潛孔弧形閘門靜力有限元分析結果對平面體系計算結果的驗證

郭 忠 武，　羅 成 英，　賀 開 宇

(1.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都　610072；2.四川省水利水電勘測設計研究院，四川 成都　610072)

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潛孔弧形閘門靜力有限元分析結果對平面體系計算結果的驗證

郭 忠 武1，羅 成 英1，賀 開 宇2

(1.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都610072；2.四川省水利水電勘測設計研究院，四川 成都610072)

摘要：目前，對于弧形鋼閘門剛度、強度校核基本上是按照常規的平面體系進行結構計算，其計算結果不能有效反映閘門的空間效應。對于空間效應較強、結構較為復雜的大型水工鋼閘門，宜用空間有限元復核計算結構。介紹了利用ANSYSY軟件對某電站泄洪閘弧形閘門進行的三維有限元分析。從結構剛度和強度兩個方面，對在最大水壓力作用下閘門的安全性進行了分析，得出了一些有益結論并用于指導某電站的閘門設計。對初學三維設計者具有一定的參考意義。

關鍵詞：弧形閘門；有限元；剛度；強度

1概述

某水電站正常蓄水位以下水庫庫容為173.85萬m3，日調節庫容為110.89萬m3，引用流量為161.8 m3/s，裝機容量為3×38 MW，單獨運行多年平均年發電量為4.773億kW·h。最大閘(壩)高27.5 m，泄洪閘段寬23.5 m，順水流向長35 m，設置三孔水頭為22.5 m，孔口尺寸為8 m×10.5 m (寬×高)的潛孔弧形工作閘門，該閘門的主要功能是在正常水位下閉門擋水，汛期開閘泄洪并可局部開啟調節流量。該泄洪閘弧形閘門橫向設置2根主橫梁，14根次橫梁，縱向設置7根縱梁，橫、縱向梁均與弧形面板相焊接。主橫梁采用箱型梁結構，次橫梁由工字鋼或槽鋼構成，兩邊支臂為A形箱型斜支臂。閘門結構采用液壓啟閉機啟閉，操作條件為全水頭動水啟閉。目前對于水工鋼閘門的設計計算規范的方法是將其簡化分解為若干基本部件，再按平面體系對每一部件進行設計計算[1]。然而，閘門結構是由一套復雜的空間薄壁板材結構單元組成，按平面體系計算與實際空間結構畢竟存在差異，而按空間結構分析更接近實際受力工況，故筆者采用三維有限元進行校核。

2閘門有限元建模

2.1有限元分析軟件

隨著計算機技術的發展以及有限元理論的日益完善,出現了許多有限元計算軟件,并在各個領域得到了廣泛的應用。筆者選用了較為著名、使用方便、功能強大的ANSYS軟件進行計算分析。

2.2模型的建立

弧形閘門是一個空間薄壁結構,從其組成看,包括面板、梁格和支臂等部件。有限元建模時采用部分空間薄壁結構模型，該模型未對閘門結構進行過多的簡化，保留了原來問題的復雜性。該模型在建模時，將單元類型分為2種，將構成閘門結構的所有板件,包括面板、主梁、豎直次梁、邊梁及支臂的腹板和翼緣等均采用板單元模擬，而對于水平次梁、底梁及支臂斜撐采用梁單元。筆者分析的板單元采用shell63，梁單元采用beam188，經過ansys有限元網格劃分。該閘門結構有限元網格劃分情況見圖1。

2.3邊界約束條件

閘門關閉擋水時，閘門底緣采取豎直向連桿約束；作用在閘門面板上的水壓力等效為各板單元上的節點載荷處理，利用ANSYS中的SFGRAD命令來模擬水壓力在閘門面板中沿水深方向的梯度[2]；閘門在承受靜水壓力過程中，兩側水封存在摩擦力，一旦穩定下來，可以忽略摩擦力的作用；支鉸有6個自由度，約束除繞Z軸旋轉以外的所有自由度。

