不同止水方式對(duì)平面鋼閘門靜力特性影響分析

蔡許姣

(江蘇省淮沭新河管理處， 江蘇 淮安 223005)

平面鋼閘門是水工建筑物常用的部件之一[1]。閘門與門槽埋件間止水位置布設(shè)不合理可能會(huì)導(dǎo)致止水的失效，止水的失效則會(huì)進(jìn)一步引發(fā)閘門的漏水[2]、縫隙氣穴、埋件氣蝕破損等一系列問題[3]，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)閘門結(jié)構(gòu)的震動(dòng)，影響閘門構(gòu)件正常安全的服役[4]。為此，國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)于止水方式的設(shè)計(jì)作了相關(guān)研究。周和平等[5]研究了用于檢修門強(qiáng)迫止水的彈壓支承；熊威等[6]針對(duì)高水頭閘門止水元件開展了非線性仿真分析；鄧翼峰等[7]、錢軍祥等[8]、時(shí)愛祥等[9]、薛小香等[10]基于實(shí)例工程的特點(diǎn)，針對(duì)不同的止水形式分別開展了設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究。而針對(duì)平面閘門止水系統(tǒng)布置的研究較少，目前閘門止水的布置形式主要分為前止水式與后止水式兩種，具體布置方式一般均依據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定。基于上述背景，本文以某平面鋼閘門為原型建模，分別采用前、后止水這兩種止水方式進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，以期得到兩種止水方式對(duì)閘門靜力特性的影響，為同類水閘工程止水布置及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

以某水工平面鋼閘門為研究對(duì)象，該閘門為潛孔式平面閘門，閘門尺寸4.50 m×3.60 m(寬×高)，板梁結(jié)構(gòu)。面板由主橫梁、水平次梁、縱梁以及邊梁形成的梁格支承，梁格焊接在面板上。4根主橫梁是截面為工字型的組合梁，從上至下編號(hào)依次為1～4號(hào)；3根縱梁為T形截面組合梁，從左至右編號(hào)依次為1～3號(hào)；邊梁為II形截面組合梁，從左至右編號(hào)分別為1號(hào)和2號(hào)；6根小橫梁為14號(hào)工字型鋼，底梁為14號(hào)槽鋼，從上至下編號(hào)依次為1～7號(hào)。閘門各構(gòu)件的外形尺寸和厚度均按設(shè)計(jì)圖紙取用。

2 模型建立

該平面鋼閘門是一種較為復(fù)雜的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系，其主要由面板、主橫梁、水平次梁、縱梁和滑輪構(gòu)件組成。為準(zhǔn)確反映閘門各構(gòu)件的特性，得到精確度較高的計(jì)算結(jié)果，本次計(jì)算選用完整空間薄壁結(jié)構(gòu)的仿真建模方式。上述各構(gòu)件中，閘門的滑輪構(gòu)件選用solid45實(shí)體單元，剩余結(jié)構(gòu)均選用殼單元shell63。

2.1 計(jì)算模型及材料參數(shù)

為了便于對(duì)比計(jì)算結(jié)果，約束條件、材料參數(shù)、材料類型及長度等條件均保持一致，止水封條的位置分別設(shè)置在上、下游面，其位置前后相對(duì)應(yīng)。整個(gè)模型結(jié)構(gòu)離散成32 684節(jié)點(diǎn)，35 620個(gè)單元，閘門的結(jié)構(gòu)和所受荷載均左右對(duì)稱，整體的有限元模型如圖1所示。閘門采用Q235鋼材料。計(jì)算時(shí)材料彈性模量取E=2.06×105MPa，泊松比取ν=0.3，密度取ρ=7.8×103kg/m3。

圖1 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

2.2 計(jì)算工況及邊界約束條件

計(jì)算工況為設(shè)計(jì)工況：閘門作用水頭25.00 m(底檻高程576.4 m)。為保持模型的幾何性不變，假定模型底部面板的中間節(jié)點(diǎn)在閘門寬度方向位移為零，定義如下坐標(biāo)系：以閘門主橫梁軸向?yàn)閤方向，以鉛直向?yàn)閥方向，以順?biāo)飨驗(yàn)閦方向。

