弧形鋼閘門主梁翼緣寬厚比設(shè)計(jì)對(duì)靜力與流場(chǎng)穩(wěn)定性影響研究

李蘊(yùn)升，莊偉棟

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225000)

1 概述

泵閘工程中包括有多種水工設(shè)施[1-2]，各水工設(shè)施既有獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，亦有協(xié)同工作，每一個(gè)水利結(jié)構(gòu)“抱病”運(yùn)營(yíng)，對(duì)整個(gè)樞紐工程的運(yùn)營(yíng)效率均是損害。研究水利結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不能僅僅研究水工建筑獨(dú)立體系中安全穩(wěn)定性，同樣需要分析水工設(shè)計(jì)對(duì)整體樞紐運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的影響[3-4]，綜合評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利弊性。物理模型試驗(yàn)?zāi)耸且环N解決實(shí)際工程設(shè)計(jì)的室內(nèi)研究方法，秦海杰[5]、謝先坤[6]、王蓓[7]基于原型工程設(shè)計(jì)下模型試驗(yàn)結(jié)果，分析不同方案中閘門、消能池等水利結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣性，從而為工程建設(shè)提供參照。針對(duì)于閘門這種水利結(jié)構(gòu)，也可以采用三維流場(chǎng)計(jì)算方法[8-10]，評(píng)價(jià)閘門在運(yùn)營(yíng)工況中其流速、時(shí)均壓強(qiáng)等水力特征，分析不同流量、不同開度下閘門運(yùn)營(yíng)安全可靠性，極大豐富了閘門設(shè)計(jì)研究成果。與之相對(duì)應(yīng)，李炳陽等[11]、龐敏敏[12]采用了ANSYS、Abaqus等計(jì)算仿真方法，分析了閘門或水閘等水工建筑有限元模型的應(yīng)力、位移特征，為結(jié)構(gòu)體系靜力荷載下安全運(yùn)營(yíng)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。本文基于淮安二站泵閘樞紐工程改造下弧形鋼閘門設(shè)計(jì)優(yōu)化，采用COMSOL與Flow 3D聯(lián)合計(jì)算方法，綜合分析了閘門設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移及流場(chǎng)特征影響，為工程最優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 閘門設(shè)計(jì)仿真

2.1 工程概況

淮安二站是南水北調(diào)中線工程淮安水利樞紐的重要組成部分，承擔(dān)著運(yùn)河、淮河干流及各大中小型支流的水利調(diào)度、防洪排澇及灌溉等水利功能，在農(nóng)業(yè)灌溉保證率為95%的情況下年可提供輸水量達(dá)300 m3/s，同時(shí)控制下游白馬湖、洪澤湖等調(diào)節(jié)水庫水位，各梯級(jí)水庫水位從30 m至10 m過渡，減少上游輸水引起的水力勢(shì)能過大，如洪澤湖蓄水期湖底水位穩(wěn)定在10 m左右，蓄水位為3 m?；窗捕咀鳛榧谜尽⑤斔O(shè)施、控水設(shè)施等綜合水利功能為一體的樞紐工程，其控制流域面積超過300 km2，裝機(jī)規(guī)模達(dá)240 m3/s，設(shè)計(jì)流量為150 m3/s。根據(jù)對(duì)淮安二站工程調(diào)查得知，該泵閘綜合樞紐在輸水期前池水位控制在5.2～5.35 m，最大限位為6.5 m，站上設(shè)計(jì)水位為9.13 m，最高水位為9.58 m，而站下設(shè)計(jì)水位與最高水位分別為5.23 m、6.5 m，作為輸供水樞紐的一部分，二站供水期調(diào)水流量為120 m3/s。泵站所在主廠房尺寸為26.6 m×22.7 m×38.9 m，采用豎井式進(jìn)水通道設(shè)計(jì)，其貫流泵裝置三維體態(tài)如圖1所示；泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為4.8 m，最大、最小揚(yáng)程分別為4.2 m、2 m；控制樞紐采用框架結(jié)構(gòu)，安裝有2臺(tái)進(jìn)水泵機(jī)，葉輪直徑為4.5 m，分別在進(jìn)水與出水段布設(shè)有節(jié)制閘，設(shè)計(jì)最大流量分別為150 m3/s、80 m3/s。根據(jù)淮安二站不同供水期，在考慮泵站水位的前提下，可選擇采用快速門閘與小拍門閘的啟動(dòng)方式泵站兩種典型啟動(dòng)方案三維建模如圖2所示。

