ANSYS在水工平板鋼閘門檢測中的應用淺析

汪魁峰

【摘要】利用有限元法對水工鋼閘門在一定荷載工況下，進行各構件受力、變形分析是一種很好的方法。本文以遼寧某河干流大型攔河閘鋼閘門現場安全檢測和評價為背景，闡述ANSYS有限元方法在水工平板鋼閘門強度和剛度計算中的具體應用，并結合應力、應變測試數據進行對比，綜合分析鋼閘門現狀質量和安全情況，結果表明計算結果準確、可靠，測試方法科學、可行，可為類似工程的設計、檢測、施工等提供指導和借鑒。

【關鍵詞】檢測和評價；ANSYS有限元法；水工平板鋼閘門；應力應變測試

1、引言

本文以遼寧某河干流大型攔河閘鋼閘門現場安全檢測和評價為研究對象，闡述ANSYS有限元方法在水工平板鋼閘門強度和剛度計算中的應用，并結合測試結果綜合分析鋼閘門現狀質量和安全情況。該閘擔負著城市防洪任務，同時也是灌溉用水控制工程，工程設計洪水標準100年一遇，校核洪水標準300年一遇，并能通過500年一遇標準洪水，最大泄流量超過7000m3/s。工程主體攔河閘采用露頂式平面定輪鋼閘門，孔口尺寸9.6m×6.0m（寬×高），單扇鋼閘門重35t，設計水頭5.5m，動水啟閉。每扇鋼閘門配備一臺集中驅動雙吊點固定卷揚式啟閉機，容量2×400kN，其上游側布置平面檢修閘門，靜水啟閉。

2、鋼閘門應力測試過程

2.1 測試工況確定

以檢測工況符合或接近設計工況為原則，現場利用汛期高水位的自然條件，使閘門上游水位為35.95m，閘門下游無水，堰頂高程為30.50m，閘門的作用水頭5.45m，接近設計水頭5.50m。

2.2 測點布置

典型鋼閘門選定后，應力檢測前，首先根據相關規程，結合閘門構件材質、結構特點、荷載條件等進行分析計算，了解結構應力分布狀況，確定測點位置、數量，使采集的數據更加有代表性，能更準確的反映結構實際應力狀況。確定采用電阻式應變片在鋼閘門主要受力構件上共布置了21個測點，其中三向測點4個。測點分別布置在面板、主橫梁后翼緣板、縱梁后翼緣板、主橫梁腹板、縱梁腹板和邊梁后翼緣板上，詳見圖1。

2.3 測試結果

（1）主要計算公式

單向測點應力與應變的關系為：

（2）測試結果

單向測點和三向測點實測應力值見表1和表2。由測試結果可知，測點處面板的剪應力為28.1MPa，折算應力48.5MPa；主橫梁后翼緣跨中正應力100.9MPa；主橫梁腹板的剪應力13.4MPa，折算應力23.2MPa；縱梁腹板的剪應力3.1MPa，折算應力5.4MPa；邊梁后翼緣正應力-13.0MPa。

3、ANSYS計算結果

3.1 計算模型及參數選定

鋼閘門應力分析采用ANSYS三維有限元法。該工程鋼閘門形式為板、梁組合結構，根據其受力特點，考慮計算精度要求，采用8節點實體單元建立閘門結構有限元計算模型。計算模型單元總數為13008個，節點總數為24766個。坐標系定義為：主橫梁軸向為x軸，縱梁軸向為y軸，水流方向為z軸。采用國際單位制，應力單位Pa，位移單位m。

閘門主要鋼構件材質為Q235A（普通低碳鋼，A級），彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比 ，容重 =78.5kN/m3。計算荷載主要考慮作用于閘門的靜水壓力和閘門自重。計算工況為設計水位36.0m，閘門下游無水，閘門作用水頭5.50m。閘門底部受垂直向（y向）約束，因門槽的作用閘門在滾輪支撐處受順水流方向（z向）約束，為保持計算模型幾何不變形，假設閘門底部面板中間結點在垂直水流方向（x向）的橫向位移為零。

3.3 應力計算結果

（1）面板

面板最大計算應力見表3。最大主應力25.9MPa，最小主應力-45.1MPa。xy向最大剪應力12.6MPa，xy向折算應力最大值46.6MPa，分布于背水側1#主橫梁與2#、3#縱梁相交處。xz向折算應力最大值43.9MPa。

