基于靜水(冰)壓力的閘門構造靜力模擬與實驗分析探究

夏愛民

(江西省水利水電建設有限公司，南昌 330200)

水工閘門扼守沖水要隘，具有舉足輕重的技術和安全意義。本研究參考某山樞紐工程泄洪閘案例，以模擬計算與實驗分析的方式，分析探討靜水(冰)壓力下閘門構造的靜力學承力和工學狀態(tài)，以期為同類閘門工程設計和建造應用提供參考，助力建設適用牢固的水工閘門工程。

1 案例閘門構造簡述

某山樞紐工程共有38孔泄洪閘，其中右岸有10孔，左岸有28孔，每孔寬度20 m。斜支臂表孔弧形為閘門主要方式，其弧形曲率半徑R為13 m，主體焊接而成，由雙主橫梁、斜支臂提供支撐。支鉸內(nèi)置自潤滑球面軸承且構造為球面鉸。液壓啟閉機與閘門相接連的吊耳設在下主橫梁與邊梁相交部位的后翼上。閘門前設置一道檢修閘門用來檢修與維護。左側28孔泄控水閘門則由2×1 600 kN液壓啟閉機操控，液壓2×2 000 kN啟閉機則用來操控右側10孔泄控水閘門。閘門的各項參數(shù)及主要特點具體見表1。

表1 閘門的各項參數(shù)及主要特點

案例閘門構造狀態(tài)見圖1。

圖1案例泄控水閘門表孔斜支臂弧形閘門構造示意圖

葉門規(guī)格：支臂支鉸中心距為18.4 m，曲率半徑為13 m，孔口高度10 m×寬度20 m，旋轉(zhuǎn)開關角度可達60°

2 建立閘門靜力模擬計算模型

2.1 閘門模擬建模

參考閘門圖紙規(guī)格，借助Solidworks軟件實施3D建模，利用ANSYS workbench導入?yún)?shù)進行建模，等軸側視葉門實體模型見圖2。

圖2 等軸側視葉門實體模型

焊接縫在實體建模過程中沒有考慮。由于閘門為典型的焊接構造，并且應力集中出現(xiàn)在多個焊接縫中，焊接過程中改變了材質(zhì)機能，也使周圍構造出現(xiàn)突變，此時加大了構造靜力模擬分析難度。因此，為方便后面模擬計算及網(wǎng)絡劃分，本研究利用有限元分析模型對鋼板的倒角部分和焊接縫同時進行簡化處理。

2.2 閘門熱力學材料參數(shù)

Q345是一種低合金鋼材，也是閘門構造的主要材料，現(xiàn)已在特種設備、橋梁、船舶、建筑等領域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應用。其中，345代表鋼材屈服強度為345 MPa，Q代表屈服強度。熱力學低合金鋼Q345參數(shù)見表2。

表2 熱力學低合金鋼Q345參數(shù)

2.3 基于殼板構造的殼分析網(wǎng)絡劃分

閘門各部件為典型的薄壁構造，厚度介于6～25 mm，其主規(guī)格均在厚度值10倍以上。此種構造的殼分析可利用ANSYS workbench軟件完成，殼體可用Shelll81來模擬。提取各部件的中面，各薄板構件均用中面模型來代替。自動劃分網(wǎng)絡，100 mm為單元規(guī)格，具體見表3。

表3 網(wǎng)絡劃分參數(shù)信息表

2.4 基于靜水(冰)靜壓力作用的邊界條件

閘門不執(zhí)行開啟增強動作在結冰期處在常閉狀態(tài)，因此固定約束兩個支臂的最末端，即0是所有方向的自由度。兩側有泄控水閘門固定埋件及葉門底部當作約束及支撐，因此分別移位約束兩側及葉門底部。即Z向約束移位兩側，Y向約束移位底部。

考慮單元數(shù)量多，閘門體積大，假如建立一個模型對閘門及冰層的熱應力與構造靜力進行耦合順序分析，將大幅增加計算量。為了節(jié)省計算時間、提高計算效率，本研究在閘門上部1 m處施加的靜冰壓力0.118 MPa，并對閘門構造進行分析，由此達到減少計算量、提高運算率的目的。這時冰層的多參數(shù)具體見表4。

表4 基于0.118 MPa靜冰壓力的冰層參數(shù)表

閘門的荷載既要考慮靜水壓力，更要考慮靜冰壓力。水位表面至閘門的底部就是冰層底面，閘門葉門承受9 m左右的水頭釋放水壓。此荷載的實現(xiàn)完全借助于ANSYSWorkbench中的流體壓力施載功能。淡水密度就是流體密度。受閘門止水影響，流體在Y向上有重力加速率，但在X向上沒有加速率，因此9 800 mm/s2為流體在Y向的加速率，具體見圖3。

圖3案例閘門實體模型荷載和約束示意圖

3 閘門應力基于靜應力電測法的檢測實驗

3.1 閘門構造強(剛)度的模擬結果

閘門自身的剛度及強度直接決定其自身的靜冰壓力承載水平。

閘門厚度值6～25 mm，材質(zhì)為Q345鋼，參考《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》(SL 74-2013)整理出與容許應力相關的明細表，具體見表5。

表5 鋼Q345容許應力參數(shù)

考慮主梁整體彎曲應力及葉門長寬比影響，即便在彈塑性階段，葉門仍擁有相當大的強度儲備。此種現(xiàn)象可通過容許應力與調(diào)整常數(shù)之積來表達，公式如下：

σ≤1.1a[σ]

(1)