圖1 貫流泵裝置三維體態(tài)示意

圖2 泵站啟動(dòng)方案三維建模示意

由于淮安二站泵閘工程投入運(yùn)營(yíng)使用超過20 a，部分水利設(shè)施運(yùn)營(yíng)效率降低，如快速門閘啟動(dòng)方式下，前池常出現(xiàn)水位涌動(dòng)、紊流等現(xiàn)象，進(jìn)水、出水渠段處翼墻也出現(xiàn)較多裂縫，特別的，在進(jìn)水、出水渠段閘門出現(xiàn)控水失敗等節(jié)制失效現(xiàn)象。工程管理部門認(rèn)為，當(dāng)上游來水流量過大時(shí)，極易出現(xiàn)泵閘的非穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)泵機(jī)廠房進(jìn)水、潰閘等問題。從工程安全角度考慮，水利部門考慮先重點(diǎn)針對(duì)泵站的節(jié)制閘開展改造升級(jí)，現(xiàn)有閘門為平面鋼閘門，觸水面積較小，因而考慮設(shè)置有弧形鋼閘門(如圖3所示)，該閘門采用型鋼結(jié)構(gòu)，四壓桿支撐體系，背水側(cè)配備有橫、縱等主次鋼梁。由于工程設(shè)計(jì)考量，泵站在輸水運(yùn)營(yíng)期較大流量下，閘門的可靠性是設(shè)計(jì)安全的重點(diǎn)，故而本文重點(diǎn)針對(duì)改造升級(jí)后節(jié)制閘門開展運(yùn)營(yíng)安全分析。

圖3 弧形鋼閘門示意

2.2 仿真建模

為研究淮安二站泵閘工程改造后的弧形鋼閘門運(yùn)營(yíng)安全，采用COMSOL仿真平臺(tái)對(duì)該弧形鋼閘門進(jìn)行建模[13-14]，簡(jiǎn)化泵站進(jìn)、出水口處其他結(jié)構(gòu)形式，所建立的閘門模型如圖4所示。該閘門模型包括有底部壓桿支撐體系，也涵蓋迎水面板，共有3根主梁與5根次縱梁，均為型鋼結(jié)構(gòu)體形。全模型經(jīng)計(jì)算網(wǎng)格劃分，獲得了2 082 62個(gè)單元，186 248個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)；模型X、Y、Z正向分別用泵站進(jìn)水口水流方向、結(jié)構(gòu)豎直上方向及泵站右翼墻方向；模型中所有微單元均采用殼單元與非線性接觸壁面。

圖4 閘門模型示意

作為閘門重要支撐結(jié)構(gòu)，橫、縱梁的設(shè)計(jì)狀態(tài)決定了閘門運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性，為此，本文以其中橫梁結(jié)構(gòu)代表為研究對(duì)象，圖5a為該橫梁結(jié)構(gòu)型鋼截面，位于閘門最底部。該橫梁結(jié)構(gòu)作為型鋼材料，其腹板高厚比為45，而腹板間距為45 cm，截面翼緣厚度為30 cm，翼緣寬厚比決定了型鋼截面寬度尺寸與翼緣厚度間關(guān)系，前期參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)不適配，故本文重點(diǎn)針對(duì)該翼緣寬厚比參數(shù)開展計(jì)算分析。

