跨流域不間斷輸水工程的閘門應(yīng)力檢測方法優(yōu)化

摘 要：南水北調(diào)工程某控制閘的工作閘門運行多年，受結(jié)構(gòu)變形、損傷、銹蝕等因素影響，閘門運行的可靠性降低。對閘門進行安全檢測，特別是應(yīng)力檢測，是了解其安全性能的有效手段。針對跨流域不間斷輸水閘門應(yīng)力檢測工況很難接近設(shè)計工況的現(xiàn)狀，在檢測工況下利用ANSYS有限元法對弧門進行加載受力分析，對比模擬計算成果及實測結(jié)果，驗證有限元模型的計算可靠性，進而通過ANSYS有限元法分析設(shè)計工況下的結(jié)構(gòu)受力狀況，全面校核閘門安全性能。

關(guān)鍵詞：閘門;應(yīng)力檢測;有限元法;電測法;安全性能

中圖分類號：TV663.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）32-0057-05

Optimization of Gate Stress Detection Method for Cross-basin Uninterrupted Water Delivery Project

WANG Jiang

（Shanghai Investigation， Design & Research Institute Co.，Ltd.， Shanghai 200434）

Abstract： The working gate of a control gate of the South-to-North Water Diversion Project has been in operation for many years， affected by structural deformation， damage， rust and other factors， the reliability of the gate operation is reduced， and the safety inspection of the gate， especially the stress inspection， is an effective means to understand its safety state. Aiming at the current situation that the stress detection condition of the continuous water delivery gate across the river basin is difficult to approach the design condition， this paper uses ANSYS finite element method to analyze the loading force of the radial gate under the detection condition， and compares the simulation calculation results and the actual measurement results to verify the calculation reliability of the finite element model， then uses ANSYS finite element method to analyze the structural force status under design conditions and comprehensively check the safety performance of the gate.

Keywords： gate;stress detection;finite element method;electrical measurement method;safety performance

由于天然降水時空分布不均衡，不同地區(qū)水資源差異較大。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，跨流域調(diào)水工程規(guī)模不斷增大，技術(shù)日趨成熟。我國大型的跨流域調(diào)水工程包括南水北調(diào)、引黃濟青、引灤入津、引黃入晉及紅旗渠等。國外著名的工程有澳大利亞的東水西調(diào)、美國西部的北水南調(diào)等[1]。水工鋼閘門廣泛應(yīng)用于跨流域調(diào)水工程，是控制工程引水流量的關(guān)鍵水利設(shè)備。閘門安全穩(wěn)定運行對渠道流態(tài)控制和上下游渠道結(jié)構(gòu)安全起到了至關(guān)重要的作用[2]。根據(jù)《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術(shù)規(guī)程》（SL 101—2014）[3]，對閘門進行應(yīng)力檢測是了解閘門安全性態(tài)的有效手段。目前，對閘門進行應(yīng)力測試及有限元仿真分析已有大量的研究[4-7]，為閘門安全穩(wěn)定運行提供了寶貴經(jīng)驗，而對于跨流域不間斷輸水工程閘門應(yīng)力檢測工況很難接近設(shè)計工況的檢測及分析較少，尋找合適的優(yōu)化替代解決方案有待深入研究。本文以南水北調(diào)工程某控制閘為例，根據(jù)實際檢測工況進行電測法和有限元法對比分析，并利用模型推算設(shè)計工況下的閘門受力狀況，校核閘門整體安全性，有效解決了運行安全與檢測工況需求矛盾的現(xiàn)狀，為今后類似工程提供了參考。

1 概況

南水北調(diào)工程某控制閘工作閘門孔口尺寸為7.0 m×8.0 m（寬×高），閘門主要構(gòu)件材料為Q345B鋼，弧門面板曲率半徑為11.0 m，閘門啟閉水頭為7.679 m，閘門結(jié)構(gòu)如圖1所示，閘門啟閉設(shè)備為QHLY2×320 kN-4.412 m液壓啟閉機。

2 電測法

電測法通過固定在被測結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變片獲取電信號。為采集較好的測試信號，電測法采用硅橡膠進行密封處理，以保證絕緣度良好。檢測數(shù)據(jù)利用屏蔽導線傳遞至檢測系統(tǒng)。

2.1 測點布置

閘門結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力檢測根據(jù)弧形工作閘門的受力特點布設(shè)采集點，應(yīng)力采集點主要分布于閘門的橫梁、支臂、面板及縱梁等部位。本次共設(shè)置22個采集點，單向采集點18個，三向采集點4個，共30個數(shù)據(jù)。應(yīng)力采集點位如圖2所示。

