跨流域不間斷輸水工程的閘門(mén)應(yīng)力檢測(cè)方法優(yōu)化

摘 要：南水北調(diào)工程某控制閘的工作閘門(mén)運(yùn)行多年，受結(jié)構(gòu)變形、損傷、銹蝕等因素影響，閘門(mén)運(yùn)行的可靠性降低。對(duì)閘門(mén)進(jìn)行安全檢測(cè)，特別是應(yīng)力檢測(cè)，是了解其安全性能的有效手段。針對(duì)跨流域不間斷輸水閘門(mén)應(yīng)力檢測(cè)工況很難接近設(shè)計(jì)工況的現(xiàn)狀，在檢測(cè)工況下利用ANSYS有限元法對(duì)弧門(mén)進(jìn)行加載受力分析，對(duì)比模擬計(jì)算成果及實(shí)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證有限元模型的計(jì)算可靠性，進(jìn)而通過(guò)ANSYS有限元法分析設(shè)計(jì)工況下的結(jié)構(gòu)受力狀況，全面校核閘門(mén)安全性能。

關(guān)鍵詞：閘門(mén);應(yīng)力檢測(cè);有限元法;電測(cè)法;安全性能

中圖分類號(hào)：TV663.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）32-0057-05

Optimization of Gate Stress Detection Method for Cross-basin Uninterrupted Water Delivery Project

WANG Jiang

（Shanghai Investigation， Design & Research Institute Co.，Ltd.， Shanghai 200434）

Abstract： The working gate of a control gate of the South-to-North Water Diversion Project has been in operation for many years， affected by structural deformation， damage， rust and other factors， the reliability of the gate operation is reduced， and the safety inspection of the gate， especially the stress inspection， is an effective means to understand its safety state. Aiming at the current situation that the stress detection condition of the continuous water delivery gate across the river basin is difficult to approach the design condition， this paper uses ANSYS finite element method to analyze the loading force of the radial gate under the detection condition， and compares the simulation calculation results and the actual measurement results to verify the calculation reliability of the finite element model， then uses ANSYS finite element method to analyze the structural force status under design conditions and comprehensively check the safety performance of the gate.

Keywords： gate;stress detection;finite element method;electrical measurement method;safety performance

由于天然降水時(shí)空分布不均衡，不同地區(qū)水資源差異較大。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，跨流域調(diào)水工程規(guī)模不斷增大，技術(shù)日趨成熟。我國(guó)大型的跨流域調(diào)水工程包括南水北調(diào)、引黃濟(jì)青、引灤入津、引黃入晉及紅旗渠等。國(guó)外著名的工程有澳大利亞的東水西調(diào)、美國(guó)西部的北水南調(diào)等[1]。水工鋼閘門(mén)廣泛應(yīng)用于跨流域調(diào)水工程，是控制工程引水流量的關(guān)鍵水利設(shè)備。閘門(mén)安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)渠道流態(tài)控制和上下游渠道結(jié)構(gòu)安全起到了至關(guān)重要的作用[2]。根據(jù)《水工鋼閘門(mén)和啟閉機(jī)安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（SL 101—2014）[3]，對(duì)閘門(mén)進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)是了解閘門(mén)安全性態(tài)的有效手段。目前，對(duì)閘門(mén)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試及有限元仿真分析已有大量的研究[4-7]，為閘門(mén)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，而對(duì)于跨流域不間斷輸水工程閘門(mén)應(yīng)力檢測(cè)工況很難接近設(shè)計(jì)工況的檢測(cè)及分析較少，尋找合適的優(yōu)化替代解決方案有待深入研究。本文以南水北調(diào)工程某控制閘為例，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)工況進(jìn)行電測(cè)法和有限元法對(duì)比分析，并利用模型推算設(shè)計(jì)工況下的閘門(mén)受力狀況，校核閘門(mén)整體安全性，有效解決了運(yùn)行安全與檢測(cè)工況需求矛盾的現(xiàn)狀，為今后類似工程提供了參考。

