平面鋼閘門止水布置應(yīng)力有限元分析

欽立峰

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

水工閘門是用于啟閉或局部開啟水工建筑物過水孔口的活動(dòng)性裝置，在調(diào)節(jié)水流、控制水位及保證水利工程順利運(yùn)行等方面發(fā)揮著重要作用。根據(jù)閘門功能及作用，其止水裝置有不同布置，進(jìn)而表現(xiàn)出不同的受水壓力和結(jié)構(gòu)影響，應(yīng)當(dāng)通過對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布程度的分析，選擇適用的止水布置型式。水工閘門結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)體系，現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范將平面鋼閘門劃分成獨(dú)立構(gòu)件的做法無(wú)法準(zhǔn)確反映出各構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)；而有限元法則將平面鋼閘門視為整體性空間結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，便于得出水工閘門各組件實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變，并能直觀觀察受力變形實(shí)際分布，分析結(jié)果也具有較強(qiáng)的空間效應(yīng)，在水工閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 工程概況

新疆阿克蘇地區(qū)克孜爾水庫(kù)泄洪洞閘門采用常規(guī)的潛孔式平面定輪鋼閘門型式，該閘門寬×高為4.00 m×4.25 m，閘門底檻高程198 m，上游設(shè)計(jì)水位250.10 m，作用水頭52.13 m，為便于進(jìn)行描述與分析，工字型組合主橫梁從上到下記為1#～4#，T形截面組合縱梁從左到右記為1#～3#，π形截面組合邊梁從左到右記為1#～2#，14#工字型鋼小橫梁由上到下記為1#～6#。

2 有限元模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建

平面鋼閘門是由主橫梁、縱梁、次梁、面板及滑輪等構(gòu)成的大型復(fù)雜空間薄壁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，當(dāng)前，采用以結(jié)構(gòu)力學(xué)為理論依據(jù)的平面體系分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的做法雖然較為常見，但也僅限于平面結(jié)構(gòu)以內(nèi)，對(duì)于水工閘門等空間結(jié)構(gòu)則無(wú)法真實(shí)反映其實(shí)際的受力程度，所得出的計(jì)算結(jié)果也比真實(shí)結(jié)果低出20%～40%，部分關(guān)鍵部位分析結(jié)果缺乏安全裕度。而隨著結(jié)構(gòu)力學(xué)分析理論的不斷完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的縱深應(yīng)用，空間有限元法在復(fù)雜平面鋼閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用日益廣泛。文章主要采用與水工閘門實(shí)際工況更為接近、并能精確模擬水工閘門實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的完整空間薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面鋼閘門模型構(gòu)建。

平面鋼閘門面板、橫梁、縱梁、邊梁等均采用殼單元，通過ANSYS有限元軟件的SHELL63單元進(jìn)行模擬，滑輪則采用實(shí)體單元，通過SOLID45單元進(jìn)行模擬。有限元模型離散模擬結(jié)果主要受單元形態(tài)的決定和影響，為此，必須保證網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，確保各相鄰構(gòu)件連接處具有相同節(jié)點(diǎn)，以加強(qiáng)形變控制；同時(shí)還應(yīng)確保單元尺寸的合理性，若單元尺寸過大，會(huì)增大分析結(jié)果誤差，無(wú)法真實(shí)反映結(jié)構(gòu)變形程度和局部應(yīng)力大?。幌喾?，將無(wú)形中增加分析難度。

2.2 有限元模型及約束條件

為真實(shí)反映閘門實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，平面鋼閘門各構(gòu)件尺寸參照設(shè)計(jì)圖，各構(gòu)件板殼厚度均按現(xiàn)場(chǎng)蝕余厚度確定。克孜爾水庫(kù)泄洪洞鋼閘門使用Q235鋼，彈性模量20.60萬(wàn)MPa，泊松比0.31，材料理論密度7 850 kg/m3。在所構(gòu)建的克孜爾水庫(kù)泄洪洞鋼閘門有限元模型上下游面加設(shè)止水封條，以分析平面鋼閘門在不同止水方式下閉門擋水工作特性；令x軸向代表平面閘門主橫梁向，y軸向代表平面閘門鉛垂向，z軸向代表平面鋼閘門順?biāo)飨??；唹K和其余構(gòu)件分別采用實(shí)體單元SOLID45和殼單元SHELL63，網(wǎng)格尺寸按50 mm設(shè)置，劃分出的單元數(shù)27 420個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)16 804個(gè)。

