壩頂雙向門式啟閉機結構三維有限元分析

趙春龍，杜　永，南　洪，李　崗，郭天佑，鄒今春

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安　710065；2.青海黃河上游水電開發有限責任公司工程建設分公司，西寧　810000)

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壩頂雙向門式啟閉機結構三維有限元分析

趙春龍1，杜永2，南洪1，李崗1，郭天佑1，鄒今春1

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安710065；2.青海黃河上游水電開發有限責任公司工程建設分公司，西寧810000)

水利水電工程中雙向門式啟閉機各機構運行工況復雜，設計過程中需要考慮不同荷載組合下門機結構的的靜、動力學及抗傾覆穩定特性。針對某水電工程壩頂雙向門機，利用順序荷載傳遞方法對小車架和門架結構進行了空間有限元分析，為設計提供了詳細可靠的計算結果。

雙向門式啟閉機；門架結構；有限元分析

0　前　言

水利水電工程中門式啟閉機應用較為普遍，通常布置于壩頂機組進水口、泄水閘壩段以及電站尾水處作為起吊閘門、攔污柵的重要移動式起重設備。門式啟閉機主要由起升機構、大小車運行機構、回轉吊、小車架和門架以及其他電氣設備和控制設備組成。雙向門式啟閉機具有至少1套起升機構和2套運行機構，各機構和設備使用工況、運動關系復雜，起升荷載依次通過小車架、小車行走、門架以及大車行走傳遞至軌道基礎混凝土結構。門機小車架和門架作為主要承載傳力結構，其重量約占整個啟閉機重量的50%以上，設計過程中需要考慮不同荷載組合下小車架和門架結構的靜、動力學特性。相應設計規范[1-2]對啟閉機結構強度和剛度以及穩定性計算作了規定，可以利用一般力學方法和公式、圖表等進行結構構件受拉受壓、受彎受剪以及受扭的應力應變分析。隨著計算機應用和有限元方法的不斷成熟，對于啟閉容量較大的大型門機小車及門架，這類空間焊接結構的計算多采用有限元方法求解[3-4]。小車架及門架結構由鋼板焊接為梁系構件再拼裝為整體框架結構，有學者[5-8]在類似工程中多采用梁單元做簡化計算，此方法雖簡單方便，但計算精度受限。隨著三維設計的普及，門架建模較易實現，所以整體建模時采用板單元，使得模擬結果更加精確詳細。

本文以實際水電工程中1 600 kN雙向門式啟閉機為例，利用大型通用有限元軟件ANSYS對門式啟閉機小車架及門架結構依次進行有限元分析，確定小車架及門架結構尺寸，對啟閉機各運行工況結構強度、剛度及穩定性進行全面校核，并對結構進行必要的優化。

1　結構設計參數

某水電站壩頂1 600 kN-45 m雙向門式啟閉機共1臺。該門機主要用于電站進水口攔污柵、進水口事故閘門、溢洪道表孔檢修閘門等的安裝檢修工作。門機主要由小車起升機構、小車運行機構(4主/4從)、門架結構、大車運行機構(8主/8從)、機房、機房內電動單梁橋機、門機軌道、夾軌器、阻進器及埋件、防風錨定裝置及埋件、測風儀、避雷裝置、電力拖動和控制設備以及必要的附屬設備組成，門機總布置如圖1所示。

圖1　某水電站壩頂1 600 kN-45 m雙向門式啟閉機總布置圖　　單位：mm

小車架結構按起升機構及行走機構要求進行了梁格布置，縱向按卷筒支撐位置及行走機構設2個行走主梁，橫向設定滑輪支撐梁，在其它設備需要的位置布置小梁。

門架主要由箱形主梁、端梁、門腿、中橫梁以及底梁組成，主梁與端梁通過高強螺栓連接為整體組成上部結構，并與門腿進行現場焊接，門腿與底梁之間為螺栓連接。

(1)材料及物理參數

根據國家標準DL/T5167-2002《水電水利工程啟閉機設計規范》[2]，主要構件鋼材選用Q345C，型鋼及花紋鋼板采用Q235B，取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，質量密度ρ=7 850 kg/m3。

(2) 剛度評判

對于受彎構件，應根據撓度計算結果進行剛度校核。根據規范推薦，雙向門式啟閉機在跨中的撓度：當工作級別為Q1、Q2時，yL≤L/700；當工作級別為Q3、Q4時，yL≤L/800。門機上的小車架為簡支梁構件，跨中垂直靜撓度宜控制在：ye≤L/2000。其中L為門機或小車的跨度。

(3) 強度評判

根據鋼材的特性，采用第4強度理論驗算強度。故在結構后處理中，構件內每一點除分析常用幾個主要應力外，還提取Von Mises應力作為評價結構強度標準，允許應力按規范規定的應力取值。

2　主要荷載及工況確定

2.1小車架計算荷載及工況

小車架直接承受起升機構額定起升荷載1 735 kN，運行荷載1 000 kN。小車架使用過程中最不利的情況是額定起升荷載的工況。靜載試驗荷載取為額定荷載的1.25倍，為非工作時的最不利工況。見表1。