1 概況

南水北調(diào)工程某控制閘工作閘門(mén)孔口尺寸為7.0 m×8.0 m（寬×高），閘門(mén)主要構(gòu)件材料為Q345B鋼，弧門(mén)面板曲率半徑為11.0 m，閘門(mén)啟閉水頭為7.679 m，閘門(mén)結(jié)構(gòu)如圖1所示，閘門(mén)啟閉設(shè)備為QHLY2×320 kN-4.412 m液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。

2 電測(cè)法

電測(cè)法通過(guò)固定在被測(cè)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變片獲取電信號(hào)。為采集較好的測(cè)試信號(hào)，電測(cè)法采用硅橡膠進(jìn)行密封處理，以保證絕緣度良好。檢測(cè)數(shù)據(jù)利用屏蔽導(dǎo)線傳遞至檢測(cè)系統(tǒng)。

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

閘門(mén)結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力檢測(cè)根據(jù)弧形工作閘門(mén)的受力特點(diǎn)布設(shè)采集點(diǎn)，應(yīng)力采集點(diǎn)主要分布于閘門(mén)的橫梁、支臂、面板及縱梁等部位。本次共設(shè)置22個(gè)采集點(diǎn)，單向采集點(diǎn)18個(gè)，三向采集點(diǎn)4個(gè)，共30個(gè)數(shù)據(jù)。應(yīng)力采集點(diǎn)位如圖2所示。

2.2 檢測(cè)工況

閘門(mén)上下游水頭為6.91 m，閘門(mén)完全開(kāi)啟且處于鎖定狀態(tài)時(shí)，各參數(shù)清零。在閘門(mén)完全落底后，采集相對(duì)靜應(yīng)力值，完成三次靜應(yīng)力數(shù)據(jù)采集。

2.3 靜應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

2.3.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理。根據(jù)單向應(yīng)力狀態(tài)的胡克定律，可得測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：

三向測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：

式中：σ、σ為分別為x、y方向的應(yīng)力（x、y方向分別與ε、ε方向一致）;τ為與x軸夾角45°方向的應(yīng)力;E為鋼材的彈性模量，取2.06×10 MPa;μ為鋼材的泊松比，取0.30;ε、ε、ε分別為三向測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變。

三向測(cè)點(diǎn)的折算應(yīng)力σ按式（5）計(jì)算。

2.3.2 電測(cè)法檢測(cè)結(jié)果。靜應(yīng)力檢測(cè)進(jìn)行3次，各檢測(cè)數(shù)據(jù)相差不超過(guò)10%，取3次測(cè)量最大值作為弧形閘門(mén)靜應(yīng)力的最終檢測(cè)結(jié)果。測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)9的實(shí)測(cè)最大相對(duì)應(yīng)力值分別為25.75 MPa、-16.78 MPa、22.96 MPa、-26.36 MPa、4.68 MPa、-22.03 MPa、-17.17 MPa、-18.38 MPa和14.83 MPa（單向測(cè)點(diǎn)應(yīng)力正值為拉，負(fù)值為壓，下同），測(cè)點(diǎn)10數(shù)據(jù)丟失，測(cè)點(diǎn)11至測(cè)點(diǎn)18的實(shí)測(cè)最大相對(duì)應(yīng)力值分別為-17.82 MPa、-7.74 MPa、-21.12 MPa、-16.78 MPa、-1.74 MPa、-13.00 MPa、-18.23 MPa和-13.79 MPa。另外：測(cè)點(diǎn)19、20、21的三向測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失;測(cè)點(diǎn)22、23、24的三向測(cè)點(diǎn)折算應(yīng)力為17.8 MPa;測(cè)點(diǎn)25、26、27的三向測(cè)點(diǎn)折算應(yīng)力為22.8 MPa;測(cè)點(diǎn)28、29、30的三向測(cè)點(diǎn)折算應(yīng)力為19.6 MPa。