a 截面體型

為研究該翼緣寬厚比參數(shù)設(shè)計(jì)合理性與適配性，基于淮安二站泵閘工程實(shí)際，該參數(shù)最大限定在20以內(nèi)，在對(duì)比方案中以每梯次3的遞增順序，設(shè)定有0～20共7個(gè)方案，每個(gè)方案中僅改變翼緣寬度，其厚度參數(shù)作為統(tǒng)一值固定，截面體型其他參數(shù)不變。本模型在考慮結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全時(shí)，以靜力穩(wěn)定性為分析對(duì)象，而弧形鋼閘門支撐體系參數(shù)的改變，對(duì)泵站運(yùn)營(yíng)狀態(tài)也有影響，本文采用Flow 3D對(duì)其NX網(wǎng)格模型進(jìn)行三維流場(chǎng)計(jì)算[15]，探討不同設(shè)計(jì)方案下流場(chǎng)影響特征。模型計(jì)算工況設(shè)定泵站進(jìn)水口流量為20 m3/s，靜力穩(wěn)定性時(shí)考慮閘門全閉狀態(tài)，而三維流場(chǎng)計(jì)算時(shí)設(shè)定閘門為半開式狀態(tài)。結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)選取按照3根橫梁與縱梁的交點(diǎn)，這也是閘門面板上極易出現(xiàn)失穩(wěn)的區(qū)域(如圖6所示)。

圖6 橫、縱梁的交點(diǎn)示意

3 閘門靜力穩(wěn)定性特征

3.1 應(yīng)力特征

基于弧形鋼閘門靜力特征計(jì)算，獲得閘門支撐鋼梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處拉應(yīng)力影響變化(如圖7所示)。

圖7 各交點(diǎn)最大拉應(yīng)力影響變化特征示意

從各翼緣寬厚比方案計(jì)算可知，3個(gè)節(jié)點(diǎn)中張拉應(yīng)力最大位于底部橫、縱梁交點(diǎn)，7個(gè)方案中分布為1.56～4.3 MPa，而在頂部、中部?jī)山稽c(diǎn)處張拉應(yīng)力較前者分別減少了14.9%～33.3%、32.5%～54.8%。分析認(rèn)為，底部橫、縱梁交錯(cuò)區(qū)域存在較顯著的靜水壓力，且在弧門全閉狀態(tài)下呈流固耦合物理場(chǎng)，具有疊加荷載效應(yīng)，因而該區(qū)域存在較大張拉應(yīng)力。當(dāng)翼緣寬厚比參數(shù)增大，3個(gè)節(jié)點(diǎn)的張拉應(yīng)力均為遞減變化，表明控制翼緣寬厚比，本質(zhì)上為增大翼緣寬度，有助于減弱型鋼結(jié)構(gòu)受拉特性；實(shí)質(zhì)上從受荷面積考慮，翼緣寬度的遞增，截面體型增大，有助于削弱拉應(yīng)力產(chǎn)生。在翼緣寬厚比參數(shù)為1的方案中，頂部橫、縱梁交點(diǎn)處拉應(yīng)力為2.9 MPa，隨寬厚比參數(shù)每增大3，則其拉應(yīng)力平均減少了20.1%，特別是在寬厚比參數(shù)1～13梯次內(nèi)，拉應(yīng)力的平均損耗達(dá)27.8%，當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)為16、19時(shí)，拉應(yīng)力降幅最大為5.7%。與此類似，中部、底部橫縱梁交點(diǎn)處拉應(yīng)力變化一致，分別平均減少18.3%、15%，但設(shè)計(jì)參數(shù)1～13梯次內(nèi)最大變幅分別分別達(dá)29.5%、25.8%，平均降幅為25.4%、21.4%。由此可知，雖持續(xù)增大翼緣寬厚比參數(shù)，有助于提升支撐結(jié)構(gòu)受荷面，但同時(shí)也會(huì)增大型鋼截面體型的跨度比，不利于結(jié)構(gòu)抗彎剪特性[16]，因而控制翼緣寬厚比參數(shù)在合理區(qū)間即可；從本文計(jì)算結(jié)果看出，在翼緣寬厚比參數(shù)為1～13區(qū)間較為有效。

