氣動盾形閘門結構的優化設計

趙鵬飛 劉鵬鵬 牛文龍

(1.江河機電裝備工程有限公司， 北京 100070；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司， 北京 100024)

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氣動盾形閘門結構的優化設計

趙鵬飛1劉鵬鵬2牛文龍1

(1.江河機電裝備工程有限公司， 北京 100070；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司， 北京 100024)

氣動盾形閘門作為一種新型水工鋼閘門，在中國已建成多座。在運行中由于一些特殊原因，氣動閘門會出現一定的變形，雖未影響正常使用，但在觀賞效果上有一定的影響。本文采用大型通用三維有限元軟件ANSYS Workbench，對擋水高度為2.5m的松花湖旺起人工濕地氣動閘閘門結構建立計算分析模型，通過理論計算，結合實際情況，分析導致其變形的原因，提出合理的解決方案，實現閘門的優化設計，為今后的氣動閘設計提供必要參考。

氣動盾形閘門； 閘門結構； 三維有限元； 解決方案； 優化設計

1 引 言

氣動盾形閘門系統是中國在引進先進技術的基礎上，結合鋼閘門及橡膠壩的特點研發出來的一種大跨度閘門系統，兼有橡膠壩和鋼閘門的優點。其主要組成部分有鋼閘門、氣袋、埋件、空氣壓縮系統和控制系統等，通過氣袋的充排氣實現閘門的升起與倒伏，在設計水位內可以任意調整水位，且對河寬無限制。氣動盾形閘門是一種先進、高效、節能、環保的水利設施，隨著我國環保政策的推行及旅游事業的大力發展，其必將廣泛應用于中國城鎮水環境治理及開發建設中。目前，中國國內已建成并安全運行的氣動閘已多達十幾座[1]。

氣動閘在運行中由于一些特殊原因，閘門會出現一定的變形，雖未影響正常使用，但其作為景觀氣動閘壩，在觀賞效果上有一定的影響。雖然中國已有多座氣動閘的工程實例，但尚缺乏系統、完整、準確的理論計算體系。目前氣動閘常用的平面體系計算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計算。然而，氣動盾形閘門結構是一個復雜的空間結構，按平面體系計算與實際空間結構特性存在較大的差異。本文擬結合松花湖旺起人工濕地氣動閘工程，通過大型有限元軟件ANSYS Workbench對閘門結構進行三維有限元應力變形計算，分析閘門的受力變形情況，根據變形結果提出較為合理的解決方案，減小閘門的實際變形量，從而達到優化效果。

2 閘門結構的邊界約束條件及材料模型

2.1 閘門結構的邊界約束條件

對氣動盾形閘門系統的閘門結構進行三維建模和有限元分析時，閘門結構邊界約束條件的設定至關重要，對結果分析影響較大，而盾形氣動閘閘門的支撐型式與傳統的閘門型式有較大區別，因此要確定合理的邊界約束條件就必須了解氣動閘的工作原理[2]。

氣動盾形閘系統主要由盾形鋼閘門面板、氣袋、鉸鏈、主錨栓和混凝土基礎等組成，是在剛性結構和柔性結構的共同作用下，將上游來水荷載最終傳遞給基礎，研究分析氣動盾形閘門受力及傳遞路徑，主要有兩條：?鋼閘門面板上游承受水推力作用，該力主要由門后充氣袋承受，然后傳遞給混凝土基礎；?水推力作用下，面板繞閘門底軸轉動，通過鉸鏈將所受的荷載傳遞給主錨栓，繼而傳遞給混凝土基礎。通過分析氣動閘的結構組成及傳力過程，可以確定閘門的邊界約束條件，閘門面板內緣受到氣袋的徑向約束，約束面尺寸按照氣袋與門板的實際接觸面積確定；閘門底部受到鉸鏈蓋板和氣袋的豎向約束。整體結構型式見圖1。

圖1 氣動盾形閘結構組成

2.2 閘門結構的本構模型

氣動盾形閘門的材料選型與普通鋼閘門所用材料沒有大的區別，在有限元分析中采用各向同性的線彈性模型作為本文閘門結構分析的本構模型[3]。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

松花湖旺起人工濕地氣動盾形閘門系統，閘門擋水寬度30m，擋水高度2.5m，用于洪水期泄洪、非洪水期擋水。底板高程262.50m，閘頂高程265.00m，閘墩墩頂高程265.50m，校核洪水位265.30m。盾形氣動閘門橫斷面見圖2。

圖2 氣動盾形閘門橫斷面

3.2 閘門材料的計算參數

該盾形鋼閘門結構材料為Q345B，彈性模量E=2.1X1011Pa，泊松比ν=0.3，質量密度ρ=7850kg/m3。

3.3 有限元模型

閘門與閘門之間是依靠間止封(橡膠件)柔性材

料連接止水的，因此僅需分析計算完整的一扇閘門即可。閘門板約束邊界條件依據2.1的論述施加。本文主要采用6面體20節點的結構單元劃分網格，單元總數為19699，節點總數為31935。模型及單元劃分見圖3。

圖3 模型及單元劃分

3.4 計算工況及結果分析

計算工況：上游采用校核洪水位的靜水頭2.80m，下游無水。

閘門各部件的最大整體位移及最大折算應力見圖4～圖9。

圖4 閘門整體位移云圖 (單位：m)

圖5 閘門整體應力云圖(單位: pa)

圖6 面板整體位移云圖 (單位：m)

