%H設(shè)計(jì)荷載作用下，鋼閘門靜應(yīng)力分別按20～100MPa，共5個等級對單元結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，鋼閘門應(yīng)力值超過80MPa的單元數(shù)占2.33%，大于100.00MPa的單元數(shù)占0.37%(如圖4所示)，雖遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)材料所能達(dá)到的抗力水平，但局部依然存在部分單元應(yīng)力超過容許應(yīng)力。

圖4 第一類應(yīng)力大于100MPa的單元統(tǒng)計(jì)

3.2 第二類易超標(biāo)單元提取結(jié)果

在100%H設(shè)計(jì)荷載作用下，對應(yīng)2倍、10倍敏感單元結(jié)點(diǎn)的分布情況如圖5所示。使用圖像處理軟件疊出各等級的第二類單元相關(guān)分布區(qū)域圖像，并以6種顏色來區(qū)分各等級分布區(qū)域圖像，可以得到第二類單元的分布區(qū)域，如圖6所示，其中敏感性臨界倍率值取一、二、四、六、八、十等6個等級。

圖5 水工鋼閘門(半幅)單元2倍、10倍應(yīng)力響應(yīng)敏感區(qū)域

圖6 水工鋼閘門(半幅)第二類單元的分布區(qū)域示意圖

4 應(yīng)對兩類應(yīng)力易超標(biāo)單元的校核方法

4.1 閘門應(yīng)力實(shí)測

本次采用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH5922N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力測試，閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試根據(jù)弧形閘門的受力特點(diǎn)進(jìn)行測點(diǎn)布置，測點(diǎn)布置在兩類易超標(biāo)單元分布集中部位，即閘門的主橫梁、支臂上，閘門，共布置30個測點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 實(shí)測應(yīng)力測點(diǎn)布置示意圖

兩類易超標(biāo)單元主要分布于主橫梁、支臂、縱梁相互連接部位，支臂組合梁靠近支鉸等部位。受檢測部位限制，僅能對部分測點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力測試，測試結(jié)果見表1?？紤]到弧形閘門薄壁空間結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，有必要通過考慮單元失效受載仿真進(jìn)行閘門整體校核。

4.2 考慮單元失效受載仿真校核

通過對水工鋼閘門應(yīng)力集中易超標(biāo)單元進(jìn)行提取、分析，結(jié)果表明第一類易超標(biāo)單元仍然存在極少數(shù)應(yīng)力超過容許應(yīng)力的情況(不到總數(shù)的0.045%)。這類單元主要分布在主橫梁與支臂、縱梁相互連接部位，主梁腹板部位，支鉸等部位。大部分第二類易超標(biāo)單元隨著荷載的增加，其受載也隨之增加，但局部單元對外部荷載的變化具有更高的敏感性，響應(yīng)非常迅速。這類單元主要分布在主橫梁、支臂、縱梁相互連接部位，支臂組合梁靠近支鉸等部位。

根據(jù)《應(yīng)力集中系數(shù)手冊》[11]塑性材料的應(yīng)力集中表現(xiàn)(如圖8所示)，由于應(yīng)力集中引起的最大應(yīng)力超過屈服極限σs，此時(shí)應(yīng)力的增加值也會趨于緩和，如圖中曲線3所示，但此時(shí)應(yīng)變會顯著增加。隨著荷載的繼續(xù)增大，塑性變形的范圍也相應(yīng)變大，應(yīng)力分布如圖中曲線4所示，更趨于均勻化。由此可以看出，由于金屬塑性材料變形時(shí)有強(qiáng)化現(xiàn)象，應(yīng)力集中區(qū)域的金屬變形抗力有所增加。

圖8 塑性材料應(yīng)力集中表現(xiàn)

鋼材所展現(xiàn)的逐段線彈-塑性的性能，表現(xiàn)為失事前呈塑性特征，能夠使應(yīng)力集中部位產(chǎn)生應(yīng)力重組，體現(xiàn)了應(yīng)力集中部位局部應(yīng)力失效后應(yīng)力重組的彈塑性力學(xué)現(xiàn)象[2]。鋼閘門在加載過程中各應(yīng)力單元之間表現(xiàn)為超靜定受力狀態(tài)，逐段線彈-塑性法(PWLEP)是處理兩類易超標(biāo)單元對結(jié)構(gòu)整體安全影響的有效辦法[12]。PWLEP法逐步失效路徑的分析計(jì)算步驟為：

