短支臂下臥式空箱弧形閘門應力分析方法研究

夏鶴鵬 顏紅勤 蔣紅櫻 吳新民 于正委

（1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司 南京 210029 2.連云港市水利規劃設計院有限公司連云港 222000）

1 引言

水利工程弧形閘門設計過程中，閘門主梁設計的計算方法通常是根據《水利水電工程鋼閘門設計規范》（以下簡稱《規范》）按平面簡化計算方法。此次以某短支臂下沉式空箱弧形閘門為研究對象，采用《規范》的常規計算方法、局部框架式計算方法和整體框架計算方法與三維有限元計算方法進行對比分析。比較分析三種平面假設計算結果與三維數值模擬計算結果，為短支臂下沉式空箱弧形閘門前期的設計計算方法提供參考。

2 工程簡介

某短支臂下臥式空箱弧形閘門位于江蘇省連云港市。該工程具有擋潮、排澇、蓄淡、通航等功能。該水閘閘門總寬度19.90m，門高7.45m，弧面半徑5.25m。由于內部港池運行需要，該閘通航凈寬18.0m，通航凈空10.0m。該閘設計排澇流量為28.3m3/s。閘底板高程-2.00m，閘門采用短支臂下臥式空箱弧形鋼閘門，閘門主體為“Π”型框架結構，門葉采用空箱式弓形結構，內部布置6 道橫隔板，15 道縱隔板。橫隔板沿弧形面板等間距布置，橫隔板中心線與弧形面板法線方向一致，中部縱隔板等間距布置，兩端各兩塊縱隔板結合支臂腹板布置。橫隔板之間設置小橫梁，橫隔板、縱隔板和小橫梁等高連接。支臂為變截面箱形結構，6 道縱隔板放射形布置，其中心線與門葉橫隔板對應。

3 平面簡化計算方法

由于該閘門門葉為弓形箱式結構，各主梁腹板高度不一致，采用常規計算方法分析主梁內力存在較大誤差。為探索此類閘門簡便計算方法，設計了三種不同計算方法：（1）方法一將6 道主梁全部按工字型斷面計算。（2）方法二將1、2 道主橫梁及5、6 道主橫梁分別組合成箱梁進行計算，即將閘門拆分為4 榀主橫梁式框架，頂部與底部兩榀框架主橫梁采用橫隔板與前后面板圍成的箱形斷面，中部兩榀框架主梁采用工字型斷面，支臂采用平均截面。（3）方法三考慮到門葉與支臂均為閉合箱型結構，將閘門整體作為平面框架結構進行結構分析。

3.1 荷載與內力計算

3.1.1 計算方法一

由于弓形斷面門葉的每塊橫隔板高度均不等，支臂亦為變斷面結構，為便于分析閘門內力，作如下假定：門葉自上而下，大小共設有6 道主橫梁，考慮到上部與底部4 塊橫隔板高度較小，計算方法一是按常規方式，6 道主梁全部按工字型斷面計算，方法一閘門主框架荷載表見表1。

表1中只列出各框架在不同水位組合下荷載的最大值，鑒于框架受力荷載情況，又由于主梁斷面不同，取4、5、6 號框架進行內力分析。

表1 閘門主框架荷載表（方法一）

經計算：4 號框架面板折算應力為54.33MPa，5 號框架面板折算應力為58.56MPa，6 號框架面板折算應力為96.54MPa。4 號框架支臂折算應力為47.73MPa，5 號框架支臂折算應力為80.68MPa，6號支臂面板折算應力為194.36MPa。

3.1.2 計算方法二

計算方法二是將1、2 道主橫梁及5、6 道主橫梁分別組合成箱梁進行計算，即將閘門拆分為4 榀主橫梁式框架，頂部與底部兩榀框架主橫梁采用橫隔板與前后面板圍成的箱形斷面，中部兩榀框架主梁采用工字型斷面，支臂采用平均截面。方法二閘門主框架荷載表見表2。

表2中只列出各框架在不同水位組合下荷載的最大值，鑒于框架受力差異和主梁斷面不同，取3、4 號框架進行內力分析。

表2 閘門主框架荷載表（方法二）

經計算，3 號框架面板折算應力為54.33MPa，4 號框架面板折算應力為69.75MPa。3 號框架支臂折算應力為47.73MPa，4 號框架支臂折算應力為112.30MPa。

3.1.3 計算方法三

該方法是將整扇閘門門葉和整個支臂作為平面框架結構進行結構分析。將閘門總水壓力除閘門孔口寬即為閘門線荷載，考慮水壓力荷載下大上小，計算應力時線荷載另乘偏載擴大系數（擴大系數近似按門葉箱梁幾何中心到門底豎直距離與水壓力合力作用線到門底豎直距離的比值）。不同水位條件下框架線荷載見表3。