考慮到平面鋼閘門結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，故可通過ANSYS有限元軟件對(duì)稱建模，并在模型對(duì)稱軸施加對(duì)稱約束，以保證閘門滾輪支承約束能沿水流方向施加，y軸向豎直約束施加于閘門底端，主要起到限制閘門豎向移動(dòng)的作用。將閘門寬度向的底面板中間節(jié)點(diǎn)位移設(shè)定為零，確保所構(gòu)建的平面鋼閘門模型具有不變的幾何屬性。

2.3 計(jì)算工況及加載

按照567.50 m的底檻高程和25.00 m的設(shè)計(jì)水頭確定計(jì)算工況。克孜爾水庫(kù)泄洪洞平面鋼閘門在實(shí)際運(yùn)行過程中受力情況復(fù)雜，同時(shí)受到結(jié)構(gòu)自重、水壓力、泥沙壓力和波浪壓力等的作用，為簡(jiǎn)化分析，此處僅考慮閘門結(jié)構(gòu)自重和靜水壓力。前止水型式下閘門僅面板受水壓力作用，而后止水型式下，閘門面板、頂梁腹板及邊梁腹板等均受水壓力作用。兩種止水型式下平面鋼閘門受水壓力荷載面具體見圖1。Q235鋼極限屈服力為235 MPa，抗拉、抗壓及抗彎應(yīng)力允許值均為215 MPa，抗剪應(yīng)力允許值為125 MPa，根據(jù)SL74-2013，水工平面鋼閘門允許應(yīng)力應(yīng)按0.90～0.95的調(diào)整系數(shù)確定，而SL226-98規(guī)定，金屬結(jié)構(gòu)閘門強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)必須考慮0.90～0.95的使用年限調(diào)整系數(shù)，此工程系數(shù)均取0.92，則調(diào)整后的抗拉、抗壓及抗彎應(yīng)力值為182 MPa，抗剪應(yīng)力值為105 MPa。

圖1 平面鋼閘門受水壓力荷載面

3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.1.1 面板

在前止水和后止水兩種不同的止水布置形式下，該水工平面鋼閘門面板區(qū)域應(yīng)力位相似分布形式，在前止水布置時(shí)，面板連接邊梁內(nèi)腹板并與1#、2#、5#、6#小橫梁相交處應(yīng)力集中現(xiàn)象比較凸顯；而后止水布置時(shí)，面板應(yīng)力分布比較均勻且運(yùn)行穩(wěn)定。比較結(jié)果見表1。

表1 平面鋼閘門面板最大等效應(yīng)力結(jié)果比較表

3.1.2 主橫梁

1#主橫梁腹板在前止水型式下應(yīng)力分布兩頭大中間小，后止水型式下應(yīng)力分布分散，但止水位置應(yīng)力值較大；2#～4#主橫梁腹板應(yīng)力在兩種止水型式下均為兩頭大中間小。兩種止水布置下主橫梁腹板及后翼緣應(yīng)力呈兩頭小中間大的相似分布，具體見表2。根據(jù)比較，1#主橫梁后止水布置下腹板折算應(yīng)力最大值出現(xiàn)在腹板接近前翼緣位置，且比前止水布置大146%，主要原因在于后止水型式下1#主橫梁直接受到水壓的影響而應(yīng)力值較大，但其折算應(yīng)力最大值仍比屈服強(qiáng)度小。2#～4#主橫梁在兩種止水布置下折算應(yīng)力最大值分別出現(xiàn)在閘門跨中靠近前翼緣處以及腹板、邊梁筏板及后翼緣交界處?？傊?#主橫梁后翼緣受力復(fù)雜、主橫梁直接承受水壓而前止水應(yīng)力折算值大于后止水外，前止水型式下翼緣折算應(yīng)力普遍高出后止水型式。

表2 主橫梁腹板及后翼緣最大應(yīng)力折算值比較表（單位：MPa）

3.1.3 縱梁

根據(jù)對(duì)有限元模型的分析，兩種止水型式下，縱梁腹板應(yīng)力分布基本一致，且1#、3#縱梁應(yīng)力略微大于2#縱梁；縱梁后翼緣應(yīng)力分布也較為接近。不同止水布置下縱梁應(yīng)力最大值比較結(jié)果詳見表3。后翼緣剪應(yīng)力很小，且對(duì)平面閘門性能無(wú)較大影響，故忽略不計(jì)；通過表中結(jié)果比較可以看出，兩種止水型式下腹板和后翼緣等效應(yīng)力、正應(yīng)力及剪應(yīng)力值均較為接近，止水布置對(duì)縱梁應(yīng)力分布影響不大。

