大跨度下臥式底樞翻板門的結構應力與變形分析

王振紅，管義兵，趙開南，陳 華

(1.江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128；2.常州市武進區水利工程建設管理中心，江蘇 常州 213000；3.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

蘇南某運河江邊樞紐由一座流量120m3/s泵站和一座凈寬60m節制閘組成。因該樞紐緊鄰開放式公園，為營造出良好的景觀效果，要求節制閘單孔布置，可供選擇的方案有大跨度下臥式底樞翻板門[1- 3]、大孔徑雙扉平面鋼閘門等。本文對其中大跨度下臥式底樞翻板門[4- 5]方案進行研究，論證該方案技術上的可行性。

常規翻板門寬度一般在4～16m左右，該閘門跨度達60m，在國內外現役及在建工程中均屬少見。因該閘門跨度大、受力復雜，為確保閘門結構設計的安全、經濟及合理性，本文采用三維有限元空間應力分析與平面體系計算方法相對比[6- 7]，分析閘門在最不利工況下的應力、變形等情況，為閘門結構的優化設計提供技術支撐。

1 計算工況及相關參數

1.1 計算工況

以節制閘擋潮時的最不利工況為例，進行計算分析，即：長江側水位(h1)7.96m(鎮江吳淞高程，下同)；內河側水位(h2)4.0m。

1.2 計算相關參數

水體密度ρ=1000kg/m3；閘門材料為Q345，由SL74—2013《水利水電工程鋼閘門設計規范》[8]可知，其材料參數如下：彈性模量(E)為206GPa，泊松比(ν)為0.28，密度(ρ)為7850kg/m3；重力加速度(g)為9.8m/s2。

1.3 結構布置

閘門尺寸為63.6m×3.5m×9.37m(長×厚×高)，閘門為左右對稱結構，水平方向從上至下分別布有頂梁和7根主梁，豎直方向則從一側至中間依次布有邊梁和11根縱向隔板，梁系均采用實腹式焊接組合鋼梁。結構具體布置如圖1所示。

2 空間體系有限元分析

2.1 有限元計算模型

為提高有限元計算結果的計算精度，在對閘門進行Ansys分析時，對于主要的面板結構采用高階殼單元SHELL281建模，部分次梁則采用梁單元BEAM189[9- 11]?？紤]到閘門結構及承擔荷載的對稱性，ANSYS靜力分析時僅需建立一半的計算模型，建立的閘門模型如圖2所示。

圖2中所示坐標為總體笛卡爾坐標系，x方向為閘門跨度方向，y正方向為閘門高度方向；z正方向則由內河側指向長江側。此外，為了對底部滾輪位置施加轉動約束，在滾輪所在軸心位置建立了局部柱坐標系(未在圖中顯示)，其中x方向為滾輪徑向，y方向為滾輪轉動方向，z方向則為閘門跨度方向。

2.2 模型載荷及約束條件

對于建立的有限元模型，結合閘門實際運行工況，其簡化的約束荷載包括：底部滾輪所在位置的支撐約束和閘門跨度方向的移動約束，即局部坐標系下的x、z向約束；閘門側止水和底止水位置施加的垂直閘門方向的約束，即總體坐標系下的z向約束；閘門對稱面上的對稱約束[12- 15]。

圖1 閘門總體結構布置

圖2 有限元計算模型

作用載荷包括：①閘門所受的重力作用，即總體坐標系下的y方向慣性力；②長江側水位+7.96m；內河側水位+4.00m。

計算時將水壓力等效作用在靠近內河側的擋水面板上且未考慮浮箱浮力對閘門的影響。

2.3 有限元計算結果

(1)擋水面板。圖3為內河側擋水面板的折算應力云圖，由圖知最大折算應力約為185MPa，滿足規范要求。最大折算應力位于中間滾輪2處的橫梁翼緣與內河側擋水面板接觸位置。

圖3 擋水面板折算應力云圖(單位：MPa)

(2)主梁。主梁的最大位移如圖4所示，最大位移為10.54mm，位于閘門1號主梁中心，7號主梁(底部主梁)最大位移為7.1mm，均小于允許撓度[1/600]L=104.7mm，滿足規范要求。

圖4 主梁位移云圖(單位：m)