（2）主橫梁

3根主橫梁最大應力值列于表4，1#主橫梁等值線見圖3、圖4。1#主橫梁最大正應力91.8MPa，最大剪應力35.8MPa，最大折算應力105.6MPa，出現在主橫梁的腹板上。

（3）縱梁和邊梁

縱梁和邊梁的最大應力列于表5中。縱梁和邊梁最大正應力13.6MPa，最大剪應力14.5MPa，最大折算應力27.8MPa，出現在縱梁和邊梁的腹板上。

（4）水平次梁（包括底梁和頂梁）

水平次梁（包括底梁和頂梁）中以底梁上的正應力、剪應力以及折算應力最大，具體值見表6。最大正應力、剪應力及折算應力分別為119.0MPa、21.4MPa和59.9MPa。

3.4 剛度計算結果

設計水位下，主橫梁及底梁的最大撓度值列于表7。底梁、1#、2#、3#主橫梁的最大撓度值分別為7.82mm、6.95mm、6.08mm和4.35mm。

4、測試效果分析

4.1 評判標準

（1）容許應力

閘門主要構件材料為Q235A（普通低碳鋼，A級），屬鋼材尺寸分組中的第1組，閘門面板、主橫梁和縱梁等構件所采用的鋼板厚度均不大于16mm，其材料的容許應力為[σ]=160MPa，[τ]=95MPa。本工程閘門投入使用年限短，根據《水利水電工程金屬結構報廢標準》（SL 226-1998）規定，對于大中型工程的鋼閘門，材料的容許應力應乘以0.90～0.95的使用年限修正系數，本工程取0.95，故閘門主要構件的材料容許應力為 =152.0MPa， = 90.3MPa。

（2）評判標準

強度：閘門承重構件和連接件，應校核正應力和剪應力，校核公式為： ， ；組合梁除校核正應力和剪應力外，還應校核折算應力 ，校核公式為： =167.2MPa；面板考慮到受局部彎曲作用的同時隨主（次）梁受整體彎曲作用，因此要對折算應力 進行校核，校核公式為： =250.8MPa，（ ）。

剛度：根據規程，對于露頂式鋼閘門，主橫梁的最大撓度與計算跨度的比值不應超過1/600。

4.2 效果分析

（1）面板最大主應力 =25.9MPa、最大剪應力 =12.6MPa，均小于材料的容許正應力152.0MPa和容許剪應力90.3MPa，面板最大折算應力 為xy方向，力值46.6MPa，與測試值48.5MPa很接近，折算應力均未超過容許值250.8MPa，面板強度滿足標準要求；

（2）1#主橫梁最大正應力 =91.8MPa、最大剪應力 =35.8MPa，均小于材料容許應力152.0MPa和90.3MPa，最大折算應力 =105.6MPa，出現在主橫梁的腹板上，小于折算應力容許值167.2MPa，強度滿足標準要求。主橫梁后翼緣 =91.8MPa與測試值100.9MPa基本吻合。

（3）縱梁和邊梁最大正應力 =13.6MPa，最大剪應力 =14.5MPa，均小于材料容許應力152.0MPa和90.3MPa；最大折算應力 =27.8MPa，出現在縱梁和邊梁的腹板上，小于折算應力容許值167.2MP，強度滿足標準要求。

（4）水平次梁（包括底梁和頂梁）最大正應力、剪應力及折算應力分別為 119.0MPa、21.4MPa和59.9MPa，均小于材料相應容許應力值152.0MPa、90.3MPa和167.2MPa，強度滿足標準要求。

（5）主橫梁的計算跨度（10000mm），設計水位下底梁、1#、2#、3#主橫梁的最大撓度值分別為7.82mm、6.95mm、6.08mm和4.35mm，均小于主橫梁撓度容許值16.7mm，剛度滿足標準要求。

5、結論及建議

（1）通過ANSYS有限元法計算結果與應力、應變測試結果對比驗證，計算結果準確、測試方法科學，而且計算得到的等值線圖，對分析閘門各構件的強度和變形的分布很直觀。同時也體現出基礎參數選擇和約束條件的輸入很重要，會對計算結果產生一定程度的影響。

（2）綜合檢測結果，所測閘門的面板、主橫梁、邊梁和縱梁及水平次梁等各主要受力構件強度滿足標準要求，主橫梁及底梁剛度均滿足標準要求。

（3）對于使用時間長，銹蝕嚴重的鋼閘門，采用有限元法計算分析前，應先測試各構件的蝕余厚度，用構件實際尺寸建模計算，根據計算分析結果確定主要構件測點分布，以方便校核，提高成果精度。

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