中小型平面鋼閘門設(shè)計參數(shù)影響程度研究

李建成

（中工武大設(shè)計研究有限公司，武漢430000）

0 引言

鋼閘門是由面板和位于其背部的梁系組成的擋水金屬結(jié)構(gòu)，在水利及交通運輸行業(yè)有著廣泛的用途。近些年來，在城市防洪排澇、農(nóng)田灌溉方面，低水頭中小型平面鋼閘門的應(yīng)用日益凸顯。這類閘門結(jié)構(gòu)簡單，型式靈活多變，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范未對其做出嚴(yán)格規(guī)定，設(shè)計人員在設(shè)計中秉持著“安全”角度，設(shè)計參數(shù)往往選擇偏于保守，造成閘門厚重、啟閉設(shè)備容量偏大，工程投資也相應(yīng)增加。

關(guān)于鋼閘門的研究有大量優(yōu)秀成果。在閘門布置與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，有關(guān)于閘門、啟閉機系統(tǒng)布置與受水柱影響門體受力特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究［1-3］；在閘門運行狀態(tài)分析方面，有在閘門啟閉、擋水過程中、在水流作用影響下“門-水”耦合系統(tǒng)振動模型試驗及其特性研究［4-7］；在閘門部件設(shè)計方面，有止水橡皮泄露量預(yù)測、運動副摩擦材料性能研究及工字型主梁解析計算［8-10］。

論文將借助有限元分析方法，以中小型平面鋼閘門為對象，從閘門整體機械性能和經(jīng)濟性能兩個方面，對設(shè)計參數(shù)影響程度進行量化，并通過實例計算評價其重要程度，為門體結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供新的思路。

1 設(shè)計參數(shù)影響分析

鋼閘門設(shè)計包括面板和梁系結(jié)構(gòu)計算，其中面板計算模型為四邊固定或鉸接的區(qū)格，主梁、垂直次梁、邊梁計算模型為兩端固定或鉸接的單跨或多跨梁，載荷根據(jù)實際情況進行等效分?jǐn)偂?/p>

影響鋼閘門機械性能的參數(shù)包括面板厚度、主梁高度、主梁布置、垂直次梁布置，各腹板、翼板、加強筋板的尺寸等等，除面板厚度、主梁高度、主梁布置外其他因素對閘門整體性能影響較小。

（1）面板厚度。面板是閘門的基礎(chǔ)構(gòu)件，也是水力直接作用部位。面板厚度的選擇合適與否對鋼閘門的性能影響效果明顯。一方面，面板越厚，面板的強度、剛度越好；另一方面，面板厚度增加將直接帶來閘門重量的增加，經(jīng)濟性能下降。

中小型平面鋼閘門所用板厚為12 mm 居多，并根據(jù)閘門設(shè)計水頭和運行條件適量增減。

（2）主梁高度。主梁計算模型可簡化為受均布載荷的簡支梁，主梁危險截面處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力、撓度均與主梁截面的慣性矩成反比，即與主梁高度的三次方成正比。主梁高度越大，其強度、剛度越好，但閘門重量增加。

此外，中小型閘門主梁多采用等截面布置形式，主梁高度變化還會引起門槽尺寸變化，進而影響門槽埋件及土建結(jié)構(gòu)設(shè)置。

（3）主梁布置。主梁是閘門梁系結(jié)構(gòu)的主要承載構(gòu)件，其布置型式直接影響門體應(yīng)力、變形的分布，主梁布置對閘門影響具體表現(xiàn)為：

①主梁的不同布置方式：等間距布置和等載荷布置。等間距布置方式優(yōu)點是布置簡單，易于實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，缺點是各主梁受載不均，沒有發(fā)揮上部主梁結(jié)構(gòu)的承載能力，設(shè)計成果經(jīng)濟性不強；等載荷布置方式優(yōu)點是各主梁等效作用載荷基本相同，充分利用了每根主梁結(jié)構(gòu)，缺點是布置相對復(fù)雜，不易于實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。

中小型平面鋼閘門為實現(xiàn)快速設(shè)計出圖，多采用等間距布置方式，論文也僅討論此種布置方式。

②主梁間距變化造成主梁數(shù)量的增減。當(dāng)主梁間距縮小一定程度后，其數(shù)量增加，各主梁分?jǐn)傋饔幂d荷減小，閘門強度、剛度相對提高；反之各主梁分?jǐn)傋饔幂d荷變大，閘門強度、剛度相對降低。