主梁主要承受彎矩和剪力作用，其應力計算結果如圖5所示。其中最大彎曲應力為148MPa，位于中間滾輪2附近的底橫梁上；主梁最大剪應力為40.1MPa，均滿足規范要求。

圖5 主梁正應力云圖(單位：MPa)

3 平面體系計算

3.1 計算模型

根據SL 74—2013，本工程閘門承受的水平荷載有靜水壓力、動水壓力、浪壓力等；豎向荷載主要有結構自重、啟閉力等。內力計算時將平面鋼閘門分為面板、主梁、次梁等構件分別進行計算。其中面板簡化為四邊固支的雙向板、主梁簡化為支承在門槽上簡支梁、次梁簡化為支承在主梁上的連續簡支梁進行計算。材料的容許應力參照SL 74—2013[8]中采用。

據節制閘擋潮時最不利工況對進行閘門平面體系計算，即采用規范中的相關計算方法對主要結構分別進行計算復核。經計算可得閘門承受的靜水壓力為13971kN。

3.2 平面體系計算結果

3.2.1面板

計算公式為：

(1)

式中，δ—初選面板厚度，mm；Ky—彈塑性薄板支承長邊中點彎應力系數；α—彈塑性調整系數；q—面板計算區中心的水壓力強度，MPa；a、b—面板計算區格的短邊和長邊長度，mm；[σ]—鋼材的抗彎容許應力，MPa。

根據閘門梁格布置情況，面板被分為7個不同的區段，根據計算結果，閘門面板計算最大厚度為10.34mm，本閘門為超大型閘門，綜合考慮面板參與主梁作用、焊接制作變形、預留銹蝕余量等因素，初選面板厚度為20mm。

3.2.2主梁

采用7根主梁間隔1200mm結構布置，主梁采用焊接工字鋼結構型式，閘門面板兼作主梁上下翼緣，同時上下翼緣加裝16mm×300mm鋼板，主梁腹板采用16mm×3428mm鋼板。

對各主梁進行計算，最底部7號主梁所受水壓力最大，考慮不均勻系數計算7號主梁所受水壓力為2210kN，下翼緣受壓應力為135.5N/mm2，上翼緣受拉應力為135.5N/mm2，面板折算應力按第四強度理論計算得到216.3N/mm2，均滿足規范要求。主梁最大撓度為38.4mm，小于允許撓度[1/600]L=104.7mm。本工程節制閘閘門跨度大，梁截面高，為防止整體失穩和局部失穩，采用橫向和縱向加小橫梁、加勁板的方式滿足穩定性要求。

4 二種結構計算方法結果對比與分析

采用空間體系有限元分析及平面體系規范公式對大跨度下臥式底樞翻板門的內力變形進行計算，面板、主梁計算的成果詳見表1。

由表1可見，2種算法所得應力變形等均能滿足規范要求。此外，采用空間體系有限元分析7號主梁最大變形為7.1mm，采用平面體系簡化計算7號主梁變形為38.4mm，二者計算結果相差較大。究其原因為本閘門底部設置了6個滾輪底樞，閘門的實際受力狀況更接近于“三邊支承”的框架體系[4]，但平面體系計算時，將主梁簡化為“兩邊簡支”梁來計算，因此所得變形結果較大。

表1 大跨度下臥式底樞翻板門二種體系計算結果對比

5 結語

(1)通過計算可知，本工程60m大跨度底樞翻板門方案在技術上是可行的，閘門所設計的梁系和選定的截面是合理的。

(2)平面體系計算閘門應力及變形時，需將閘門簡化成梁、板等便于計算的受力模型，不能真實地反映閘門實際的受力狀況，結果偏安全；空間體系有限元分析法，可以全面系統地反映閘門各部分的受力狀況，應力、應變分布規律與平面體系基本吻合，但數值上還有些差別。有限元計算結果受其模型精度的影響較大，因此，在目前的計算機水平下，還需與平面體系計算結果分析對比后取用。

(3)對于規模小、結構簡單的閘門，平面體系計算成果能夠滿足工程設計要求；但對于像本工程這樣的大跨度、型式新、結構復雜的閘門，可結合空間體系有限元分析成果，必要時還需進行物理模型試驗來指導并優化閘門結構設計。