大跨度液壓下翻轉式臥倒門三維結構分析

田永軍

(河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州 450016)

1 概述

某引黃調蓄工程控制閘為開敞式寬頂堰結構，采用3孔臥倒式平板鋼閘門，單孔凈寬度為28 m，門頂高度為5.2 m，屬于大跨度鋼閘門，控制閘橫斷面圖見圖1。閘門門軸設于底板寬頂堰上游面上，采用液壓啟閉機控制，在防洪或景觀需要擋水時，閘門全關，與水平面成70°角向內河傾斜，閘門可滿足雙向擋水的要求，閘門動水啟閉。閘門也可局部開啟形成瀑布景觀，通航狀態閘門平臥于底板上，需擋水時閘門提起。

考慮到該閘門跨度比較大，并且在傾斜狀態下擋水并局部開啟過水，受力比較復雜，特別是作用于上下主梁水壓力的分配計算是設計中的一個難點，而且空間彎矩較大采用傳統的平面計算難以對支臂的受力狀態有比較準確的認識，因此該大跨度鋼閘門屬于空間問題，有必要采用三維有限元對其進行空間結構復核。

圖1 控制閘橫斷面圖

2 實例計算分析

2.1 計算工況

依據相關規范規定要求，對各種設計工況進行了平面體系的結構計算，并根據實際情況對以下3種比較復雜的控制工況進行了三維有限元計算復核。

1)正常運用1:內河水位85.50 m，外河無水，閘門關閉;2)正常運用2:內河水位85.50 m，外河無水，閘門局部開啟20°;3)非正常運用1:內河水位0 m，閘門關閉，外河水位87.53 m。

2.2 計算實體

“下翻轉式臥倒門”是一個空間結構，門葉由面板、三根水平小梁和兩根主橫梁組成，由于該閘門跨度較大，主橫梁采用箱梁結構以增強主梁剛度，減小變形。閘門兩支鉸采用固定式，軸承采用自潤滑關節軸承，作為閘門的軸向基準點，可承受一定的軸向力，支鉸通過錨栓固定在閘底板上，直支臂與閘門面板采用螺栓連接，支臂吊頭與液壓啟閉機活塞桿連接。

2.3 計算模型及參數選取

根據閘門的結構特點，依據設計圖紙建立閘門幾何模型，鋼閘門面板、主次梁及支臂均采用具有計算精度高、模擬實體方便靈活的特點的Solid 45三維實體單元[1]，單元劃分采用四面體和六面體單元，單元數量共720 113個，節點數量共210 497個。實體模型見圖2。

圖2 鋼閘門三維計算實體模型

1)計算參數。閘門及支臂結構均采用16Mn鋼材，鋼材彈性模量 E=2.06 ×105MPa，泊松比 μ =0.3，密度 ρ=7 850 kg/m3。

2)計算荷載。計算荷載主要為:自重，上下游水荷載。

3)邊界條件。坐標系定義為:X軸方向為水流方向，Y軸為垂直方向，Z軸為主橫梁軸，零點位于門底。根據閘門結構的邊界約束情況，無論是閘門擋水還是開啟，均在底部支鉸處受到鉸的約束，同時受到閘門在不同開啟角度時支臂的約束，支臂與閘門之間錨栓連接需耦合各方向的自由度，支臂末端吊頭處施加全部約束。有限元計算模型的邊界處理為:底部支鉸及支臂吊頭施加X，Y，Z三個方向約束。

2.4 計算結果分析

根據前文確定的邊界條件，綜合考慮各種計算荷載，借助于有限元分析軟件對各種設計工況分別進行了計算，計算結果見表1。

表1 各工況拉應力及變形計算結果匯總

經計算得知，工況1和工況2擋水方向相同應力和位移等值線分布具有相似性，但由于工況2為閘門局部開啟閘頂過水工況，工況2應力和變形量最大，為控制工況。工況3為擋內河水位工況，與工況1和工況2擋水方向相反，由于閘門傾斜于擋水側，閘門自重可抵消部分水壓力，雖然擋水高度較大，但變形量較小。這里僅給出了設計工況2和工況3應力及變形分布云圖見圖3～圖6。

圖3 工況2閘門變形云圖

圖4 工況2閘門應力云圖

圖5 工況3閘門變形云圖

圖6 工況3閘門應力云圖

3 結論及展望

對以上各種工況綜合分析后可知:1)通過對該大跨度鋼閘門三維有限元結構分析表明整體結構應力及變形符合閘門受力的一般規律;2)除了支臂和面板螺栓連接處局部出現應力集中外，整體應力均小于允許應力，對支臂和面板螺栓連接處應適當加強;3)考慮到該閘門跨度較大，彎矩對支臂的作用明顯，因此對支臂進行了加強處理，加強處理后支臂的應力及變形較小;4)臥倒門結構計算時，特別是傾斜一定角度時，自重應充分予以考慮，當閘門傾向于擋水側時，自重能平衡部分水壓力，反之，閘門自重將成為不利荷載;5)三維結構計算中，水位對閘門的受力有一定的影響;擋水方向對閘門的受力影響較大。本例大跨度下翻轉式臥倒門采用了箱形主梁，空間結構受力較復雜，希望通過本次實例計算對其他類似鋼閘門有一定的借鑒意義，為完善閘門的設計提供了依據。

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