③主梁間距變化造成主梁數(shù)量的增減，同時會引起閘門重量變化，進而影響設(shè)計成果經(jīng)濟性。

2 參數(shù)影響程度量化指標(biāo)

2.1 量化指標(biāo)公式

為評價各參數(shù)（面板厚度、主梁高度、主梁間距）對中小型平面鋼閘門設(shè)計成果的影響程度，同時兼顧閘門的機械性能（強度和剛度）和經(jīng)濟性能（重量），現(xiàn)引入如下公式：

式中：λ為參數(shù)影響程度系數(shù)；σ%、f%、Q%為應(yīng)力、變形、重量變化百分比；z%為參數(shù)變化百分比；Δσ、Δf、ΔQ為應(yīng)力、變形、重量變化量，與Δz符號相反；Δz為參數(shù)變化量；為設(shè)計范圍中參數(shù)選值對應(yīng)應(yīng)力、變形、重量的均值；為設(shè)計范圍中參數(shù)選值的均值；λ1、λ2、λ3為參數(shù)影響程度權(quán)值。

2.2 關(guān)于量化指標(biāo)公式的探討與簡化。

（1）公式將各參數(shù)影響下閘門產(chǎn)生的應(yīng)力、變形及門體重量納入影響程度系數(shù)的量化指標(biāo)中，并借助設(shè)計范圍中參數(shù)變化率與量化指標(biāo)的變化率的加權(quán)總和的比值，來衡量參數(shù)影響程度。λ值越大，表明該參數(shù)對閘門影響程度越大，調(diào)整該參數(shù)值效果明顯，并應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮。

（2）強度、剛度、門體重量作為研究參數(shù)設(shè)計成效的考核點需同等對待（即λ1=λ2=λ3=1），其變化的敏感性最終反映在λ值的大小上，因此式（1）可簡化為式（2）：

3 基于ANSYS workbench 的閘門有限元模型

有限元分析方法在金屬結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)分析與建模具有廣泛應(yīng)用。中小型平面鋼閘門有限元分析與建模分為以下幾步：

（1）幾何模型建立。鋼閘門的門體結(jié)構(gòu)為焊接件。在建立幾何模型時，忽略門體次要結(jié)構(gòu)，例如工藝孔（泄水孔、螺栓孔）、加強筋等，重點表達面板、主梁、垂直次梁、邊梁的尺寸及位置關(guān)系。

（2）單元選擇及劃分。梁系結(jié)構(gòu)有限元分析中常用的單元有薄板單元、梁單元、正四面體單元，閘門有限元模型采用正四面體單元，該單元通用性好，適用性強。

在門體劃分單元時，焊接部位采取剛性處理，即不考慮板間的位移，也不考慮焊接缺陷影響。

（3）材料、載荷、邊界約束選擇。鋼閘門材料一般選擇為Q235 或Q355，其彈性模量2.0×1011Pa，泊松比0.3。作用于閘門上載荷主要包括靜水壓、重力等，應(yīng)根據(jù)設(shè)計工況組合確定。為保證閘門處于靜定或超靜定狀態(tài)，模型在3 個方向上施加約束，即在邊梁腹板，底主梁腹板，邊梁翼板上同時限制閘門位移。

（4）ANSYS workbench 平臺上應(yīng)用。ANSYS workbench 是ANSYS 的中插件，除具備有限元分析功能外，能夠?qū)崿F(xiàn)對分析項目的動態(tài)管理。借助ANSYS workbench平臺進行有限元計算時，按照幾何建模、材料選擇、單元劃分、施加載荷和約束、確定求解結(jié)果步驟進行。

4 實例計算及結(jié)果分析

本實例為某擋潮閘檢修門，孔口尺寸6.0 m×3.0 m，設(shè)計水頭2.7 m，是典型的中小型水利水電平面鋼閘門。其面板厚度12 mm，主梁等間距布置，間距為600 mm，主梁高度300 mm，垂直次梁間距1 040 mm，材料為Q235B。閘門抗彎應(yīng)力許用值［σ］為160 MPa，變形許用值［f］為閘門跨度的1/600，即10 mm。

（1）實例計算結(jié)果如圖1、2所示，其中圖1 為閘門按照第四強度理論得出應(yīng)力分布圖，去除非關(guān)鍵部位產(chǎn)生的集中應(yīng)力，其最大應(yīng)力為85.3 MPa，位置在閘門跨中底部；圖2為閘門變形分布圖，最大變形為0.93 mm，位置在閘門跨中底部。

