不設(shè)主梁下翼緣的反向擋水閘門力學特性分析

張雪才，王正中，覃 垚，楊仁操

(西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

正向擋水閘門，面板布置在上游，梁格作為支承布置在面板的下游，這樣可以防止梁格和行走支承浸沒于水中而積累污物，也可減小因門底過水而產(chǎn)生的振動。反向擋水閘門，面板布置在梁格的下游，將封水面布置在下游面板，對于無須利用水柱的閘門來說，這樣布置主要是為了利用水壓壓緊水封達到較好的封水效果。平面鋼閘門主梁承擔大部分荷載，其結(jié)構(gòu)形式主要有工字型、箱型和Π型組合截面，其中最為常用的為工字型組合截面，趙春龍等[14]通過研究指出工字型截面主梁的受力特點較好，如圖1所示為反向擋水閘門中常用的工字型截面示意圖，圖1a為設(shè)置下翼緣的截面形式，圖1b為不設(shè)置下翼緣的截面形式。對于反向或雙向擋水閘門結(jié)構(gòu)來說，雖然各構(gòu)件幾乎都一樣，但名稱與正向閘門結(jié)構(gòu)相反，如：正向擋水閘門主梁的上翼緣在反向擋水閘門中就是主梁的下翼緣。

圖1 閘門工字型主梁的截面形式

1 反向擋水閘門主梁力學特性分析

1.1 反向擋水閘門的特點

反向擋水閘門的梁格一般采取齊平連接，即水平次梁、豎直次梁與主梁的下翼緣(主梁設(shè)置下翼緣時如圖2a；當不設(shè)置下翼緣時如圖2b)，為主梁腹板直接與面板相連)表面齊平于面板且與面板直接相連。正、反向擋水閘門的傳力途徑都是把面板傳來的水壓力依次由次梁、主梁、邊梁而后傳給行走支承。

圖2 梁格齊平連接

1.2 主梁力學特性分析

主梁是平面鋼閘門結(jié)構(gòu)的主要承載結(jié)構(gòu)，其形式主要有工字型組合梁截面，如圖1所示?，F(xiàn)今探究反向或雙向擋水閘門的力學特性，主要分析步驟為：

(1)閘門主梁荷載及內(nèi)力的計算。主梁除承擔豎直次梁傳來的集中荷載外，還承擔面板直接傳來的分布荷載。然而，為了簡化計算，可將作用在主梁上的荷載等效為均布荷載。當主梁按等載方式布置時，只需把閘門在跨度方向單位長度上的總荷載P除以主梁的個數(shù)n，即得每根主梁單位長度上的荷載q=P/n。如果主梁不是等荷載布置，各主梁分擔的荷載根據(jù)杠桿原理進行確定，最后以分擔荷載最大的主梁進行設(shè)計。主梁的計算簡圖如圖3所示，計算跨度l0為閘門行走支承中心線之間的長度，即

l0=lh+2d

(1)

式中，l0為閘門孔口寬，m；lh為荷載跨度，m；d行走支承中心線到閘墩側(cè)壁的長度，m，根據(jù)跨度和水頭的大小，一般取d=0.15～0.4 m。

圖3 側(cè)止水安裝在閘門上游面時主梁的計算示意

(2)主梁斷面特性的計算。要確定閘門面板參與主梁下翼緣的有效寬度，可根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[10-11]附錄H中的規(guī)定計算得到。

(3)強度計算。確保主梁的彎曲正應(yīng)力小于允許應(yīng)力。

(4)剛度計算。側(cè)止水布置在閘門上游面時主梁在均布荷載下引起的撓度可由式(2)進行求解

(2)

式中，q為主梁受到的均布荷載，kN/m，lh為均布荷載的長度，m；l0為閘門孔口寬度，m；E為主梁材料的彈性模量，MPa；I為主梁橫截面的慣性矩，m4。

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(5)整體穩(wěn)定性計算。

(6)局部穩(wěn)定性計算。當符合公式(3)時，可不對腹板的局部穩(wěn)定性進行計算。

(3)