表1　不同工況下單根鋼絲繩拉力表

起升機構主要設備的自重包括電動機、減速器、卷筒裝置、滑輪組以及機房檢修設備等。依據規范結構按第Ⅰ類荷載即工作時的最大荷載，第Ⅱ類按非工作時的最大荷載或工作時的特殊荷載進行強度、剛度計算。本次小車架有限元分析確定3種計算工況：

工況1：起升荷載工況。起升機構額定起升荷載+主要設備自重+正常風壓；

工況2：運行荷載工況。運行機構運行荷載+主要設備自重+行走慣性力；

工況3：試驗荷載工況。起升機構試驗荷載(額定起升荷載的1.25倍) +主要設備自重+正常風壓。

將鋼絲繩拉力及設備重量按照起升機構布置及荷載作用情況加載。

2.2門架計算荷載及工況

計算門架結構時，將小車架車輪處的支反力結果作為邊界條件輸入，且小車位置按上、下游極限位置以及跨中位置分別計算。同理，依據規范門架結構按2類荷載情況進行計算。第Ⅰ類荷載按工作時的最大荷載進行強度、剛度和穩定性計算；第Ⅱ類按非工作時的最大荷載或工作時的特殊荷載進行強度、剛度和穩定性的驗算。小車3個極限位置分別對應3種荷載工況(見圖2)，總共確定9個工作狀態工況和2個非工作狀態工況，各工況荷載組合見表2。

表2　門架計算工況及荷載表

表2中需要注意的是：風荷載計算時上部機房風載按集中力施加于門架頂部軌道小車輪壓位置，門架風荷載以均部荷載按照工作狀態計算風壓250 N/m2，非工作狀態600 N/m2施加于迎風面上。風載方向最不利情況為垂直于門架軌道方向，門架結構主要為箱形結構，依據規范，取風荷載體型系數為1.3，風向下游1排門架乘以擋風系數，取平均擋風系數為0.5。按大車運行速度確定行走慣性加速度0.098 m/s2，方向平行于軌道。重力加速度g=10 m/s2,地震加速度取0.17g。

圖2　雙向門機小車位置及輪壓傳遞示意圖　單位：mm

3　有限元計算模型

采用ANSYS有限元計算軟件，對小車架進行三維建模，在盡量保持與設計圖紙一致性的前提下，對結構作一定的簡化，如忽略了大、小車運行機構，踏板平臺、附屬設施等。采用殼單元SHELL181來模擬小車架和門架的主要結構，SHELL181單元適用于薄到中等厚度的殼結構，可以保證計算分析模型與結構原型的整體剛度相一致。小車架單元整體控制為50 mm ×50 mm四邊形網格，門架模型網格較大，采用較粗網格以節省計算工作量。

采用笛卡兒坐標，X軸方向為垂直行走梁長度方向，向右為正；Y軸方向為順水流方向，向下游為正；Z軸方向為重力方向，向上為正。

小車架主梁與小車運行鉸接裝置連接處節點施加3個方向平移自由度約束。按起升機構荷載分配和主要設備布置位置施加相應荷載。門架行走梁與下部車輪行走機構承接部位施加3個方向平移自由度約束。按小車輪壓施加上部荷載，其他荷載按相應工況荷載位置及大小施加。為考慮簡化模型自重對結構內力及輪壓的影響，計算中乘以門架簡化系數Kg，對結構進行重力補償[3]，該系數由設計圖紙中的重量與簡化模型重量反算得到。

小車架輪組支承位置簡化為簡支約束，小車與小車軌道為點接觸，小車輪壓按集中荷載施加在門機頂部軌道[4]。小車架及門架結構空間有限元模型如圖3、4所示。

圖3　小車架有限元模型圖

計算過程中采用統一單位制： 長度(mm)、質量(kg)、力(N)、應力(MPa)。

圖4　門架有限元模型圖

4　結果分析

4.1小車架分析結果

(1) 應力應變結果

經有限元分析，列出小車架在各工況下的應力、位移計算結果。

圖5　工況1的位移分布圖

從圖5、6可知，額定起升荷載工況下，小車架整體結構最大絕對總位移為3.15 mm，發生在中間橫梁跨中定滑輪支座位置，主要為局部豎向位移。行走主梁跨中豎向變位為1.23 mm，其垂直撓度y=1.23 mm<4100/2000=2.05 mm，滿足剛度要求。中間橫梁跨中豎向位移約為2.0 mm，端部豎向位移為1.12 mm，相對撓度為0.88 mm，其支承跨度為小車軌距，為4.9 m，其垂直撓度y=0.88 mm <4900/2000=2.45 mm，滿足剛度要求。小車架整體結構最大等效應力為177.7 MPa，發生在定滑輪支座位置中間橫梁跨中隔板處，以及行走主梁車輪支撐位置，有一定應力集中，但均小于允許應力230 MPa。