圖1 應(yīng)力分布圖Fig.1 Stress distribution of the steel gate

圖2 變形分布圖Fig.2 Deformation distribution of the steel gate

（2）面板厚度、主梁高度、主梁間距的影響程度系數(shù)計算?，F(xiàn)以本實例中設(shè)計參數(shù)（將面板厚度、主梁高度、主梁間距）數(shù)值為基準(zhǔn)，抽取基準(zhǔn)附近變化數(shù)值點，即將：①面板厚度分為10、12、14 mm 三組；②主梁高度分為250、300、350 mm 三組；③主梁間距分為450 mm（6 根主梁）、600 mm（5 根主梁）、750 mm（4根主梁）三組。

每組參數(shù)各抽取一項數(shù)據(jù)進行工況組合，計算出閘門門體的強度（MPa）、變形（mm），并統(tǒng)計出門體總量（kg），并將計算結(jié)果匯總于表1～3。

表1 面板厚度10 mm統(tǒng)計表Tab.1 Statistics when the panel thickness is 10 mm

表2 面板厚度12 mm統(tǒng)計表Tab.2 Statistics when the panel thickness is 12 mm

表3 面板厚度14 mm統(tǒng)計表Tab.3 Statistics when the panel thickness is 14 mm

從表1～3可得出應(yīng)力均值為87.5 MPa，變形均值為1.0 mm，重量均值為5 259.1 kg，并按照式（1）計算出面板厚度的影響程度系數(shù)為-0.14，主梁高度的影響程度系數(shù)為2.66，主梁間距的影響程度系數(shù)為-0.59。

（1）在所列參數(shù)變動范圍內(nèi)，閘門面厚度為10 mm、主梁高度350 mm、主梁間距450 mm 時，外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力值最小為53.4 MPa；閘門面厚度為14 mm、主梁高度350 mm、主梁間距450 mm 時，外載荷產(chǎn)生的變形值最小為0.60 mm；閘門面厚度為10 mm、主梁高度250 mm、主梁間距750 mm 時，閘門門體重量最小為4 336.0 kg。

（2）從參數(shù)影響程度系數(shù)計算結(jié)果看出，主梁高度程度系數(shù)為正值，表示在一定范圍內(nèi)調(diào)整主梁高度，更容易優(yōu)化閘門機械性能和經(jīng)濟性；面板厚度、主梁間距程度系數(shù)為負(fù)值，表示在一定范圍內(nèi)調(diào)整面板厚度、主梁間距，并不容易改善閘門機械性能和經(jīng)濟性③參數(shù)影響程度系數(shù)：主梁高度?面板厚度?主梁間距，因此在閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化中應(yīng)采取以調(diào)節(jié)主梁高度為主，以調(diào)節(jié)面板厚度、主梁間距為輔的策略。

5 結(jié)論

針對中小型平面鋼閘門，在分析影響門體性能因素的基礎(chǔ)上，引入了影響程度系數(shù)量化指標(biāo)，并通過有限元分析方法，結(jié)合工程實例，得出面板厚度、主梁高度、主梁間距三個參數(shù)的影響程度系數(shù)值。具體結(jié)論如下：

（1）探討了多種設(shè)計參數(shù)（面板厚度、主梁高度、主梁布置、垂直次梁布置，各腹板、翼板、加強筋板的尺寸）對閘門機械性能及經(jīng)濟性的影響情況，分析認(rèn)為面板厚度、主梁高度、主梁間距是影響閘門性能的重要設(shè)計參數(shù)。

（2）在此基礎(chǔ)上，引入了影響程度量化指標(biāo)，指標(biāo)公式將不同參數(shù)變化下應(yīng)力、變形、重量的變化情況納入考慮范圍，是機械性能和經(jīng)濟性能的綜合量化方式。

（3）基于有限元分析方法，借助ANSYS workbench 平臺，建立了中小型閘門的有限元模型，并從幾何尺寸、單元選擇、材料選擇、載荷及約束等方面對模型進行了描述。

（4）通過實例設(shè)計了包含面板厚度、主梁高度、主梁間距三組參數(shù)值多個工況組合，并計算出了參數(shù)影響程度系數(shù)：主梁高度>面板厚度>主梁間距，并提出了以調(diào)節(jié)主梁高度為主的閘門設(shè)計優(yōu)化策略?！?/p>