平面鋼閘門靜力特性受止水方式影響的分析

楊 健

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院,新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

水工平面鋼閘門止水系統(tǒng)是閘門重要的組成部分,閘門和門槽埋件之間止水布置形式的選擇會對閘門應力、位移等靜力特性產(chǎn)生較大影響,并直接關系到止水系統(tǒng)的有效性以及平面鋼閘門在運行過程中滲漏水情況及效能,進而影響下游施工條件。若因止水布置形式選擇不當而引發(fā)止水失效,必然造成閘門漏水、埋件氣蝕破損、縫隙氣穴等問題,甚至導致閘門結構劇烈震動,阻礙閘門構件性能的正常發(fā)揮。當前,國內外許多學者針對水工平面鋼閘門止水方式設計及優(yōu)化進行了研究探討,也取得了豐碩成果,但是有關平面鋼閘門止水系統(tǒng)布置形式及靜力特性的研究卻少之甚少。水工平面鋼閘門有前止水和后止水兩種布置形式,在具體選擇時大多憑經(jīng)驗而定,缺乏技術論證。為此,本文以具體水利工程平面鋼閘門為原型進行有限元模型構建,并對兩種止水布置形式下閘門靜力特性進行比較分析。

1 模型構建

三屯河水庫放水涵洞進口潛孔式平面鋼閘門為板梁結構,寬4.5 m、高3.6 m,梁格支撐面板包括主橫梁、次梁、邊梁和縱梁等部分。四根主橫梁為工字鋼截面組合梁,由上至下編號為1#～4#；三根T 形截面組合縱梁由左至右編號為1#～3#；Ⅱ形截面組合邊梁由左至右依次編號1#～2#；六根小橫梁均為14 號工字型鋼,底梁采用14 號槽鋼,由上至下依次編號為1#～7#。本文分析所需的S 水庫放水涵洞進口平面鋼閘門構件外形尺寸均取自設計圖紙。

該水庫放水涵洞進口平面鋼閘門為空間薄壁結構設計,其主要構件有面板、主次橫梁、縱梁、滑輪等。為充分考慮鋼閘門構件運行屬性,并保證其靜力特性計算結果的精確度,本文進行完整空間薄壁結構仿真建模[1],其中鋼閘門滑輪采用Solid45 實體單元,其余構件均采用Shell63 殼單元。

1.1 材料參數(shù)

為使計算結果具有可比性,必須采取一致的材料類型、材料參數(shù)、約束條件[2]等,在上下游面對應設置止水封條。該水庫放水涵洞進口平面鋼閘門采用Q235B 材料,材料彈性模量2.06×105MPa,密度7.8×103kg/m3,泊松比0.3。所構建的平面鋼閘門靜力分析模型包括35620 個單元和32684 個離散型節(jié)點,閘門結構及所承受荷載均左右對稱分布,結構整體有限元分析模型見圖1。

圖1 結構整體有限元模型

1.2 計算工況及荷載

考慮到三屯河水庫底坎高程546.5 m,平面鋼閘門作用水頭取25 m,為確保所構建模型的幾何性,假設模型底部面板中間節(jié)點沿閘門寬度向無位移,鋼閘門主橫梁軸向、鉛垂向及順水流向分別為x 向、y 向和z 向。

基于本文所研究的目的,為得到平面鋼閘門靜力特性受不同止水方式影響的程度,應分閘門結構自重和靜水壓力兩種荷載。在采用前止水方式下鋼閘門面板為主要的受水壓力面,后止水方式下鋼閘門的面板、頂梁腹板和邊梁腹板等為主要的受水壓力面,具體荷載面見圖2。

圖2 閘門受水壓力作用下的荷載面

2 平面鋼閘門靜力特性分析

2.1 應力分析

該水庫放水涵洞進口潛孔式平面鋼閘門左右對稱,為簡化分析,僅在其左半部分取樣進行應力分析。

2.1.1 面板

根據(jù)鋼閘門面板樣點及區(qū)域位置設置（圖3）,水壓力直接由該鋼閘門面板承受,在前止水和后止水兩種布置形式下,面板樣點應力折算值比較圖具體見圖4。根據(jù)應力計算結果,后止水布置方式下平面鋼閘門面板折算應力最大值出現(xiàn)在2#小橫梁腹板、3#縱梁腹板、面板交點處,取值為89.9 MPa；前止水布置方式下鋼閘門面板折算應力最大值出現(xiàn)在2#小橫梁、2#縱梁內腹板、面板交界處,取值104.8 MPa。面板樣點應力折算值相差不大,其中7 號樣點上應力折算值差值最大,為3.69 MPa,其余樣點應力折算值差均在1.77 MPa 以下,充分說明,前止水和后止水兩種布置方式下,邊梁間面板區(qū)域應力所受影響較小。但邊梁處（即圖3 中樣點1～4）所分布的面板應力相差較大。前止水形式下,區(qū)域1～4 并不直接承受水壓力,區(qū)域1～3 為邊梁內腹板和面板連接且小橫梁與邊梁內腹板相交的區(qū)域,故面板應力較為集中,所得到的最大折算應力為104.8 MPa；區(qū)域2 因小橫梁貫穿邊梁腹板,該區(qū)域不存在應力集中。后止水方式下,在z 向的面板兩端均承受一定的水壓力,與前止水方式下應力集中區(qū)域相對的地方并不存在應力集中,區(qū)域1～4 應力最大值僅為68.7 MPa?？傊?在后止水布置方式下,面板應力分布較前止水方式均勻。