以表3中列出閘門在不同水位組合下荷載的最大值，鑒于閘門受力荷載情況，取最大荷載290.9kN/m，進行框架內力分析。

表3 閘門不同水位條件下主框架荷載表

經計算，框架面板折算應力為74.12MPa，框架支臂折算應力為139.198MPa。

3.2 閘門主梁應力強度檢驗

本工程閘門承載結構的鋼材采用Q345B，閘門材料厚度＞16～40mm，屬第2 組，閘門為工作閘門，又為新型結構，取調整系數為0.9，故鋼材的容許應力為：

〔σ〕＝0.9×225 ＝202.5N/mm2

〔τ〕＝0.9×135 ＝121.5N/mm2

（1N/mm2=1MPa）

根據水利水電工程鋼閘門設計規范，驗算面板折算應力，折算應力結果見表4。

表4 平面應力三種計算方法閘門面板及支臂折算應力表

經計算復核，方法一、方法二、方法三閘門面板、支臂的正應力、剪應力均小于容許應力，折算應力均小于1.1 倍容許應力。

4 三維有限元計算方法

4.1 閘門三維模型構建

根據短支臂下沉式空箱弧形閘門結構圖，構建短支臂下沉式空箱弧形閘門的三維計算模型，根據實際使用材料定義閘門模型材料為Q345B 低碳合金鋼，其彈性模量為2.06×1011Pa，密度為7820kg/m3，泊松比為0.3。門體面板、梁系、支臂及連接部分為薄壁結構采用SHELL181 單元，門體邊梁外側為實體單元采用SOLID95 單元。整個模型總單元數量為258850 個。依據實際情況，支臂兩側中間軸設置位移、徑向和軸向約束，固定栓孔設置固定約束。同時對模型施加載荷，載荷包括閘門自重、兩側靜水壓力（正向3.00m/-2.00m；反向1.50m/3.96m）、浮力。

4.2 模型閘門應力分析

在正向設計水位（內側3.00m/外側-2.00m）工況下，由圖1結構應力云圖可以看出，主梁框架結構的最大等效應力為71.17MPa，支臂結構的最大等效應力為101.29MPa，分別發生在弧形閘門面板底部和直臂結構的約束固定栓位置附近。

圖1 正向工況（3.0m/-2.0m）閘門結構應力云圖

在反向設計水位（內側1.50m/外側3.96m）工況下，由圖2結構應力云圖可以看出，主梁框架結構的最大等效應力為71.17MPa，支臂結構的最大等效應力為61.517MPa，分別發生在弧形閘門面板頂部和直臂結構的約束固定栓位置附近。

圖2 反向工況（1.50m/3.96m）閘門結構應力云圖

5 平面計算法與有限元計算法結果對比

根據結構平面應力計算方法一、二、三和三維有限元計算方法成果，閘門在正向設計水位時底部主梁受力最大，閘門應力分析成果見表5。

表5 不同應力分析方法計算成果比較表

進一步分析結構平面應力分析方法可以得出：

（1）方法一應力分析時將閘門葉拆分為6榀“Π”形框架，并選取線荷載最大的6 號框架為計算對象，結構計算忽略了各框架之間的相互作用。致使支臂的計算應力值幾乎是有限元分析法計算成果的兩倍，主梁的應力計算成果也存在較大偏差。

（2）方法二為減小拆分對計算成果的影響，將方法一下部的兩榀框架組合成一個主梁與臂桿均為箱型斷面的框架進行結構應力分析，計算斷面接近于相應部位有限元計算的斷面，其應力分析成果與有限元整體應力分析的計算成果比較接近。

（3）方法三采用整體分析法，將閘門作為一榀框架進行結構應力分析，此時框架主梁不僅承受彎矩，還承受由荷載偏心形成的扭矩，該扭矩使弓形門葉在橫斷面上產生剪應力，整體應力分析時沒有分析扭矩形成的剪應力，而是在計算線載荷時乘以一個擴大系數，致使閘門應力分析成果產生較大誤差。其主梁的最大應力值與有限元分析法主梁的最大值偏差為4.15%，支臂的最大應力值偏差為37.43%。

6 結論

（1）短支臂下臥式空箱弧形閘門門葉為弓形結構，支臂為封閉箱形結構，內部均設縱橫隔板，結構復雜，簡單計算難以準確分析結構內力，有限元整體應力分析通過數學近似的方法，能較準確地反映閘門受力狀態，是這種類型閘門結構應力分析的首選方法。

（2）平面結構應力分析方法一與方法三的計算結果均存在較大誤差，不推薦使用該類方法進行閘門結構應力分析。

（3）平面結構應力分析方法二的計算結果存在較小偏差，可用于該類閘門結構尺寸擬定和進行平面結構應力分析的簡化方法■