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。
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。
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。
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
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。
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
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。
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)。
(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)。