式中：a為彈塑性調(diào)整常數(shù)，本文中α取值1.5。

利用下式便可確定出葉門強度的正應力:

σ≤1.65[σ]=371.25 MPa

(2)

設計規(guī)范規(guī)定，0.95為中大型工程中的工作閘門的調(diào)整常數(shù)值，據(jù)此可計算出該閘門的各部件容許應力，具體見表6。

表6 基于調(diào)整常數(shù)0.95的案例閘門構件應力容許調(diào)整值

設計規(guī)范要求計算跨度及最大擾度需控制在評判數(shù)值以內(nèi)，由于本研究對象是典型的露頂式工作閘門，故將評判數(shù)值定義為1/600，即：

(3)

參考構造圖紙，經(jīng)一系列計算得知，13 200 mm為主梁的計算跨度值，式(3)中帶入此值，可計算出最大擾度≤22 mm，即可將容許擾度取值為22 mm。

根據(jù)強度方面的判定需求，閘門構造的彈塑性較高，所以第四強度理論更適用于抗彎、抗壓及抗拉方面的主應力，即畸變能理論，也被學術界人士命名為VonMises理論，其等效應力值σr4的表達式如下：

(4)

第一、第二、第三主應力關系，即式中的主應力σ1≥σ2≥σ3。因此，要基于第四強度理論確定出等效應力。在抗剪上，需計算出閘門的剪應力最大值。由理論定義進一步發(fā)現(xiàn)，等效應力就是最大剪應力，即1/2的應力強度。其等效應力σr3的表達式如下：

σr3=|σ1-σ3|

(5)

由此可求取出剪應力最大值，即：

(6)

在剛度上，主梁最大擾度是首要求解對象，即求取移位形變最大值。整體來看，可通過表7查詢出與模擬計算求解的所有內(nèi)容。

由表7可知，利用第四和第三強度理論，可分別計算出縱梁、主梁、葉門、支臂這四大承壓力部件的等效應力，計算成果見圖4。

表7 閘門基于剛(強)度的適用理論和模擬求解項

圖4 案例閘門強度模擬應力云狀態(tài)圖

0.118 MPa為靜冰壓力的理想取值，靜水壓力為高9 m水頭的自重壓力，固定約束支臂末端，限制移位約束葉門的底部和兩側。對圖4中進行梳理，分析結果見表8。

表8 案例閘門強度模擬分析結果

主梁總移位形變見圖5。

圖5中的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過轉(zhuǎn)化，結果見表9。

表9 案例閘門主梁剛度模擬結果

圖5 案例閘門主梁移位形變云狀態(tài)圖

將剛度與強度這兩項指標的模擬計算結果與設計規(guī)范標準進行比較后發(fā)現(xiàn)，1 m冰厚為閘門的最大承載力，0.118 MPa的靜冰壓力是在-17℃～-1℃溫度區(qū)間且持續(xù)6 h之后生成的值。另外，所有部件的剛度及強度均比較富裕。

3.2 模擬計算與檢測實驗結果比對分析

見表10-表12。

表10 案例閘門2012年度結冰期應力檢測實驗數(shù)據(jù) /MPa

表11 案例閘門2013年度結冰期應力實驗檢測數(shù)據(jù) /MPa

表12 案例閘門2014年度結冰期應力實驗檢測數(shù)據(jù) /MPa

由表10-表12數(shù)據(jù)分析得知，與其它日期相比，閘門所有部件在2013年3月15日的應力值更大一些。將本研究模擬計算的結果與該日應力檢測值進行比較，結果見表13。

表13 模擬計算與靜應力電測法檢測結果比對

參考誤差機理中有關常數(shù)的定義有：

(7)

式中：Dξη為數(shù)組η間與數(shù)組ξ的協(xié)方差；ρ為有關常數(shù)；σξ、ση為數(shù)組η、數(shù)組ξ的標準差。

有關常數(shù)計算公式(8)是通過展開式(7)生成的，即：

(8)

表13數(shù)據(jù)揭示，η為模擬值，ξ為應力檢測值，利用式(8)計算出有關常數(shù)，即ρ為0.86，說明是中度有關。導致偏差的原因：①在模擬計算時，由于各部件的對應測試點與探點取值不能準確匹配，形成取值偏差；②使用靜應力電測法時，由于風速、濕度、氣候等相關要素影響，無法保證檢測結果的可靠性。但結果演變態(tài)勢未表現(xiàn)出太大差異，說明這兩種方法是完全可行的。

4 結 語

本研究以模擬計算與實驗分析的方式，對基于靜水(冰)壓力的閘門構造靜力學進行分析，結論如下：①介紹了案例閘門構造，基于案例建立了閘門靜力模擬計算模型。②開展基于靜水(冰)壓力的閘門構造靜力模擬計算，并與基于靜應力電測法的實驗檢測結果進行比對分析。③經(jīng)計算和對比分析得知，0.86為模擬結果與實測值的有關常數(shù)，說明兩者中度有關，而且它們的演變態(tài)勢未出現(xiàn)太大差距，證實這兩種方法的可行性與可靠性。④經(jīng)計算和對比分析得知，案例閘門同時承受兩方面壓力，一是高度9 m水頭形成的靜水壓力力；二是0.118 MPa冰層形成的靜冰壓力，葉門、主梁、支臂及縱梁是閘門的主承壓部件，其等效應力值分別設置為200.63、154.51、134.4及138.54 MPa，最大剪應力分別設置為110.93、88.6、77.4及78.75 MPa。844 mm為主梁的移位形變最大值。其構造的強度與剛度達到規(guī)范要求。