2.2 檢測工況

閘門上下游水頭為6.91 m，閘門完全開啟且處于鎖定狀態(tài)時，各參數(shù)清零。在閘門完全落底后，采集相對靜應(yīng)力值，完成三次靜應(yīng)力數(shù)據(jù)采集。

2.3 靜應(yīng)力檢測結(jié)果

2.3.1 檢測數(shù)據(jù)處理。根據(jù)單向應(yīng)力狀態(tài)的胡克定律，可得測點應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：

三向測點應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：

式中：σ、σ為分別為x、y方向的應(yīng)力（x、y方向分別與ε、ε方向一致）;τ為與x軸夾角45°方向的應(yīng)力;E為鋼材的彈性模量，取2.06×10 MPa;μ為鋼材的泊松比，取0.30;ε、ε、ε分別為三向測點的應(yīng)變。

三向測點的折算應(yīng)力σ按式（5）計算。

2.3.2 電測法檢測結(jié)果。靜應(yīng)力檢測進行3次，各檢測數(shù)據(jù)相差不超過10%，取3次測量最大值作為弧形閘門靜應(yīng)力的最終檢測結(jié)果。測點1至測點9的實測最大相對應(yīng)力值分別為25.75 MPa、-16.78 MPa、22.96 MPa、-26.36 MPa、4.68 MPa、-22.03 MPa、-17.17 MPa、-18.38 MPa和14.83 MPa（單向測點應(yīng)力正值為拉，負值為壓，下同），測點10數(shù)據(jù)丟失，測點11至測點18的實測最大相對應(yīng)力值分別為-17.82 MPa、-7.74 MPa、-21.12 MPa、-16.78 MPa、-1.74 MPa、-13.00 MPa、-18.23 MPa和-13.79 MPa。另外：測點19、20、21的三向測點數(shù)據(jù)丟失;測點22、23、24的三向測點折算應(yīng)力為17.8 MPa;測點25、26、27的三向測點折算應(yīng)力為22.8 MPa;測點28、29、30的三向測點折算應(yīng)力為19.6 MPa。

3 有限元法

3.1 計算模型及參數(shù)

3.1.1 模型建立及導入。水工閘門為典型的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系，由板、殼、梁、桿等構(gòu)件組合而成[8]。分析弧形閘門的整體結(jié)構(gòu)分布及受力特點，將其面板、橫梁、縱梁、邊梁、支臂、豎桿離散為板單元，支鉸簡化為塊體單元。依據(jù)提供的閘門圖紙及現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，在Pro/E軟件中建立三維模型。Pro/E模型以step格式導入ANSYS軟件，如圖3所示。

3.1.2 單元體選擇。采用三維實體有限元模型對閘門進行仿真分析，使用solid45單元體，優(yōu)點是模型細節(jié)體現(xiàn)較好。通過網(wǎng)格剖分，共劃分成56 612個單元。

3.1.3 結(jié)構(gòu)尺寸及材料特性。結(jié)構(gòu)尺寸按設(shè)計圖紙及銹蝕后實測數(shù)據(jù)取用。鑒于工作閘門運行狀況，折減系數(shù)取0.95。對于Q345B碳素鋼，其許用應(yīng)力為213.75 MPa（厚度≤40 mm）;對于Q235碳素鋼，其許用應(yīng)力為152 MPa（厚度≤16 mm）、142.5 MPa（厚度介于16～40 mm）;對于ZG310-570支鉸材料，其許用應(yīng)力為128.25 MPa（厚度≤100 mm）。彈性模量、泊松比按照小節(jié)2.3.1數(shù)值取用。

3.1.4 約束處理。閘門底梁受到底檻鉛垂向上的豎向約束，支臂的支鉸受鉸約束。具體約束施加位置如圖4所示。

3.1.5 荷載確定和施加。閘門應(yīng)力校核時主要考慮水壓力及閘門自重，模擬分析時加載水頭為6.92 m。具體載荷加載方式如圖5所示。

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果

限于篇幅，此處僅給出面板、主梁、縱梁、支臂及支鉸的應(yīng)力分布云圖，主要構(gòu)件當量應(yīng)力分布如圖6至圖8所示。面板當量應(yīng)力極大值為23.8 MPa，分布于面板與小橫梁之間的縱梁連接處。主橫梁包括前、后翼緣及腹板，腹板主要受彎應(yīng)力及剪應(yīng)力作用，后翼緣主要受彎應(yīng)力作用，上、下主橫梁當量應(yīng)力極大值分別為87.3 MPa、85.2 MPa。縱梁腹板當量應(yīng)力極大值為157.5 MPa，邊梁前翼緣板當量應(yīng)力極大值為69.8 MPa。上、下支臂當量應(yīng)力極大值為78.6 MPa，支鉸當量應(yīng)力極大值為34.5 MPa。