3 有限元法

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

3.1.1 模型建立及導(dǎo)入。水工閘門(mén)為典型的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系，由板、殼、梁、桿等構(gòu)件組合而成[8]。分析弧形閘門(mén)的整體結(jié)構(gòu)分布及受力特點(diǎn)，將其面板、橫梁、縱梁、邊梁、支臂、豎桿離散為板單元，支鉸簡(jiǎn)化為塊體單元。依據(jù)提供的閘門(mén)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，在Pro/E軟件中建立三維模型。Pro/E模型以step格式導(dǎo)入ANSYS軟件，如圖3所示。

3.1.2 單元體選擇。采用三維實(shí)體有限元模型對(duì)閘門(mén)進(jìn)行仿真分析，使用solid45單元體，優(yōu)點(diǎn)是模型細(xì)節(jié)體現(xiàn)較好。通過(guò)網(wǎng)格剖分，共劃分成56 612個(gè)單元。

3.1.3 結(jié)構(gòu)尺寸及材料特性。結(jié)構(gòu)尺寸按設(shè)計(jì)圖紙及銹蝕后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取用。鑒于工作閘門(mén)運(yùn)行狀況，折減系數(shù)取0.95。對(duì)于Q345B碳素鋼，其許用應(yīng)力為213.75 MPa（厚度≤40 mm）;對(duì)于Q235碳素鋼，其許用應(yīng)力為152 MPa（厚度≤16 mm）、142.5 MPa（厚度介于16～40 mm）;對(duì)于ZG310-570支鉸材料，其許用應(yīng)力為128.25 MPa（厚度≤100 mm）。彈性模量、泊松比按照小節(jié)2.3.1數(shù)值取用。

3.1.4 約束處理。閘門(mén)底梁受到底檻鉛垂向上的豎向約束，支臂的支鉸受鉸約束。具體約束施加位置如圖4所示。

3.1.5 荷載確定和施加。閘門(mén)應(yīng)力校核時(shí)主要考慮水壓力及閘門(mén)自重，模擬分析時(shí)加載水頭為6.92 m。具體載荷加載方式如圖5所示。

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

限于篇幅，此處僅給出面板、主梁、縱梁、支臂及支鉸的應(yīng)力分布云圖，主要構(gòu)件當(dāng)量應(yīng)力分布如圖6至圖8所示。面板當(dāng)量應(yīng)力極大值為23.8 MPa，分布于面板與小橫梁之間的縱梁連接處。主橫梁包括前、后翼緣及腹板，腹板主要受彎應(yīng)力及剪應(yīng)力作用，后翼緣主要受彎應(yīng)力作用，上、下主橫梁當(dāng)量應(yīng)力極大值分別為87.3 MPa、85.2 MPa。縱梁腹板當(dāng)量應(yīng)力極大值為157.5 MPa，邊梁前翼緣板當(dāng)量應(yīng)力極大值為69.8 MPa。上、下支臂當(dāng)量應(yīng)力極大值為78.6 MPa，支鉸當(dāng)量應(yīng)力極大值為34.5 MPa。

4 檢測(cè)方法及結(jié)果分析

4.1 電測(cè)法和有限元法

電測(cè)法是根據(jù)閘門(mén)的結(jié)構(gòu)形式、受力特點(diǎn)，在閘門(mén)主要受力構(gòu)件應(yīng)力相對(duì)較大的部位布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際水位下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)。對(duì)于跨流域不間斷輸水工程，閘門(mén)調(diào)度難度大，檢測(cè)水頭受季節(jié)性水位需求影響，應(yīng)力檢測(cè)工況選擇余地小，更是難以接近設(shè)計(jì)工況。因而，受檢測(cè)方法及檢測(cè)條件的約束，結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力檢測(cè)只能了解特定水位下閘門(mén)主要構(gòu)件測(cè)點(diǎn)表面處的應(yīng)力狀況，而不能對(duì)閘門(mén)設(shè)計(jì)工況下構(gòu)件的整體應(yīng)力分布狀況進(jìn)行全面測(cè)量。對(duì)于這種跨流域不間斷輸水工程，僅僅采用電測(cè)法檢測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法對(duì)閘門(mén)整體進(jìn)行安全評(píng)估。