雖型鋼結(jié)構(gòu)抗壓能力較強(qiáng)，但關(guān)注結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力，有助于全面了解結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)荷載下應(yīng)力安全性，圖8為7個(gè)翼緣寬厚比參數(shù)方案下3個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的最大壓應(yīng)力變化特征。

分析圖8中壓應(yīng)力變化可知，壓應(yīng)力最大區(qū)域同樣位于底部橫、縱梁交點(diǎn)處，該區(qū)域受結(jié)構(gòu)自重影響，分布有較大壓應(yīng)力，7個(gè)方案中最大壓應(yīng)力分布為8.5～14.1 MPa。當(dāng)翼緣寬厚比參數(shù)增大時(shí)，3個(gè)交點(diǎn)處壓應(yīng)力均呈增大變化，此與翼緣寬厚比增大，會(huì)影響結(jié)構(gòu)自重。在翼緣寬厚比參數(shù)為1方案內(nèi)，頂、中、底3個(gè)橫、縱梁交點(diǎn)處的最大壓應(yīng)力分別為6.2 MPa、7.3 MPa、8.5 MPa，而在寬厚比參數(shù)每增大3的梯次內(nèi)，則最大壓應(yīng)力分別平均增長(zhǎng)了9.8%、8.7%、9%；特別的，與拉應(yīng)力影響變化有所類似，均在寬厚比13方案后，出現(xiàn)最大壓應(yīng)力的陡增期，3個(gè)交點(diǎn)在寬厚比13～19方案內(nèi)，增幅均較大，平均增幅分別達(dá)24.6%、19.8%、16.7%，而寬厚比低于13的梯次內(nèi)，壓應(yīng)力的平均增幅分別僅為2.4%、3.2%、5.2%。分析表明，當(dāng)翼緣寬厚比參數(shù)過大時(shí)，受荷面過于集中，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)承載自重超過體系允許范疇，因而最大壓應(yīng)力呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化考慮，拉應(yīng)力在寬厚比1～13梯次內(nèi)處于較安全狀態(tài)，而壓應(yīng)力在該區(qū)間內(nèi)同樣具有較好表現(xiàn)，而從設(shè)計(jì)“性價(jià)比”評(píng)價(jià)，翼緣寬厚比參數(shù)為13時(shí)最為有利。

圖8 各交點(diǎn)最大壓應(yīng)力影響變化特征示意

3.2 位移特征

位移特征是結(jié)構(gòu)體系中靜力特征重要反映，圖9為基于不同寬厚比參數(shù)計(jì)算獲得的橫、縱梁結(jié)構(gòu)三向位移變化特征。

觀察圖9中位移表現(xiàn)可知，Y向位移為結(jié)構(gòu)體系中最大位移值，在各方案中分布為3.8～10.1 mm，而X、Z向位移較前者分別減少了37.3%～51.9%、15.1%～32.9%，此也與結(jié)構(gòu)體系與自重應(yīng)力占較大比重有關(guān)。當(dāng)翼緣寬厚比參數(shù)增大，三向位移均呈先減后增變化，位移最低值位于寬厚比13方案，X～Z向位移分別為1.85 mm、3.8 mm、2.57 mm，而在寬厚比低于13梯次內(nèi)，各向位移均為遞減變化，如X向位移在寬厚比7、13方案內(nèi)時(shí)相比寬厚比4方案內(nèi)分別減少了26.1%、52.7%，在寬厚比1～13區(qū)間內(nèi)平均降低了25.1%，而Y、Z向位移同樣分別降低了21.6%、25.7%。而在寬厚比超過13后，三向位移均為遞增，分別具有平均增幅68.5%、49.2%、62.5%。筆者認(rèn)為，當(dāng)寬厚比低于13時(shí)，型鋼結(jié)構(gòu)截面體型位移的產(chǎn)生根源為拉應(yīng)力，而在寬厚比超過13后，拉應(yīng)力處于較弱，而壓應(yīng)力出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，較大的壓應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)位移產(chǎn)生了促進(jìn)效果。在應(yīng)力適配寬厚比參數(shù)方案時(shí)，寬厚比13為較優(yōu)方案，同樣該方案下位移值也處于最合理。