4 檢測方法及結(jié)果分析

4.1 電測法和有限元法

電測法是根據(jù)閘門的結(jié)構(gòu)形式、受力特點，在閘門主要受力構(gòu)件應(yīng)力相對較大的部位布置測點進行實際水位下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測。對于跨流域不間斷輸水工程，閘門調(diào)度難度大，檢測水頭受季節(jié)性水位需求影響，應(yīng)力檢測工況選擇余地小，更是難以接近設(shè)計工況。因而，受檢測方法及檢測條件的約束，結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力檢測只能了解特定水位下閘門主要構(gòu)件測點表面處的應(yīng)力狀況，而不能對閘門設(shè)計工況下構(gòu)件的整體應(yīng)力分布狀況進行全面測量。對于這種跨流域不間斷輸水工程，僅僅采用電測法檢測數(shù)據(jù)無法對閘門整體進行安全評估。

有限元法能夠全面了解閘門的受力情況，檢測成果更為直觀、清晰。但有限元法受網(wǎng)格劃分、邊界條件、約束條件及加載方式的影響，計算結(jié)果會存在一定誤差，因此需要對計算模型進行校核及對比驗證，檢查模型的優(yōu)劣。有限元法計算結(jié)果和電測法檢測結(jié)果進行相互比較與驗證分析，能夠佐證有限元模型的優(yōu)劣，進而提高任意水頭下閘門應(yīng)力推算的可靠性。

4.2 電測法與有限元法成果對比

應(yīng)力測試時，閘門處于完全開啟和鎖定狀態(tài)，各參數(shù)清零，但有限元計算的數(shù)值為該閘門在檢測工況下的絕對應(yīng)力。為了消除兩項結(jié)果的相對差，在有限元計算中將模型工況設(shè)置為鎖定狀態(tài)，標定為零點，并記錄零點狀態(tài)下的應(yīng)力值，換算出檢測工況下靜應(yīng)力計算值。

根據(jù)測試水位下閘門結(jié)構(gòu)有限元計算所得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力等值線云圖，可得到對應(yīng)實測點位置的應(yīng)力值，并將該測點的計算應(yīng)力值與實測應(yīng)力值進行比較。這里對三向應(yīng)力（測點編號見圖2）的實測應(yīng)力值和有限元計算應(yīng)力計算值進行比較分析。由圖9可知，實測值與計算值存在1.4%～8.9%的誤差，表明電測法及有限元法是閘門應(yīng)力檢測的有效方法，且有限元模型在結(jié)構(gòu)尺寸選取、邊界設(shè)置、網(wǎng)格剖分及加載設(shè)置等方面設(shè)置合理，說明利用該模型進行設(shè)計工況下的應(yīng)力推算具有較高的可靠度。

5 設(shè)計工況下閘門靜應(yīng)力校核

運用ANSYS有限元軟件對設(shè)計水頭7.679 m下的弧形閘門進行靜應(yīng)力分析，應(yīng)力當量云圖如圖10至圖12所示，設(shè)計水頭下工作閘門應(yīng)力統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。根據(jù)云圖及統(tǒng)計結(jié)果可知，弧形工作主要結(jié)構(gòu)部位的仿真應(yīng)力均小于規(guī)范對強度的許用應(yīng)力要求，結(jié)構(gòu)整體安全。

6 結(jié)語

鋼閘門是輸水調(diào)度的重要結(jié)構(gòu)。對長期服役、頻繁調(diào)度、銹蝕明顯、異常卡阻的閘門來說，進行安全檢測特別是應(yīng)力校核，是了解其服役狀態(tài)的有效手段。針對跨流域不間斷調(diào)水工程應(yīng)力測試時水位調(diào)度難度大，現(xiàn)場檢測工況無法達到設(shè)計或校核工況的閘門，對比檢測工況下電測法及有限元法的相應(yīng)成果，并利用模型推算任意工況下閘門受力狀況，校核閘門整體安全性能，是評判閘門整體安全的有效手段。應(yīng)力檢測中進行電測法與有限元法成果比較分析時，為消除兩項結(jié)果的相對差，結(jié)構(gòu)尺寸需要按設(shè)計圖紙及銹蝕后實測數(shù)據(jù)取用，在相同狀態(tài)下對閘門進行零點標定。

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