有限元法能夠全面了解閘門(mén)的受力情況，檢測(cè)成果更為直觀、清晰。但有限元法受網(wǎng)格劃分、邊界條件、約束條件及加載方式的影響，計(jì)算結(jié)果會(huì)存在一定誤差，因此需要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行校核及對(duì)比驗(yàn)證，檢查模型的優(yōu)劣。有限元法計(jì)算結(jié)果和電測(cè)法檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行相互比較與驗(yàn)證分析，能夠佐證有限元模型的優(yōu)劣，進(jìn)而提高任意水頭下閘門(mén)應(yīng)力推算的可靠性。

4.2 電測(cè)法與有限元法成果對(duì)比

應(yīng)力測(cè)試時(shí)，閘門(mén)處于完全開(kāi)啟和鎖定狀態(tài)，各參數(shù)清零，但有限元計(jì)算的數(shù)值為該閘門(mén)在檢測(cè)工況下的絕對(duì)應(yīng)力。為了消除兩項(xiàng)結(jié)果的相對(duì)差，在有限元計(jì)算中將模型工況設(shè)置為鎖定狀態(tài)，標(biāo)定為零點(diǎn)，并記錄零點(diǎn)狀態(tài)下的應(yīng)力值，換算出檢測(cè)工況下靜應(yīng)力計(jì)算值。

根據(jù)測(cè)試水位下閘門(mén)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算所得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力等值線云圖，可得到對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)力值，并將該測(cè)點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力值與實(shí)測(cè)應(yīng)力值進(jìn)行比較。這里對(duì)三向應(yīng)力（測(cè)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖2）的實(shí)測(cè)應(yīng)力值和有限元計(jì)算應(yīng)力計(jì)算值進(jìn)行比較分析。由圖9可知，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值存在1.4%～8.9%的誤差，表明電測(cè)法及有限元法是閘門(mén)應(yīng)力檢測(cè)的有效方法，且有限元模型在結(jié)構(gòu)尺寸選取、邊界設(shè)置、網(wǎng)格剖分及加載設(shè)置等方面設(shè)置合理，說(shuō)明利用該模型進(jìn)行設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力推算具有較高的可靠度。

5 設(shè)計(jì)工況下閘門(mén)靜應(yīng)力校核

運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)設(shè)計(jì)水頭7.679 m下的弧形閘門(mén)進(jìn)行靜應(yīng)力分析，應(yīng)力當(dāng)量云圖如圖10至圖12所示，設(shè)計(jì)水頭下工作閘門(mén)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。根據(jù)云圖及統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，弧形工作主要結(jié)構(gòu)部位的仿真應(yīng)力均小于規(guī)范對(duì)強(qiáng)度的許用應(yīng)力要求，結(jié)構(gòu)整體安全。

6 結(jié)語(yǔ)

鋼閘門(mén)是輸水調(diào)度的重要結(jié)構(gòu)。對(duì)長(zhǎng)期服役、頻繁調(diào)度、銹蝕明顯、異?？ㄗ璧拈l門(mén)來(lái)說(shuō)，進(jìn)行安全檢測(cè)特別是應(yīng)力校核，是了解其服役狀態(tài)的有效手段。針對(duì)跨流域不間斷調(diào)水工程應(yīng)力測(cè)試時(shí)水位調(diào)度難度大，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工況無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)或校核工況的閘門(mén)，對(duì)比檢測(cè)工況下電測(cè)法及有限元法的相應(yīng)成果，并利用模型推算任意工況下閘門(mén)受力狀況，校核閘門(mén)整體安全性能，是評(píng)判閘門(mén)整體安全的有效手段。應(yīng)力檢測(cè)中進(jìn)行電測(cè)法與有限元法成果比較分析時(shí)，為消除兩項(xiàng)結(jié)果的相對(duì)差，結(jié)構(gòu)尺寸需要按設(shè)計(jì)圖紙及銹蝕后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取用，在相同狀態(tài)下對(duì)閘門(mén)進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定。

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