表3 縱梁應(yīng)力最大值比較表（單位：MPa）

3.1.4 邊梁

所構(gòu)建的平面鋼閘門模型左右對(duì)稱，故只分析2#邊梁受力情況。兩種止水布置下邊梁內(nèi)腹板應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出外腹板；邊梁后翼緣應(yīng)力分布基本一致，均因存在定輪缺口而引發(fā)局部應(yīng)力集中。為進(jìn)行2#邊梁腹板應(yīng)力分布情況的準(zhǔn)確描述，將其劃分為成8個(gè)區(qū)域。根據(jù)有限元分析結(jié)果，平面鋼閘門邊梁內(nèi)腹板應(yīng)力差異主要存在于區(qū)域1、3、4，在前止水型式下，區(qū)域1、3因設(shè)置有定輪故邊梁腹板和輪軸連接處應(yīng)力較為集中，最大應(yīng)力值達(dá)到157 MPa；后止水型式下，區(qū)域1、3、4為直接的水壓承壓區(qū)域，應(yīng)力值較大，區(qū)域2因在邊梁腹板和輪軸連接處設(shè)置有加強(qiáng)版，故應(yīng)力較小。區(qū)域6附近外腹板應(yīng)力分布存在較大差別：前止水布置時(shí)不承壓，無(wú)應(yīng)力集中，應(yīng)力值最大僅為12 MPa；后止水布置時(shí)因直接承受水壓力和結(jié)構(gòu)承重傳遞力而應(yīng)力較大，最大達(dá)到118 MPa。后止水型式下邊梁腹板折算應(yīng)力最大值小于前止水型式，且兩種止水布置下折算應(yīng)力最大值均未超出應(yīng)力允許值。

3.2 變形計(jì)算結(jié)果

主橫梁是克孜爾水庫(kù)泄洪洞平面鋼閘門主要受力構(gòu)件，一旦鋼閘門主橫梁發(fā)生較大變形并超出限定值，則鋼板平面會(huì)發(fā)生彎曲形變，門槽止水也會(huì)隨之失效，造成閘門起吊困難。為此還必須進(jìn)行平面鋼閘門主橫梁變形分析。主橫梁撓度形變有限元分析結(jié)果詳見表4。根據(jù)分析可知，在前止水布置型式下，平面鋼閘門主橫梁撓度形變最大值出現(xiàn)在4#主橫梁跨中，為3.16 mm，且1#～4#主橫梁撓度形變呈增大趨勢(shì)；后止水設(shè)置下，主橫梁撓度形變最大值出現(xiàn)在1#主橫梁腹板位置，為2.65 mm，2#～4#主橫梁撓度形變呈增大趨勢(shì)，但均小于1#主橫梁。顯然，后止水型式下主橫梁撓度形變較前止水型式??；且兩種止水方式下主橫梁撓度形變均未超出設(shè)計(jì)值。

表4 主橫梁撓度形變有限元分析結(jié)果表（單位：mm）

4 結(jié)論

綜上所述，克孜爾水庫(kù)泄洪洞平面鋼閘門在前后兩種止水布置型式下，所分析到的水工鋼閘門不同構(gòu)件的實(shí)際強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，僅有某些構(gòu)件交叉重疊區(qū)域和定輪位置處存在局部性應(yīng)力集中問題，為保證水工鋼閘門受力均衡及穩(wěn)定運(yùn)行，必須及時(shí)加固處理；止水布置型式對(duì)水工鋼閘門縱梁及小橫梁影響較小，可忽略不計(jì)。該水庫(kù)泄洪洞潛孔式平面鋼閘門采用后止水布置型式時(shí)面板受力較為均勻，無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象；主橫梁所具有的抗形變效果也較為優(yōu)良；邊梁折算應(yīng)力的最大值比前止水布置型式下的這算應(yīng)力最大值要小。在后止水布置型式下，水壓力直接作用于1#主橫梁和邊梁腹板，故主橫梁應(yīng)按照變截面設(shè)計(jì)，邊梁應(yīng)加設(shè)隔板，以保證鋼閘門應(yīng)力分布更加均勻合理。