圖7 面板整體應力云圖(單位: pa)

圖8 筋板整體位移云圖 (單位：m)

圖9 筋板整體應力云圖(單位: pa)

部 件位 移/mm應 力/MPa整體發生部位最大值發生部位面板81面板頂部兩端631面板底部跨中位置縱向筋板6兩端筋板頂部132筋板外邊緣底部

從表1計算結果可以看出，閘門結構的最大位移發生在面板頂部兩端位置，最大位移為8.1mm。由于此處距最近筋板650mm，懸臂過長，因此位移較大。最大應力出現在兩端部筋板底部的外邊緣處，其應力值為132MPa，小于材料的容許應力值，強度滿足要求。

該氣動盾形閘在實際運行過程中，門葉面板出現了較大的變形現象，導致閘門頂部過水不均，影響閘壩的景觀效應，因此需分析變形原因并提出解決方案。

3.5 閘門變形原因分析及解決方案

計算結果分析表明，閘門在水壓力的作用下會產生一定變形量，但這屬于閘門結構本身無法克服的變形，門葉出現較大變形現象不僅與水壓力有關，而且是由多種因素共同引起的。分析認為主要有五方面的原因：?氣袋無法使閘門門葉兩端底部得到有效的徑向支撐；?原設計閘門端部縱向加勁肋板距面板邊緣距離過大；?各閘門氣袋充氣量的誤差導致閘門開度不一致；?測量閘門開度用的傾斜儀安裝位置不合理；?安裝誤差。

針對閘門較大變形情況，經分析計算，在閘門結構設計上提出了以下三種解決方案：

方案一，在面板頂部下游側安裝方形空心型鋼，長度與單節門葉寬度相同。

方案二，單節門葉兩端部各增加一塊加勁肋，距面板邊緣100mm。

方案三，將上述兩種方案綜合考慮。

三種方案的有限元計算結果見圖10～圖15。

圖10 方案一閘門位移云圖 (單位：m)

圖11 方案一閘門應力云圖(單位: pa)

圖12 方案二閘門位移云圖 (單位：m)

圖13 方案二閘門應力云圖(單位: pa)

圖14 方案三閘門位移云圖 (單位：m)

圖15 方案三閘門位移云圖(單位: pa)

部 件變 形原方案方案一增量方案二增量方案三增量閘門整體整體位移/mm81405-50%512-368%25-691%折算應力/MPa132140564%137642%1647248%面板整體位移/mm81405-50%512-368%25-691%折算應力/MPa631545-136%84634%486-23%縱向加勁板整體位移/mm6375-375%504-16%246-59%折算應力/MPa132140564%137642%1647248%

由圖10～圖15及計算結果表2可知，更改后閘門整體位移減小，其中方案三中的橫向方形空心型鋼和增設加勁肋對閘門整體位移影響最大，位移減小69.1%，其次是方案一變形量減小50%；三個方案對閘門整體折算應力影響較小，折算應力分別增加6.4%、4.2%和24.8%。

4 結 論

a.閘門在正常承受水壓條件下，門葉結構會出現類似于“拱形”的變形情況，每節閘門頂部兩端變形較大，計算結果與閘門實際變形相吻合，這也是閘門本身無法克服的變形。

b.引起氣動盾形閘閘門變形的原因很多，主要有閘門的結構設計、氣袋制造誤差及充氣量不一致、傾斜儀安裝不合理、閘門安裝誤差。

c.針對閘門的變形情況，提出三種解決方案，三種方案能不同程度地減小閘門的整體變形量，影響最大的方案是在面板頂部增設橫向方形空心型鋼和在單節門葉兩端增設肋板，雖然該方案能較好地減小門葉整體位移，但鑒于閘門已安裝完畢且已蓄水運行，無法對閘門結構進行較大改動，因此，采用增設橫向方形空心型鋼較為合理。

d.三種方案對閘門整體折算應力影響較小，且均在允許應力范圍內。

e.從有限元計算結果和氣動閘整體美觀效果來看，在今后的氣動閘閘門設計時采用在單節門葉兩端增設肋板方案較為合理、美觀。

[1] 王惠萍，周志華，李玉臣.清河氣動盾形閘門頂溢流不均問題的分析處理[J].水利規劃與設計，2013(3)：48-50.

[2] 張鵬.橡膠壩靜動力特性有限元分析[D].泰安：山東農業大學，2010.

[3] 胡俊鋒.基于有限元分析的大跨度平面閘門設計研究[J].中國農村水利水電，2012(8)：110-111.

Optimized design of pneumatic shield gate structure

ZHAO Pengfei1, LIU Pengpeng2, NIU Wenlong1

(1.JMEEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100070,China;2.PowerChinaBeijingEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100024,China)

Many pneumatic shield gates have been constructed in China as a kind of novel hydraulic steel gates. Pneumatic shield gates may suffer from certain deformation in operation due to some special reasons. Though normal use is not affected, certain influence is produced on the ornamental effect. In the paper, large general 3D finite element software ANSYS Workbench is adopted. Calculation analysis model is established for the pneumatic gate structure of Songhua Lake Wangqi Constructed Wetland with water-retaining height of 2.5m. Practical condition is combined for analyzing deformation causes through theoretical calculation. Reasonable solutions are proposed to achieve the optimal design of the gate, thereby providing necessary reference for pneumatic gate design in the future.

pneumatic shield gate; gate structure; 3D finite element; solution; optimized design

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.01.008

TV663

A

1005-4774(2017)01- 0027- 05