2.3 荷載計(jì)算方法

由于此次計(jì)算是為了得到不同止水方式對(duì)閘門靜力特性的影響，計(jì)算時(shí)僅考慮了閘門的自重與靜水壓力兩個(gè)荷載。結(jié)構(gòu)前止水的受水壓力面為面板，后止水的受水壓力面為頂梁腹板、面板、邊梁腹板。兩種不同的止水方式受水壓力作用下的荷載面分別如圖2和圖3所示。

圖2 前止水式閘門受水壓力面

圖3 后止水式閘門受水壓力面

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

由于閘門模型左、右對(duì)稱，因此只取其中左半部分(從水流方向視角觀察)來取樣分析。

3.1.1面板

圖4為面板樣點(diǎn)、區(qū)域位置示意圖，平面鋼閘門面板直接承受水壓力。圖5～6為面板在兩種不同的止水方式時(shí)面板樣點(diǎn)折算應(yīng)力值對(duì)比圖。

圖4 樣點(diǎn)、區(qū)域位置示意圖

圖5 面板1～4號(hào)樣點(diǎn)折算應(yīng)力

圖6 面板5～8號(hào)樣點(diǎn)折算應(yīng)力

由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知：(1)后止水式平面鋼閘門面板最大折算應(yīng)力為90 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在2號(hào)小橫梁腹板、3號(hào)縱梁腹板與面板三者的交點(diǎn)上。前止水式平面鋼閘門面板最大折算應(yīng)力為105 MPa，比閘門采用后止水式時(shí)大了17%，最大應(yīng)力出現(xiàn)在2號(hào)小橫梁、2號(hào)縱梁內(nèi)腹板和面板三者的交點(diǎn)上；(2)樣點(diǎn)的應(yīng)力值相差較小，最大差值為樣點(diǎn)7，兩者相差了3.72 MPa，其余樣點(diǎn)應(yīng)力差值均在1.78 MPa以下。表征此兩種止水方式對(duì)于邊梁之間的面板區(qū)域的應(yīng)力影響不大；(3)面板應(yīng)力分布在邊梁所在區(qū)域處差別較大，即在圖5中所表示的區(qū)域1到區(qū)域4。在前止水式時(shí)，區(qū)域1到區(qū)域4是不直接承受水壓的，其中區(qū)域1與區(qū)域3存在應(yīng)力較大的區(qū)域，該區(qū)域是面板與邊梁內(nèi)腹板的連接處區(qū)域，且小橫梁也在此區(qū)域和邊梁內(nèi)腹板相交，導(dǎo)致面板在這兩個(gè)區(qū)域處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，折算應(yīng)力最大值為105 MPa；而區(qū)域2中小橫梁貫穿邊梁腹板至面板兩端，在該區(qū)域中未發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。在后止水式時(shí)，面板在z方向的兩邊均存在水壓力的作用，在與前止水式面板應(yīng)力集中區(qū)域相對(duì)應(yīng)的地方未存在應(yīng)力值很大的現(xiàn)象，從區(qū)域1到區(qū)域4，應(yīng)力最大值為70 MPa；(4)兩種止水方式對(duì)面板應(yīng)力分布的影響主要在邊梁所在區(qū)域，即區(qū)域1到區(qū)域4。綜上所述，采用后止水式時(shí)，面板的應(yīng)力分布要優(yōu)于前止水式。

3.1.2主橫梁

圖7為1號(hào)主橫梁1～5號(hào)取樣點(diǎn)位置示意圖，后止水式閘門1號(hào)主橫梁直接承受水壓力，2～4號(hào)主橫梁則沒有；前止水式閘門主橫梁則未直接承受水壓力的作用。圖8為主橫梁腹板最大折算應(yīng)力值對(duì)比圖，主橫梁從上至下的編號(hào)依次為1～4號(hào)。

圖7 1號(hào)主橫梁1～5號(hào)取樣點(diǎn)位置示意圖

圖8 1號(hào)主橫梁腹板最大折算應(yīng)力值對(duì)比

由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知：(1)前止水方式時(shí)，1號(hào)主橫梁腹板最大折算應(yīng)力值為76 MPa，后止水方式時(shí)，1號(hào)主橫梁腹板最大折算應(yīng)力為188 MPa，比閘門采用前止水方式時(shí)的最大折算應(yīng)力大147%；(2)從1號(hào)主橫梁樣點(diǎn)折算應(yīng)力圖8可得，5個(gè)樣點(diǎn)的折算應(yīng)力值均相差較大，最大差值為105.81 MPa，最小差值為31.04 MPa。在對(duì)比圖中，從樣點(diǎn)4到樣點(diǎn)5，兩種止水方式下的應(yīng)力值都下降較多，原因在于樣點(diǎn)5靠近吊耳，而在吊耳處有加強(qiáng)板的存在，使得樣點(diǎn)5處的應(yīng)力值偏??；(3)平面鋼閘門采用后止水方式時(shí)，主橫梁腹板的折算應(yīng)力值遠(yuǎn)大于采用前止水方式時(shí)的值。

