船閘疊梁門加高阻水設(shè)計(jì)分析

作者簡介：

冀溫源（1991—），碩士，工程師，主要從事船閘運(yùn)營中機(jī)械設(shè)備管理、改進(jìn)與檢修工作。

由于船閘檢修期間上游水位超過疊梁門原有設(shè)計(jì)檢修水位，需對疊梁門采取加高阻水措施。文章依據(jù)平面力學(xué)推導(dǎo)計(jì)算得到疊梁門的極限承載水頭，采用有限單元法對疊梁門在極限荷載工況下的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，對頂部疊梁門加高阻水擋板進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明，改造后的疊梁門具有較好的使用效果和安全可靠性。該分析方法和設(shè)計(jì)流程提高了技術(shù)改造的工作效率和設(shè)計(jì)方案的可靠性，為船閘等水工金屬結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)提供參考。

疊梁門；加高阻水；有限元

U641.2 A 57 180 4

0 引言

桂平二線船閘為3 000噸級船閘，自2011年建成通航運(yùn)行至今已超過10年，根據(jù)相關(guān)管理辦法和維護(hù)技術(shù)規(guī)范［1-2］，于2022年一季度對其進(jìn)行全面的抽干閘室水停航大修。該船閘上下閘首各設(shè)置有一扇檢修疊梁門用于上下閘首擋水。由于2022年2月廣西雨水充沛，特別是西江上游流域降水較多，桂平船閘上游水位高出往年同期，這導(dǎo)致船閘上游水位超過疊梁門檢修水位。為了按期開展大修工作，保障施工安全，需對船閘上游檢修門采取臨時(shí)加高阻水措施。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范［3-4］，水工鋼閘門設(shè)計(jì)時(shí)均有一定安全裕度，劉曉光對船閘檢修閘門的適用性進(jìn)行了分析，這為檢修門加高阻水設(shè)計(jì)提供可能性。

本文采用理論推導(dǎo)和大型通用有限元軟件對疊梁門結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析，充分發(fā)掘和利用其承載能力，在符合設(shè)計(jì)規(guī)范的安全前提下，對其進(jìn)行加高阻水設(shè)計(jì)。

1 工程概況

船閘上閘首檢修門為露頂式平面滑動鋼閘門。如圖1所示，閘門孔口尺寸為34.0 m×8.0 m，底檻高程為23.0 m，門槽頂部高程為44.0 m；閘門止水寬度為34.86 m，支承跨度為35.4 m；門葉分4節(jié)制造，其中第Ⅰ、Ⅱ節(jié)門規(guī)格相同，高度為2 m，第Ⅲ、Ⅳ節(jié)門規(guī)格相同，高度為2 m，單節(jié)啟閉；閘門設(shè)計(jì)最高擋水位為30.5 m（上游檢修水位），閘門設(shè)計(jì)水頭為7.5 m，預(yù)留0.5 m超高。

2 疊梁門承載能力理論分析

加高檢修門阻水，即在頂部一節(jié)（第Ⅳ節(jié)）疊梁門焊接阻水板，這勢必會增加檢修門整體的受載，特別是對最底部一節(jié)（第Ⅰ節(jié)）疊梁門造成一定影響。第Ⅳ節(jié)疊梁門的可增加高度取決于第Ⅰ節(jié)疊梁門的承載能力，因此對第Ⅰ節(jié)疊梁門在極限工況下的承載能力進(jìn)行計(jì)算分析。

單節(jié)疊梁門為實(shí)腹式雙主梁結(jié)構(gòu)，沿閘室橫向方向作用在主梁上的作用荷載近似均布荷載。沿深度方向第Ⅰ節(jié)疊梁門承載依深度線性呈直角梯形分布的水壓荷載，如圖2所示。

水工鋼閘門通常采用等荷載原則進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，每根主梁上的均布荷載集度q為：

q=Pn=ρg（h1+h2）2×h2（1）

式中：P——該節(jié)疊梁門單位跨度上的總水壓（Pa）；

n——主梁數(shù)目；

h1、h2和h——第Ⅰ節(jié)疊梁門頂部和底部水深，以及高度（mm）；

ρ——水的密度（kg/mm3）；

g——重力加速度（mm/s2）。

根據(jù)《船閘閘閥門設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ308-2003）［3］規(guī)定，疊梁門跨中主梁彎矩內(nèi)力為：