式中，fy為鋼材的屈服點；h0為腹板計算高度。

(7)主梁材料用量計算。主梁材料用量可根據(jù)主梁橫截面面積和主梁跨度計算得到。

表1 反向擋水閘門主梁計算結(jié)果

2 工程實例

某水利工程的平面鋼閘門，孔口大小為4.8 m×3.72 m(寬×高)，底檻高程230.0 m，設(shè)計水位306.21 m，采用主橫梁式結(jié)構(gòu)，水平向除布置主梁、頂梁、底梁外，還安裝了5根水平次梁，垂直向安裝了3根縱梁及兩道邊梁，閘門門葉結(jié)構(gòu)的主梁和次梁等高齊平布置。構(gòu)件材料為Q235B，允許應(yīng)力為160 MPa。門葉結(jié)構(gòu)布置見圖4，主梁的計算見圖5所示。

圖4 平面鋼閘門門葉結(jié)構(gòu)示意

圖5 主梁計算簡示意

由閘門和水頭尺寸，可計算得到主梁上的均布荷載、彎矩和剪力分別為q=563.5 kN/m，M=2 155.39 kN·m，Q=1 408.75 kN。

采用材料力學法分別對反向擋水閘門主梁設(shè)置下翼緣和不設(shè)置下翼緣時主梁的強度、剛度、整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性進行了計算，并把計算結(jié)果和對應(yīng)主梁的材料用量作了對比，如表1所示。分別用彎曲正應(yīng)力、位移、整體穩(wěn)定計算結(jié)果、局部穩(wěn)定計算結(jié)果和主梁材料用量來對其強度、剛度、整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性和經(jīng)濟性作相應(yīng)的評價。

由表1可以看出，反向擋水閘門主梁設(shè)置和不設(shè)置下翼緣，主梁的強度、剛度、整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性都能滿足規(guī)范規(guī)定，其中不設(shè)置主梁下翼緣時閘門主梁的強度比設(shè)置主梁下翼緣時增大16.9%，剛度提高10.3%，整體穩(wěn)定性增大22.7%，材料節(jié)省30%。即反向擋水閘門不設(shè)置主梁下翼緣時可增加閘門的強度、剛度和穩(wěn)定性，并可減少材料用量，對閘門的安全性與經(jīng)濟性有利，可以適當降低閘門啟閉的容量，便于閘門靈活啟閉。

3 有限元分析

鋼閘門的三維有限元法[15]是將閘門作為一個整體的空間框架體系進行分析計算的一種方法。閘門在工程運行中是一個完整的空間結(jié)構(gòu)體系，各部件相互協(xié)調(diào)，施加在閘門結(jié)構(gòu)上的外力和荷載由全部組成部件共同承擔，而按平面體系法計算各個部件內(nèi)力時，不管計算假定多么精細，都不能把閘門真實工作狀況表現(xiàn)出來。運用三維有限元法計算閘門結(jié)構(gòu)，可以把閘門結(jié)構(gòu)強烈的空間效應(yīng)充分體現(xiàn)出來，還可以準確地計算出各部件的應(yīng)力及變形，直接看出受力以及變形情況的分布規(guī)律。根據(jù)圖4采用ANSYS15.0創(chuàng)建平面閘門的有限元模型，并計算靜荷載作用下的閘門結(jié)構(gòu)。平面鋼閘門是一種空間薄壁體系[16～18]，閘門的面板、主梁、次梁、邊梁、頂梁和底梁等均采用殼單元shell63建模，閘門材料為Q235B，彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.25，密度為7 850 kg/m3。為保證網(wǎng)格的劃分質(zhì)量，此次計算中均采用映射網(wǎng)格劃分的方法，并保證整個閘門模型的網(wǎng)格劃分較為精細。為了使計算更加合理，避免出現(xiàn)反對稱情況的發(fā)生，建立平面閘門的整體模型，所建閘門的有限元模型如圖6所示，劃分的單元數(shù)和結(jié)點數(shù)分別為55 317個和53 227個。因組成平面閘門的各個構(gòu)件較為規(guī)則，僅采用整體直角坐標系即可，其中：坐標原點在閘門底梁左端處，X正方向垂直水流方向向右，Y正方向豎直向上，Z正方向與水流方向相反，符合笛卡爾坐標系的右手法則。