3.1.3縱梁

結(jié)構(gòu)的縱梁不直接承受水壓力，其從左至右的編號(hào)依次為1～3號(hào)，由于在模型中1號(hào)縱梁和3號(hào)縱梁對(duì)稱，所以只取3號(hào)縱梁作分析。圖9為所取樣點(diǎn)位置示意，腹板最大正應(yīng)力值對(duì)比繪于圖10中。

圖9 縱梁1～8號(hào)所取樣點(diǎn)位置示意圖

圖10 腹板最大正應(yīng)力值對(duì)比

由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知：(1)后止水式時(shí)，平面鋼閘門縱梁腹板最大軸向應(yīng)力值為30 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在1號(hào)、3號(hào)縱梁腹板與6號(hào)小橫梁貫穿的開孔處區(qū)域。前止水式時(shí)，平面鋼閘門縱梁腹板最大軸向應(yīng)力值為32 MPa，比閘門采用后止水式時(shí)大了7%，最大應(yīng)力出現(xiàn)在1號(hào)、3號(hào)縱梁腹板與4號(hào)主橫梁上方區(qū)域；(2)樣點(diǎn)1和5處的正應(yīng)力值相差較大。2號(hào)縱梁腹板上，樣點(diǎn)1在閘門采用后止水式時(shí)比采用前止水式時(shí)的值均大了2.05 MPa，在3號(hào)縱梁腹板上，比采用前止水式時(shí)的值大了7.67 MPa。其他樣點(diǎn)在2號(hào)與3號(hào)縱梁腹板上差值較小，最大差值小于0.33 MPa，最小差值僅為0.09 MPa；(3)縱梁腹板靠近1號(hào)主橫梁區(qū)域的正應(yīng)力在閘門采用后止水式時(shí)要大于采用前止水式的值，這可能是由于采用后止水式時(shí)，閘門1號(hào)主橫梁直接承受水壓力，并且把一部分壓力傳遞給縱梁，引起該區(qū)域的應(yīng)力值大于采用前止水式的應(yīng)力值；(4)兩種止水方式對(duì)縱梁腹板正應(yīng)力的影響主要在靠近1號(hào)主橫梁區(qū)域，后止水方式時(shí)，該區(qū)域應(yīng)力值大于采用前止水式時(shí)的值。

3.1.4邊梁

后止水式結(jié)構(gòu)邊梁部分腹板直接承受水壓力作用；而前止水式結(jié)構(gòu)邊梁未直接承受水壓力作用。其從左至右的編號(hào)分別為1號(hào)和2號(hào)，由于兩者為對(duì)稱分布，因此只考慮其中的2號(hào)邊梁。圖11為區(qū)域位置示意圖。

圖11 區(qū)域位置示意圖

由計(jì)算可得：(1)內(nèi)腹板的應(yīng)力分布差別主要在區(qū)域1、3、4三處區(qū)域。在后止水式時(shí)，區(qū)域1、3、4直接承受水壓力，導(dǎo)致應(yīng)力值大于區(qū)域2，應(yīng)力最大值為126 MPa，區(qū)域1、3這兩區(qū)域的中心處有應(yīng)力比較小的區(qū)域，這是由于邊梁腹板與輪軸交接處有加強(qiáng)板的存在。在前止水式時(shí)，區(qū)域1、3這兩塊區(qū)域在邊梁腹板與輪軸交接處的周圍區(qū)域存在應(yīng)力值較大的小區(qū)域，可能由于定輪的存在，在閘門采用前止水式時(shí)，易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大值為132 MPa，與后止水式時(shí)的差值為4%。在區(qū)域4中，由于閘門采用后止水式時(shí)，該區(qū)域直接承受水壓力，導(dǎo)致應(yīng)力大于前止水式。(2)外腹板的應(yīng)力分布差別主要在區(qū)域6以及靠近區(qū)域6的部分小區(qū)域。這是由于在后止水式時(shí)區(qū)域6直接承受水壓力，導(dǎo)致應(yīng)力值較大，為108MPa；而在前止水式時(shí)，該區(qū)域則不承受水壓力，也無應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以應(yīng)力值的大小為13 MPa。(3)在后止水式時(shí)，邊梁腹板部分區(qū)域直接承受水壓力(即區(qū)域1、3、4、6)，導(dǎo)致該這幾個(gè)區(qū)域應(yīng)力值較大；閘門在前止水式時(shí)，區(qū)域1和區(qū)域3存在小區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致最大應(yīng)力值較大。