圖6　工況1的應力分布圖

圖7　工況2的位移分布圖

圖8　工況2的應力分布圖

從圖7～10可知，運行及試驗荷載工況下，小車架應力應變分布規律與額定荷載工況一致，除局部承壓造成的應力集中以外，結構強度及剛度滿足規范要求。

在設計過程中，對局部位移和應力較大位置進行了加勁處理，并增加了行走梁車輪處墊板厚度，從構造措施上降低應力集中的影響程度。

(2) 小車輪壓

通過有限元空間計算，可方便在后處理中提取出支座約束處的支反力，分別計入單組(共4組)行走車輪重(32.9 kN)，即為各組輪壓P。見表3。

表3　小車單組輪壓值表　/kN

車輪踏面的最大靜輪壓Pb=Pmax=770.5/2=385.25 kN。

圖9　工況3的位移分布圖

圖10　工況3的應力分布圖

根據荷載順序傳遞規律，將小車輪壓作為門架計算的邊界輸入條件，以相應工況下輪壓荷載大小及作用位置反映小車的運行位置，并與小車運行位置下各荷載及工況完全對應，最終驗算門架強度和剛度。

4.2門架計算結果

(1) 應力應變結果

圖11、12分別為工況1的門架結構整體豎向位移和Mises等效應力云圖分布，其他工況結果不再一一列出。

圖11　工況1門架結構整體豎向位移云圖

圖12　工況1Mises等效應力云圖

從門架位移及應力結果來看(見表4)，門架最大位移發生在主梁上翼緣承受小車輪壓部位，最大豎向位移為2.1 mm，該部位應力也相對較大，最大應力為183 MPa，有一定應力集中現象。設計過程中對上翼緣縱向筋板加厚，增設橫向小筋板，以減小輪壓作用造成的局部應力集中。門架中橫梁、下橫梁、門腿大部分應力水平較低，對部分板厚進行了優化。

(2) 大車輪壓

經計算給出各工況下門架應力和位移結果，通過有限元空間計算，可方便在后處理中提取出支座約束處的支反力，分別加上單組輪重,即為各組輪壓值F。

根據門架支反力結果，可獲得單個大車車輪最大靜輪壓為:

Pmax=1472.08 kN/4=368 kN,輪壓滿足大車輪允許輪壓值。

(3) 剛度校核

本啟閉機門架主梁的最大垂直撓度滿足使用要求，即：fmax=2.63 mm<[f]=L/800=8000/800=10 mm (工況9：小車跨中位置起升試驗載荷)。

表4　門架計算結果表

(4) 強度校核

主結構在各工況下最大應力滿足使用所要求的強度條件，即：

σ=214.2 MPa< [σ]=230 MPa(工況3：小車上游極限位起升試驗載荷)。

(5) 抗傾覆穩定性校核

抗傾覆穩定性驗算工況按暴風侵襲下的非工作狀態以及地震工況來計算。考慮各種載荷對穩定性的實際影響程度，在進行啟閉機抗傾覆穩定性校核時，各荷載力矩應分別乘以一個載荷系數，非工作狀態風載荷乘1.2倍系數，以此作為抗傾覆穩定的安全儲備[9]。抗傾覆穩定性驗算工況與上述門架計算內容相同。

以門架支座豎向反力是否出現拉力作為判定門機側門架是否上翹傾覆的依據[10]。根據抗傾覆穩定性工況驗算結果，各工況下，門腿支座反力均為正值，表明門機不會出現傾覆現象。

5　結　語

(1) 通過壩頂雙向門式啟閉機結構的小車架、門架及各主要受力構件計算結果可以看出，門機結構強度、剛度和抗傾覆穩定性等均滿足要求。

(2) 在設計過程中，根據小車架及門架位移及應力分布情況，分別對結構局部設計進行了優化，從構造措施上降低應力集中的影響程度。

(3) 根據雙向門機荷載傳遞規律，將各工況下小車架支座反力結果即輪壓作為門架計算的邊界輸入條件，兩者模型分開計算，減少了單次計算的單元數量及規模，結構建模、計算結果、優化設計過程互不干擾，其結構計算精度能夠達到設計要求。

(4) 各工況下小車及大車輪壓計算結果更加接近實際情況，為壩體混凝土結構計算提供了更可靠的接口數據資料。

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3D Finite Element Analysis on Structure of Two-way Gantry Hoist at Dam Crest

ZHAO Chunlong1, DU Yong2, NAN Hong1, LI Gang1, GUO Tianyou1, ZOU Jinchun1

(1. Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065, China;2. Engineering Construction Branch of Huanghe Hydropower Development Co., Ltd., Xining810000,China)

The operating conditions of mechanisms of the two-way gantry hoist in of water resources and hydropower projects are complicated. During their design, characteristics of static & dynamic mechanics and stability against turnover of the gantry hoist at different load cases shall be considered. Based on the design of the two-way gantry hoist at dam crest of one hydropower project, the trolley rack and the gantry structure are analyzed in term of finite element by application of sequence load transit method. This provides its design with detailed and reliable calculating results.Key words:two-way gantry hoist; gantry structure; finite element analysis

1006—2610(2016)04—0067—07

2016-02-23

趙春龍(1988- )，男，陜西省安康市人，助理工程師，從事水工鋼結構設計工作.

TV664

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10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.018