(1)結(jié)合鋼閘門各單元受力現(xiàn)狀，定義易超標(biāo)單元的應(yīng)力鉸截面是一次塑性鉸截面。

(2)把塑性鉸截面處的應(yīng)力設(shè)置為塑性抗力矩，再次進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算并重復(fù)步驟(1)，可以獲取二次塑性鉸截面。

(3)按照上述方法不斷模擬，最終依據(jù)整體勁度矩陣|K|=0來評定鋼閘門整體是否安全。

根據(jù)搜索的兩類易超標(biāo)應(yīng)力單元，通過保留這些單元的抗拉及抗壓性能，讓其切向力學(xué)性能消失，改變該應(yīng)力單元的勁度矩陣，使其重新返回至構(gòu)件的勁度矩陣，從而模擬該應(yīng)力單元失效的水工鋼閘門加載安全分析[13]?？紤]構(gòu)件安全及一定的安全富余，將130.5MPa(0.9[σ])定義為應(yīng)力單元的塑性鉸截面，結(jié)果顯示，鋼閘門各應(yīng)力單元應(yīng)力值同樣分布于40.0～80.0MPa之間，小于80.0MPa的應(yīng)力單元約占總單元的98.43%，大于80MPa的應(yīng)力單元較少且主要分布在橫梁縱梁相互連接部位以及支鉸等部位，其中最大受載米塞斯等效應(yīng)力僅為116.24MPa，如圖9所示。

圖9 應(yīng)力分布示意圖

4.3 實(shí)測應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力對比校核

為分析兩種方法的實(shí)際成果，本次給出閘門主梁和支臂主要測點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算[14- 15]與測試對比表(見表1)，并進(jìn)行誤差分析(如圖10所示)。

表1 閘門主梁和支臂測點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力對比

圖10 計(jì)算應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力對比誤差分析

對比測試結(jié)果可知，閘門主框架計(jì)算應(yīng)力和實(shí)測應(yīng)力的分布規(guī)律基本相同，在閘門主橫梁、支臂的30個測點(diǎn)中，實(shí)測應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力相對誤差超過10%以上的測點(diǎn)有1個，相對誤差在5%～10%的測點(diǎn)有4個，其余測點(diǎn)的相對誤差均小于5%。相對誤差最大值出現(xiàn)在右上支臂與主橫梁連接處的支臂外側(cè)翼緣測點(diǎn)7處，該處為受載應(yīng)力較復(fù)雜的連接部位，受測試條件及測試方法偶然誤差的影響，此處可考慮為測試誤差異常值，可在條件允許情況下重新測試或予以剔除。閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測與有限元計(jì)算分析所得到的閘門主框架應(yīng)力分布規(guī)律相同，測點(diǎn)的實(shí)測成果與計(jì)算成果差異較小，檢測成果與有限元計(jì)算成果可以互相驗(yàn)證。

因此綜合水工鋼閘門應(yīng)力校核成果，盡管水工鋼閘門兩類易超標(biāo)單元存在極少數(shù)單元應(yīng)力超過容許應(yīng)力，部分單元存在較高的敏感性及響應(yīng)迅速的現(xiàn)象，但是經(jīng)過實(shí)測校核、ANSYS仿真校核，這部分單元對結(jié)構(gòu)影響甚微。

5 結(jié)論

(1)受規(guī)劃水位、閘門腐蝕等因素的影響，對現(xiàn)役閘門進(jìn)行安全復(fù)核，應(yīng)用ANSYS二次開發(fā)技術(shù)，獲取結(jié)構(gòu)兩類易超標(biāo)單元，是診斷閘門潛在缺陷的有效途徑。

(2)閘門復(fù)核計(jì)算過程中通過校核兩類易超標(biāo)的單元是了解結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象是否影響閘門整體安全的有效方法。

(3)弧形閘門主梁腹板、后翼緣板中部，主梁與支臂、縱梁交叉連接部位，支臂為兩類易超標(biāo)單元的主要分布區(qū)域，也是弧形閘門薄弱環(huán)節(jié)，閘門服役后加強(qiáng)這部分的銹蝕養(yǎng)護(hù)、監(jiān)測及預(yù)警是保障閘門整體運(yùn)行安全的重要工作。