圖3 鋼閘門面板樣點及區(qū)域位置設置

圖4 面板樣點應力折算值比較圖

2.1.2 主橫梁

根據(jù)1#主橫梁樣點及區(qū)域位置設置（圖5）,后止水布置形式下水壓力直接由1#主橫梁承受,2～4#主橫梁不承力；前止水布置方式下,全部主橫梁均布直接承受水壓力。根據(jù)主橫梁腹板樣點應力折算值比較（圖6）結果,前后止水布置方式下1#主橫梁腹板折算應力最大值分別為75.5 MPa 和189.1 MPa；1#主梁5 個樣點折算應力值相差較大,最大差值達到104.7 MPa。兩種止水布置方式下,從1#主橫梁樣點4到樣點5 的應力值均存在大幅度下降趨勢,造成這種現(xiàn)象的主要原因在于樣點5 與吊耳臨近,吊耳處設置有加強板,導致樣點5 和樣點4 處應力值均偏小。后止水布置方式下,主橫梁腹板折算應力值比前止水方式大。

圖5 1#主梁取樣點位置設置

圖6 1#主橫梁腹板樣點應力折算值比較圖

2.1.3 縱梁

該水庫放水涵洞進口潛孔式平面鋼閘門縱梁并不直接承受水壓力,模型中1#與3#縱梁對稱,故僅分析3#縱梁受力情況?？v梁取樣點位置設置見圖7,縱梁樣點應力折算值比較圖見圖8。根據(jù)分析結果,后止水布置方式下,該水工平面鋼閘門縱梁腹板軸向應力最大值31.2 MPa,出現(xiàn)在1#、3#縱梁腹板和6#小橫梁貫穿開孔區(qū)域。前止水布置方式下,縱梁腹板軸線應力最大值31.85 MPa,出現(xiàn)在1#、3#縱梁腹板和4#主橫梁上方。后止水布置方式下,2#和3#縱梁腹板樣點1 應力值比前止水方式下分別大出2.10 MPa 和7.74 MPa；2#和3#縱梁腹板其余樣點應力值差異較小,差值在0.32 MPa～0.09 MPa范圍內。

圖7 縱梁取樣點位置設置

圖8 縱梁樣點應力折算值比較圖

兩種止水布置方式下,縱梁腹板正應力差別較大的區(qū)域主要在臨近1#主橫梁的區(qū)域,靠近1#主橫梁區(qū)域的縱梁腹板正應力在后止水布置方式下較大,主要原因在于后止水方式下1#主橫梁為直接承受水壓力的構件,其會將部分壓力傳遞至縱梁,增大該區(qū)域應力值。

2.1.4 邊梁

與前止水方式所不同,后止水方式下平面鋼閘門邊梁腹板直接承受水壓力,1#和2#邊梁對稱分布,故僅進行2#邊梁應力情況分析,其區(qū)域位置設置情況見圖9。根據(jù)分析結果,兩種止水方式下內腹板應力分布差異較大的區(qū)域主要為區(qū)域1、3、4。后止水布置方式下,水壓力直接由區(qū)域1、3、4 承受,其應力值超出區(qū)域2,最大應力達到125.8 MPa,由于邊梁腹板和輪軸交接處設置有加強板,故區(qū)域1、3 中心處存在應力較小區(qū)域。前止水布置方式下因定輪的存在,邊梁腹板和輪軸交接處的區(qū)域1、3 存在應力較大區(qū)域和應力集中現(xiàn)象,最大應力值129.5 MPa。區(qū)域4 在后止水布置方式下直接承受水壓力,故應力較大。

圖9 邊梁區(qū)域位置設置情況

不同止水方式下外腹板應力差異較大的區(qū)域在區(qū)域6,后止水下該區(qū)域直接承受水壓力,應力較為集中,最大應力值為107.4 MPa；前止水下該區(qū)域不承受水壓力,最大應力僅為12.7 MPa。采用后止水形式時邊梁腹板區(qū)域1、3、4、6 直接承受水壓力,應力值較大,前止水形式下僅區(qū)域1、3 存在小范圍應力集中現(xiàn)象。

2.2 位移分析

根據(jù)有限元分析結果,設置后止水的情況下該水工平面鋼閘門主橫梁撓度形變量最大為2.58 mm,主要出現(xiàn)在3#縱梁和2#邊梁內腹板之間的主橫梁腹板區(qū)域。而前止水方式下,閘門主橫梁撓度形變量最大值為3.21 mm,主要出現(xiàn)在主橫梁跨中部位。設置前止水的情況下,1#～4#主橫梁撓度形變量呈增大趨勢；后止水下,1#主橫梁撓度形變量最大,且大于前止水形式下的1#主橫梁撓度形變量最大值,究其原因在于1#主橫梁在該止水方式下直接承受水壓力。設置后止水的情況下,2#～4#主橫梁撓度形變量也呈增大趨勢,但撓度形變量最大值均比前止水形式下要小。總之,該水庫放水涵洞進口潛孔式平面鋼閘門設置后止水的情況下,主橫梁撓度形變情況優(yōu)于前止水。

3 結論

綜上所述,三屯河水庫放水涵洞進口潛孔式平面鋼閘門采取兩種止水布置方式下各構件應力均符合規(guī)范要求,但局部區(qū)域存在應力過大和集中現(xiàn)象,必須針對此類區(qū)域采取補強加固措施。采取后止水方式下,鋼閘門面板及2#～4#主橫梁應力分布情況比前止水均勻,且最大應力也比前止水方式??；前止水方式下邊梁和1#主橫梁應力分布情況優(yōu)于后止水；后止水布置下2#～4#主橫梁撓度形變量比前止水小。綜合以上分析結果可知,S 水庫放水涵洞進口潛孔式平面鋼閘門應采取后止水布置方式,以使鋼閘門具備較好的應力承受能力和抗變形能力。