M=qLq4L-Lq2（2）

式中：Lq——荷載跨度（mm）；

L——支承跨度（mm）。

疊梁門在水壓及上部疊梁門重力載荷下將發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切和拉壓的組合變形，但其他應(yīng)力相對于主梁彎曲應(yīng)力比較小，因此強(qiáng)度計(jì)算主要分析主梁彎曲應(yīng)力：

σ=MW≤σ（3）

式中：W——主梁的截面抵抗矩（mm3）。

經(jīng)計(jì)算圖2的截面參數(shù)可知，Wmin=73 603 457 mm3。查表得該厚度鋼材的主梁翼緣抗彎容許應(yīng)力［σ］為190 MPa，考慮閘門自重引起的附加應(yīng)力影響，取容許應(yīng)力為0.9［σ］，其值為171 MPa。

將式（1）和式（2）代入式（3）得：

h2≤8·σ·WminρghLqL-Lq2+h2（4）

=8×171×73 603 4571×10-9×9 800×2 000×35 400-34 8602+2 0002=9.2 m

由強(qiáng)度條件分析可得，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求下該疊梁門最大承載水頭為9.2 m，即疊梁門最高可增加1.2 m阻水。

3 疊梁門承載能力有限單元法校核

根據(jù)上文的理論推導(dǎo)，結(jié)合安全性要求和實(shí)際加工制造條件，對第Ⅳ節(jié)疊梁門增加1 m阻水設(shè)計(jì)，即整體結(jié)構(gòu)按9 m水頭進(jìn)行校核。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，需對增加阻水后的疊梁門進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核驗(yàn)算。由于增加阻水后相對原來7.5 m的設(shè)計(jì)水頭，該疊梁門將處于超載工作狀態(tài)，為了更全面、準(zhǔn)確地分析疊梁門的受力情況，采用有限單元法對疊梁門進(jìn)行計(jì)算分析。有限單元法具有計(jì)算準(zhǔn)確、分析全面等有優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，本節(jié)采用有限單元法對超設(shè)計(jì)水頭的疊梁門進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 疊梁門有限元模型的建立

船閘檢修疊梁門由面板、翼緣、腹板、隔板組成，為薄壁板殼金屬結(jié)構(gòu)，因此采用板殼單元對疊梁門進(jìn)行離散建模，支承部分滑塊采用實(shí)體單元。疊梁門整體為對稱結(jié)構(gòu)，可采用對稱建模的方式，計(jì)算1/2模型，以提高計(jì)算效率。網(wǎng)格劃分單元尺寸為20 mm。有限元模型如圖3所示，共計(jì)545 661個(gè)節(jié)點(diǎn)、543 990個(gè)板殼單元、2 052個(gè)實(shí)體單元。

疊梁門門葉結(jié)構(gòu)材料為Q345B，彈性模量E=2.06×105 MPa，泊松比μ=0.3，屈服極限為345 MPa，強(qiáng)度極限為509.6 MPa，密度為ρ=7.85×103 kg/m3。

根據(jù)圖3的全局坐標(biāo)系，為門體底部節(jié)點(diǎn)施加z位移約束，模擬底部門槽支撐；主支承墊板部分施加x位移約束，模擬簡支梁邊界條件；中間隔板對稱面施加y位移約束和x軸及z軸的轉(zhuǎn)動約束。

水壓載荷沿深度方向呈梯形線性分布施加在面板上：

p=ρgh（5）

式中：h——加高阻水后的水頭高度，門底部取值為9 000 mm，頂部取值7 000 mm。

該加載方式區(qū)別于平面力學(xué)計(jì)算的等荷載計(jì)算方式，更接近于結(jié)構(gòu)實(shí)際的受載情況。

門體自重通過重力加速度施加在模型上。上三節(jié)疊梁門以及加高的擋水板共計(jì)160 t，取1/2重量通過力的加載形式均布在疊梁門頂部的節(jié)點(diǎn)上。