2.4計算采用的基本資料

(1)計算參數。

圖1　閘門整體有限元網格模型圖

Q345B鋼材彈性模量取210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

(2)計算荷載。

計算荷載主要為：自重、水壓力。

3計算結果分析

筆者主要關心閘門的剛度及強度，以下從整體到局部逐節進行分析。

3.1閘門的變形分析及剛度校核

分析閘門各節點位移計算結果得知：閘門門體以徑向變形為主，其余兩個方向變形較小。閘門的最大變形出現在門葉中下部，向上和向下逐漸變小。從分析閘門整體變形可以看出，閘門穩定后兩端徑向變形約為4 mm，面板最大變形為10 mm，即閘門中部最大擾度為6 mm。閘門整體變形情況見圖2。

對于單個構件，邊梁的變形相對于中部縱梁變形較小。次橫梁由于受主縱梁的限制，變形亦較小。

閘門面板是整個閘門中變形最大的部件，這是由于面板面積較大，相對而言，其剛度較小。最大變形發生在閘門中部梁格中部，最大變形為5 mm，滿足規范要求。在閘門的實際受力過程中，水壓力是通過面板將水壓力傳遞給主縱梁、次梁，再通過主梁傳遞到支臂，最后由支臂傳到閘墩。支臂是閘門所有構件中最長的構件，通過分析得知，支臂的徑向彈性變形達到4 mm，垂直向變形為2 mm，Z向變形為0.7 mm，支臂整體變形不大，布置合理，不存在安全隱患。

圖2　閘門整體變形圖

3.2閘門的應力分析及強度校核

從閘門整體應力分布云圖上看,最大應力發生在主橫梁和支臂柱頭結合處的主橫梁腹板上,具有局部性(圖3)。因此，設計上可采取措施減小應力集中,以使閘門整體應力分布更趨合理。

圖3　閘門整體應力分布云圖

該閘門共有2根主橫梁，14根次橫梁。次橫梁沿面板均勻分布，承受從閘門面板傳來的水壓力，基本上起過渡作用，防止面板變形過大，將擋水面板傳來的力傳到主橫梁和縱梁。通過比較，橫梁上的最大應力值小于橫梁鋼材要求的許用應力值。

閘門共設7根縱梁，包括2根邊梁，5根主縱梁。兩邊梁相對于主縱梁受力較小，主縱梁與主橫梁連接位置應力較大。通過比較，縱梁所受水壓力不超過相應的許用應力值。

支臂方面，該閘門采用了雙A型支臂，支臂與主橫梁及主縱梁焊接在一起，閘門開啟時，隨閘門一起繞支臂支點旋轉，最大應力位于與主、縱梁接觸處。其它部位應力較小，其最大應力也滿足許用應力要求。

圖4　閘門面板梁應力效果圖

閘門面板由厚度為20 mm的鋼板焊接而成，它將水壓力傳給各橫、縱梁。就閘門整體而言，關鍵的受力部位在各梁和支臂上。但是，閘門面板是最直接的受力件，如其厚度不夠，很容易出現破壞現象。一般來說，閘門鋼板具有很好的韌性，可以經受較大的擾度變形。面板只要滿足厚度條件，各梁間距布置合理，其強度條件容易符合要求。閘門面板應力效果見圖4。

4結語

利用ANSYS對閘門剛度和強度進行分析可以看出：在正常設計要求下，經過計算得出閘門設計的梁系布置和擬定的截面尺寸是合理的。對比常規的平面體系進行結構計算，雖然也能滿足工程建設需要，但如果閘門比較復雜且水壓力較大，而且其位置比較重要，采用筆者闡述的方法，即采用通用軟件ANSYS對梁、板單元進行剛度、強度復核，建模簡單、分析快捷，計算成果對設計和施工具有較大的指導意義。

參考文獻：

[1]SL74-2013，水利水電工程鋼閘門設計規范[S].

[2] 張勝明.基于有限元軟件ANSYS7.0的結構分析[M].北京：清華大學出版社，2013.

郭忠武(1981-)，男，山西朔州人，工程師，學士，從事水利水電工程金屬結構設計工作；

羅成英(1981-)，女，四川成都人，工程師，學士，從事水利水電工程金屬結構設計工作；

賀開宇(1982-)，男，重慶銅梁人，工程師，學士，從事水利水電工程金屬結構設計工作.

(責任編輯：李燕輝)

作者簡介:

收稿日期:2015-07-18

文章編號:1001-2184(2016)01-0089-03

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV735;TV22