圖9 各向位移值影響變化特征示意

4 泵站前池流場(chǎng)特征

閘門作為控流、擋水設(shè)施，當(dāng)改變支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)泵站前池流場(chǎng)會(huì)有所影響，本文以前池沿程斷面上的流速參數(shù)為流場(chǎng)分析對(duì)象(如圖10所示)。

圖10 前池流速影響變化特征示意

依據(jù)流速變化可知，翼緣寬厚比與流速水平量值關(guān)聯(lián)性較小，整體上具有正相關(guān)關(guān)系，如在翼緣寬厚比1方案內(nèi)沿程斷面平均流速為0.23 m/s，而寬厚比7、13、19方案內(nèi)的平均流速較前者分別提高了28.8%、60.3%、92.8%；整體上流速水平受翼緣寬厚比影響較小，每梯次寬厚比增大3，則引起沿程斷面平均流速增長(zhǎng)11.6%。翼緣寬厚比的改變，對(duì)流速的影響最大為其穩(wěn)定性，在翼緣寬厚比超過16、19方案內(nèi)，流速波動(dòng)性顯著，特別是在上游進(jìn)水口處，受翼緣寬厚比對(duì)閘門支撐結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致進(jìn)水口流態(tài)差異[17]，進(jìn)而影響該區(qū)段內(nèi)流速呈波動(dòng)性變化，兩方案分別具有最大變幅16.4%、17.2%，同時(shí)兩方案在接近池尾處也具有一定波幅，整體上此兩翼緣設(shè)計(jì)方案流場(chǎng)穩(wěn)定性欠佳，不利于泵站輸供水。當(dāng)翼緣寬厚比為1～13時(shí)，流速波幅較小，各斷面間具有的最大波幅不超過3.7%，乃是寬厚比為4方案；特別在寬厚比10、13方案內(nèi)，流速穩(wěn)定性較佳，平均流速分別為0.33m/s、0.37m/s，最大波幅未超過1%。從靜力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)遴選來看，翼緣寬厚比為13的方案池內(nèi)流場(chǎng)綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)最顯著，選擇該方案最為合理。

5 結(jié)語

1) 底部橫、縱梁交點(diǎn)處拉應(yīng)力為弧門上最大；翼緣寬厚比參數(shù)與3交點(diǎn)拉應(yīng)力為負(fù)相關(guān)關(guān)系，與壓應(yīng)力為正相關(guān)關(guān)系，但在寬厚比13方案后，不僅拉應(yīng)力的降幅減少，且壓應(yīng)力出現(xiàn)陡增階段，頂部、中部、底部在寬厚比超過13的方案內(nèi)壓應(yīng)力的平均增幅達(dá)24.6%、19.8%、16.7%。

2)Y向位移在結(jié)構(gòu)體系中具有決定性作用；三向位移值隨寬厚比參數(shù)為先減后增變化，在寬厚比13方案處為位移值最低，X～Z向分別為1.85 mm、3.8 mm、2.57 mm，寬厚比參數(shù)超過13后，三向位移值均有較顯著增幅。

3) 翼緣寬厚比對(duì)流速水平量值影響幅度較小，寬厚比每梯次遞增3，則斷面平均流速增長(zhǎng)11.6%；寬厚比參數(shù)的改變，對(duì)流速穩(wěn)定性具有顯著性改變，在寬厚比超過13的兩方案內(nèi)，分別具有最大變幅16.4%、17.2%；控制寬厚比參數(shù)在合理區(qū)間內(nèi)可避免流態(tài)失穩(wěn)。

4) 綜合仿真計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為結(jié)構(gòu)截面翼緣寬厚比參數(shù)為13最為適配。