基于ABAQUS的翻板閘壩鋼閘門自振特性有限元分析

黃冠權，楊 琳，張建球

(1.廣西北部灣國際港務集團有限公司，廣西 南寧 530028；2.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

鋼閘門作為擋水結構在治河工程中較為常見，保證其正常運行對河道治理意義重大。為保證水工鋼閘門結構建設符合設計及相關規范要求，保證其工程質量，須對建設過程中和建成的水工鋼閘門工程進行結構實體質量檢測工作，其中，閘門結構振動特性的檢測尤為重要。由于現場檢測環境的復雜性，易導致結構振動特性檢測結果受到干擾致使結論不準確。擬采用數值模擬分析的方法對實體檢測結果進行輔助驗證，以保證工程結構質量評價的準確性和可靠性。

1 工程概況

為提高河道的防洪能力，同時使河道在非汛期得到有效利用，某河段河道治理工程采用翻板閘壩形式，實現了對河道的生態化治理。其中，1#、2#、6#、7#翻板閘壩工程于2016年11月開工建設，2017年5月完工。為保證工程質量達到相關規范要求，工程檢測單位對上述閘壩的相應參數進行了現場實體工程檢測。

2 ABAQUS有限元數值模擬分析

ABAQUS有限元軟件在人機交互方面具有強大優勢[1]，ABAQUS/CAE提供的交互式圖形環境及豐富的單元庫，能讓操作者非常簡便地建立分析模型。且ABAQUS能自動選擇合適的收斂準則，在模型運算時對參數進行調整，保證結果的收斂性和準確性。

動力學分析在現實生產生活中很常見，進行動力分析是ABAQUS的一個重要優勢。工程結構具有多個固有頻率，在結構設計階段，避免結構的固有頻率與可能的荷載頻率過分接近是關鍵。在ABAQUS中，使用線性攝動分析步(Linear perturbation)來求解結構的振型和振動頻率，操作簡便。本研究運用ABAQUS線性攝動分析步方法對鋼閘門固有振動頻率和振型進行求解分析。

2.1 模型建立

參考相似工程的數值模擬分析案例[2-5]，本研究以2#翻板閘壩鋼閘門門葉為例建立ABAQUS三維有限元模型。翻板鋼閘門高3 m，寬6.4 m。以橫梁方向為x向，縱梁方向為y向，水流方向為z向建立坐標系，以m為單位建立1∶1比尺的ABAQUS分析模型。固定鋼閘門面板底部y方向位移和轉角，以此模擬閘底板對閘門的約束；固定閘門面板兩側面x和z方向的位移和轉角，以此模擬閘門槽對閘門的約束；對結構整體施加重力。面板及梁的材料均采用Q235鋼，其力學性質見表1。

2.2 網格劃分

鋼閘門門葉由面板和縱、橫梁組成，面板為規則六面體，采用Hex(六面體)形狀網格劃分；縱、橫梁為槽鋼結構，其腰腿連接處不適用Hex形狀網格劃分，在此采用Hex-dominated(六面體占優)形狀網格劃分，允許過渡區域出現楔形單元，使得網格在結構上分布均勻。

2.3 結果分析

2#翻板閘壩鋼閘門門葉結構ABAQUS三維有限元模型建立完成后，提交作業進行模型自振特性分析。利用ABAQUS線性攝動頻率提取分析步求解鋼閘門的自振頻率和振型，由于結構自振響應往往取決于相對較少的幾階振型，在這里計算鋼閘門的前10階振動模態。分析得到的2#翻板閘壩鋼閘門門葉結構前10階自振頻率見表2，并列出前五階具有代表性的鋼閘門門葉結構振型及應力分布云圖，見圖1～5。

圖1 一階振型應力分布云圖

圖2 二階振型應力分布云圖

圖3 三階振型應力分布云圖

圖4 四階振型應力分布云圖

圖5 五階振型應力分布云圖

分析各階結構自振應力分布云圖，可知：

(1)各階振型下結構的最大應力均超過材料屈服強度，將導致結構發生塑性變形，大大降低材料的力學性能，造成結構局部失穩，進而影響鋼閘門整體穩定性，導致結構破壞，失去閘門有效啟閉、擋水泄水性能，最終使閘門不能按照設計強度進行工作。

(2)由結構各階振型可知：一階振型中，面板和縱、橫梁沿迎水方向彎曲凹陷，變形以中心位置縱梁為軸成軸對稱分布，處于結構對稱軸附近的主梁和上下橫梁出現應力集中現象且超過屈服強度；二階振型中，面板和縱、橫梁呈波浪形彎曲，變形以中心位置縱梁為軸成中心對稱分布，最大應力為2.79E+4 MPa，處于左右兩縱梁偏中心軸位置的主梁和上下橫梁上，且超過屈服強度；三階振型中，面板和縱、橫梁發生彎曲和扭轉變形，其中，接近閘門底部的左側縱梁扭轉變形最為嚴重；四階振型中，面板發生波浪形彎曲變形，縱梁發生扭轉變形，最大應力出現在上橫梁與中心軸交接處；五階振型中，局部變形發生在左右縱梁的第三截，為扭轉變形，且出現應力集中現象，超過了材料的屈服強度。

3 現場檢測結果及對比分析

根據相關規范[6]，鋼閘門現場檢測采用脈沖錘為外界激勵，測點布設于上橫梁右幅，采用動態信號采集分析系統進行數據采集，如圖6所示。

圖6 鋼閘門現場檢測測點布設圖

將1#、2#、6#、7#翻板閘壩自振頻率現場實測值與數值模擬所得結果對比數據繪于圖7。由圖7可知，本次現場檢測的鋼閘門門葉自振頻率實測值與數值模擬結果吻合度較高，后者數值相對偏高，但仍處于合理范圍內，故ABAQUS數值模擬結果具有可靠性。

圖7 鋼閘門自振頻率實測值與數值模擬結果對比圖

4 結語

(1)本研究中的ABAQUS有限元軟件數值模擬在結構、邊界條件和荷載方面對實體鋼閘門結構進行了簡化，模擬分析結果與現場檢測實測值吻合度高，驗證了此ABAQUS有限元模型的可靠性。

(2)由數值模擬結果可知，鋼閘門結構受外界激勵發生共振現象時，將使結構發生彎曲、扭轉等大變形，導致材料超過其屈服強度，喪失力學性能，從而導致結構不能按照設計強度進行正常工作。故在結構設計、施工和運營階段，應避免外界載荷頻率接近結構自振頻率，防止生產事故的發生。

(3)可運用本研究思路建立ABAQUS有限元數值模擬分析模型對鋼閘門現場檢測結果進行指導，在鋼閘門交、竣工實體工程檢測中，為排除結構發生共振的可能性，應著重對不同工況下鋼閘門的振動頻率進行檢測，保證結構安全。

(4)在鋼閘門振動檢測過程中，建議在進行鋼閘門結構振動頻率檢測的同時在對應測點進行動、靜應變檢測，與結構振動頻率結果作橫向比較以確保檢測結果的全面性。