3.1.5小橫梁

結(jié)構(gòu)小橫梁縱梁部分不直接承受水壓力作用，小橫梁(包括次梁和底梁)自上向下的編號(hào)依次為1～7號(hào)。

由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知：(1)后止水式時(shí)，平面鋼閘門小橫梁最大正應(yīng)力值為128 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在2號(hào)小橫梁腹板與后翼緣連接處區(qū)域。前止水式時(shí)，平面鋼閘門小橫梁最大正應(yīng)力值為126 MPa，比閘門采用后止水式時(shí)小了1%，最大應(yīng)力出現(xiàn)在2號(hào)小橫梁腹板與后翼緣連接處區(qū)域；(2)兩條折線基本重合，相差最大處在4號(hào)小橫梁，差值為4.7 MPa；(3)表征平面鋼閘門止水方式采用兩種不同的止水方式時(shí)，對(duì)小橫梁的應(yīng)力影響均較小。

3.2 位移分析

由計(jì)算結(jié)果可知：(1)后止水式時(shí)，平面鋼閘門主橫梁最大撓度變形量為2.63 mm，最大變形出現(xiàn)在主橫梁腹板介于3號(hào)縱梁與2號(hào)邊梁內(nèi)腹板之間區(qū)域。前止水式時(shí)，平面鋼閘門主橫梁最大撓度變形量為3.15 mm，比后止水式時(shí)主橫梁最大撓度變形量大了19.8%，最大變形出現(xiàn)在主橫梁跨中區(qū)域；(2)前止水式時(shí)，1～4號(hào)主橫梁的撓度變形量逐漸增大。后止水式時(shí)，1號(hào)主橫梁的最大撓度變形量大于其他主橫梁，且大于前止水式時(shí)1號(hào)主橫梁的最大撓度變形量，兩者差值為0.51 mm，這是由于該止水方式下，1號(hào)主橫梁直接承受水壓力，導(dǎo)致?lián)隙茸冃瘟孔兇蟆：笾顾綍r(shí)，2～4號(hào)主橫梁的最大撓度變形量亦逐步增大，但最大撓度變形量均小于前止水式時(shí)相應(yīng)主橫梁，且差值均在1.22 mm以上；(3)在后止水方式下，閘門1號(hào)主橫梁的最大撓度變形量大于前止水式時(shí)，2～4號(hào)主橫梁的撓度變形情況則相反?？傮w而言，閘門在采用后止水方式時(shí)，主橫梁的撓度變形情況優(yōu)于采用前止水式時(shí)。

4 結(jié) 論

(1)由計(jì)算可知，兩種止水方式下閘門各構(gòu)件應(yīng)力均滿足強(qiáng)度要求，但局部位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，針對(duì)這些薄弱區(qū)域，建議采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施。

(2)后止水平面鋼閘門面板和2～4號(hào)主橫梁的應(yīng)力分布優(yōu)于前止水式，且最大應(yīng)力值小于前止水式；兩種止水方式對(duì)于主橫梁的應(yīng)力分布影響均較大；后止水方式對(duì)邊梁的主要影響在于腹板直接承受水壓力區(qū)域；邊梁和1號(hào)主橫梁的應(yīng)力分布情況表明前止水式優(yōu)于后止水式；兩種止水方式的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)小橫梁影響均可以忽略。

(3)后止水平面鋼閘門2～4號(hào)主橫梁的撓度變形小于前止水式，由于后止水式閘門1號(hào)主橫梁直接承受水壓力的作用，導(dǎo)致1號(hào)主橫梁撓度變形大于前止水式。經(jīng)過整體綜合分析，后止水平面鋼閘門抗變形能力更強(qiáng)。