邊界條件為：對閘門底端施加豎直方向的位移約束，邊梁處施加順水流方向和垂直水流方向的位移約束，頂梁處施加順水流方向的位移約束。實際工程中，閘門的受力較多，除水荷載，自重外，還有波浪壓力，溫度應(yīng)力和地震等作用，鑒于本文主要探究閘門不設(shè)置主梁下翼緣時的受力特性，主要施加閘門的自重和靜水壓力的作用。

圖6 反向擋水平面閘門有限元模型

圖7 設(shè)置主梁下翼緣的計算結(jié)果

圖8 不設(shè)主梁下翼緣的計算結(jié)果

由圖7和圖8可得三維有限元法計算結(jié)果：反向擋水閘門設(shè)置主梁下翼緣時，主梁下翼緣的彎曲正應(yīng)力為130 MPa，主梁上翼緣的彎曲正應(yīng)力為104 MPa，主梁位移的最大值為0.003 56 m。反向擋水閘門不設(shè)置主梁下翼緣時，主梁下翼緣的彎曲正應(yīng)力為108 MPa，主梁上翼緣的彎曲正應(yīng)力為115 MPa，主梁位移的最大值為0.003 22 m。

4 結(jié)果對比分析

通過材料力學法和三維有限元法對反向擋水平面閘門主梁設(shè)置和不設(shè)置下翼緣的情況分別進行了計算，綜合對比兩者計算結(jié)果可知，在相同條件下材料力學法計算的結(jié)果比采用三維有限元法稍大，這是因為三維有限元法可以考慮閘門的空間效應(yīng)，使閘門各部位的材料充分利用，共同發(fā)揮作用，但兩種方法計算結(jié)果是一致的，可以相互驗證計算成果的準確性。反向擋水平面閘門主梁設(shè)置和不設(shè)置下翼緣，平面閘門結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性都可以滿足，但是不設(shè)置主梁下翼緣時，主梁強度增大16.9%，剛度提高10.3%，整體穩(wěn)定性提高22.7%，局部穩(wěn)定性相差不大，材料節(jié)省30%。反向擋水或雙向擋水平面閘門不設(shè)置主梁下翼緣時，閘門的強度、剛度和穩(wěn)定性會顯著提高，同時還可以簡化閘門生產(chǎn)制造的流程。對于反向擋水或雙向擋水平面閘門設(shè)計時主梁是否設(shè)置下翼緣，閘門的力學特性應(yīng)引起設(shè)計人員的注意，建議對于主橫梁式反向擋水或雙向擋水平面閘門，不設(shè)置主梁下翼緣時主梁橫截面為雙軸對稱斷面(即A1=A3)的情況下建議使用不設(shè)置主梁下翼緣的布置方式，否則，可能會導致閘門主梁發(fā)生強度和剛度破壞，亦或者發(fā)生失穩(wěn)破壞。

5 結(jié) 論

采用材料力學法和三維有限元法對主橫梁式反向擋水或雙向擋水平面閘門主梁設(shè)置下翼緣和主梁不設(shè)置下翼緣的力學特性分別進行了計算分析，兩種計算方法的計算結(jié)果均表明不設(shè)置主梁下翼緣時閘門主梁的強度、剛度、穩(wěn)定性和材料利用率都會不同程度的提高。建議今后修訂完善閘門規(guī)范時應(yīng)明確指出對于反向擋水或雙向擋水的主橫梁式平面鋼閘門，不設(shè)置主梁下翼緣時主梁橫截面為雙軸對稱截面(即A1=A3)的情況下建議采用不設(shè)置主梁下翼緣的布置方式，該情況下不設(shè)置主梁下翼緣對閘門的安全更有利。