3.2 疊梁門強(qiáng)度和剛度分析

由圖4疊梁門的應(yīng)力分布云圖可以看出，面板和前后翼緣組成的實(shí)腹主梁為門葉的主要承載結(jié)構(gòu)，且跨中部分應(yīng)力較大，向支承端部遞減。支承部位由于模型的簡化，存在計(jì)算應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于三維有限元模型包

含了縱向聯(lián)結(jié)等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，且加載時(shí)考慮了上三節(jié)疊梁門的重力，因此其應(yīng)力分布更貼近實(shí)際情況，與一維理論推導(dǎo)梁的應(yīng)力分布存在一定差別，例如斜撐與后翼緣焊接部位應(yīng)力會明顯增加。從表1可以看出，有限元分析結(jié)果與傳統(tǒng)的平面力學(xué)計(jì)算結(jié)果非常接近，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均能滿足要求。

通過有限元計(jì)算，得到疊梁門跨中最大撓度為68.5 mm，跨中附近面板中心最大位移為70.2 mm，整體位移分布如圖5所示。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 74-2019）［4］規(guī)定，檢修閘門主梁受彎最大撓度與計(jì)算跨度之比應(yīng)≤1/500。該疊梁門中跨度為35.4 m，容許撓度為35 400/500=70.8 mm，因此疊梁門有足夠的變形抵抗能力，滿足剛度要求。

經(jīng)有限單元法計(jì)算校核，疊梁門承受9 m水頭時(shí)，仍然滿足強(qiáng)度和剛度要求。

4 疊梁門阻水擋板加高設(shè)計(jì)

在對疊梁門加高阻水的可行性進(jìn)行論證后，設(shè)計(jì)了第Ⅳ節(jié)疊梁門加焊阻水擋板結(jié)構(gòu)（如圖6所示）。由于頂部水壓載荷較小，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，閘門的鋼板厚度應(yīng)≥6 mm，加高的擋水面板采用6 mm鋼板。加高擋水板與疊梁門隔板采用梯形支撐板連接原有豎直次梁的位置，擋水板加肋板與原有頂部次梁連接，增加結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并采用有限單元對加高擋水板進(jìn)行強(qiáng)度校核。

由圖7可知，改造后第Ⅳ節(jié)疊梁門加高擋水板受載最大應(yīng)力為86.3 MPa，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及面板厚度選擇滿足強(qiáng)度要求。

5 改造后疊梁門的應(yīng)用

改造后的桂平二線船閘上閘首疊梁門能擋住32 m高程以下的水位。船閘大修期間，桂平二線船閘上游水位變化如圖8所示，該疊梁門的投入使用使得抽干閘室的大修工作正常開展，保障了施工期間的人員和設(shè)備安全。

6 結(jié)語

（1）通過疊梁門主梁受彎工況的理論推導(dǎo)，計(jì)算得到該疊梁的極限荷載水頭為9.2 m，為疊梁門加高阻水改造提供參數(shù)依據(jù)。

（2）運(yùn)用有限單元法對疊梁門在極限承載工況的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，并將結(jié)果與傳統(tǒng)平面力學(xué)計(jì)算結(jié)果和容許值進(jìn)行對比分析。該疊梁門加高1 m阻水后，整體結(jié)構(gòu)仍滿足強(qiáng)度和剛度要求，論證了疊梁門加高阻水方案的可行性。

（3）有限單元法計(jì)算條件和加載方式更貼近實(shí)際工況，計(jì)算結(jié)果能更全面、多角度地反映結(jié)構(gòu)的受力情況，可為船閘等水工金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、校核和安全評估提供可靠的依據(jù)。

（4）通過該分析方法和設(shè)計(jì)流程，改造后的疊梁門具有較好的使用效果和安全可靠性，可為船閘同類金屬結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)提供參考和啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)

［1］JTS320-2-2018，通航建筑物維護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］廣西壯族自治區(qū)人民政府.廣西壯族自治區(qū)船閘管理辦法［EB/OL］. www.gxzf.gov.cn/zfgb/2020nzfgb_20210226/d15q202024/zfl20210508/t9991925.shtml，2021-08-09.

［3］JTJ308-200，船閘閘閥門設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］SL 74-2019，水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

收稿日期：2022-10-20