弧形鋼閘門有限元分析及安全性評價(jià)

鄧 倫，王占華

（1.中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133；2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

某電站泄洪壩段共分為23 個(gè)土建壩段[1]，每壩段中部設(shè)置1 個(gè)深孔，每個(gè)孔道末端設(shè)置弧形工作閘門，孔口尺寸7 m×9 m，設(shè)計(jì)水位為175 m，從安裝至今，深孔弧形工作閘門長期服役超過20 年。鑒于深孔弧形鋼閘門所處干濕交替的環(huán)境，長期服役導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生低周疲勞等原因，閘門結(jié)構(gòu)的安全性會有所降低，為確保深孔弧形鋼閘門的安全穩(wěn)定運(yùn)行，某電站每年會根據(jù)《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測技術(shù)規(guī)程》[2]的要求，依據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]對弧形鋼閘門進(jìn)行在役安全性評價(jià)。

弧形閘門的安全性評價(jià)方法有原型觀測試驗(yàn)、水彈性模型試驗(yàn)、數(shù)值分析或三者結(jié)合的方法[4]。原型觀測試驗(yàn)是指在工程現(xiàn)場對工程及相關(guān)影響因素進(jìn)行的觀察、監(jiān)測和分析的活動[5]，但是由于工程條件的限制和原型觀測試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一[6]，部分弧形閘門無法開展原型觀測試驗(yàn)或者試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性存疑；水彈性模型試驗(yàn)法是通過建立水彈性模型來研究弧形閘門的動力特性參數(shù)[7]，但由于水彈性模型試驗(yàn)周期長、成本較高且往往所測節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少，至今還無法實(shí)現(xiàn)真正完全水彈性相似模擬試驗(yàn)[4]；數(shù)值分析法則按空間結(jié)構(gòu)體系建立弧形閘門有限元模型，不僅能充分體現(xiàn)出閘門較強(qiáng)的空間效應(yīng)，而且能準(zhǔn)確地計(jì)算出各構(gòu)件的內(nèi)力、應(yīng)力及變形[8]。文中采用有限元對某電站泄洪深孔弧形鋼閘門的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，依據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]對弧形鋼閘門進(jìn)行在役安全性評價(jià)，并將有限元結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)相對比，進(jìn)一步驗(yàn)證閘門的安全性。

1 分析模型

1.1 有限元模型及材料特性

根據(jù)深孔弧形工作閘門結(jié)構(gòu)圖紙，在SolidWorks軟件中建立閘門三維實(shí)體模型（圖1 所示），并將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 中，采用實(shí)體單元對閘門進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇4 節(jié)點(diǎn)四面體單元（Solid187 element)和8 節(jié)點(diǎn)六面體單元（Solid185 element)。網(wǎng)格劃分時(shí)，使用掃掠網(wǎng)格對幾何形狀規(guī)則的構(gòu)件進(jìn)行劃分，采用自動網(wǎng)格對幾何形狀復(fù)雜的構(gòu)件進(jìn)行劃分，如圖1 所示，共劃分單元150 642 個(gè)，節(jié)點(diǎn)310 302 個(gè)?；⌒喂ぷ鏖l門為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，閘門門葉及支腿主要結(jié)構(gòu)材料為Q345 鋼，彈性模量E=206 000 MPa，剪切模量G=79 000 MPa，泊松比μ=0.30，密度ρ=7.85×10-6kg/mm3，重力加速度g=9 800 mm/s2。

圖1 弧形鋼閘門幾何模型和網(wǎng)格劃分

1.2 有限元邊界條件的建立

擋水狀態(tài)即閘門正常關(guān)閉狀態(tài)下，設(shè)計(jì)水位為175 m，計(jì)算載荷主要考慮作用在閘門上的靜水壓力和閘門的自重，閘門動水啟閉工況下，設(shè)計(jì)水位為175 m，除考慮作用在閘門上的靜水壓力和閘門的自重，還需要考慮啟閉機(jī)的啟閉力4 000 kN。實(shí)際工程中弧形閘門在關(guān)閉擋水時(shí)，其面板底部在水壓力作用下相當(dāng)于直接與閘底板接觸，有限元分析時(shí)設(shè)置面板底部無摩擦約束；閘門支鉸處不允許有線位移，約束3 個(gè)方向的線位移和2 個(gè)方向的角位移，僅放松可繞支鉸轉(zhuǎn)動的角位移。

2 閘門強(qiáng)度和剛度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

某電站深孔弧形工作閘門建成于1999 年，工作時(shí)間22 年，參照《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]和《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測技術(shù)規(guī)程》[2]，時(shí)間系數(shù)取0.95，閘門調(diào)整系數(shù)取0.95，綜合許用應(yīng)力調(diào)整系數(shù)為0.95×0.95=0.9。閘門容許應(yīng)力如表1 所示。

表1 閘門調(diào)整容許應(yīng)力

3 分析結(jié)果及安全性評價(jià)

3.1 整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度

設(shè)計(jì)水位下，深孔弧形閘門全關(guān)時(shí)整體結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3 所示，閘門整體等效應(yīng)力絕大部分在165.08 MPa 以下，最大等效應(yīng)力為247.62 MPa，位于支腿與主梁連接的部位，其值小于材料的容許應(yīng)力310.5 MPa，閘門的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。閘門整體最大位移8.559 mm，位于閘門支腿支撐板處，閘門整體剛度滿足要求。

圖2 閘門整體應(yīng)力云圖

圖3 閘門整體變形云圖

3.2 面板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度

設(shè)計(jì)水位下，深孔弧形閘門全關(guān)時(shí)面板結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5 所示，面板絕大部分區(qū)域的等效應(yīng)力在84.63 MPa 以下，面板最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在面板中上部，達(dá)到94.99 MPa，小于材料的容許應(yīng)力310.5 MPa，面板的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。面板最大位移約為5.76 mm，處于面板頂部，面板的剛度滿足要求。

圖4 閘門面板應(yīng)力云圖

圖5 閘門面板位移云圖

3.3 支腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度

設(shè)計(jì)水位下，深孔弧形閘門全關(guān)時(shí)支腿結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7 所示，支腿絕大部分區(qū)域的等效應(yīng)力在192.61MPa 以下，其最大等效應(yīng)力為247.62 MPa，處于支臂與門葉連接處，小于容許應(yīng)力310.5 MPa，支腿強(qiáng)度滿足要求。支腿最大位移為8.59 mm，位于支腿支撐板處，支腿剛度滿足要求。

圖6 閘門支腿應(yīng)力云圖

圖7 閘門支腿位移云圖

3.4 主梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度

設(shè)計(jì)水位下，深孔弧形閘門全關(guān)時(shí)主梁結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9 所示，主梁結(jié)構(gòu)絕大部分區(qū)域的等效應(yīng)力在190.18 MPa 以下，最大等效應(yīng)力244.07 MPa，位于腹板與翼板連接處，小于容許應(yīng)力310.5 MPa，強(qiáng)度滿足要求。最大位移為3.63 mm，位于中部主梁跨中處，小于規(guī)范值9.19 mm，滿足剛度要求。

圖8 閘門主梁應(yīng)力云圖

圖9 閘門主梁位移云圖

3.5 縱梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度

設(shè)計(jì)水位下，深孔弧形閘門全關(guān)時(shí)縱梁結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果如圖10、圖11 所示，縱梁絕大部分區(qū)域的等效應(yīng)力在185.21 MPa 以下，最大等效應(yīng)力238.09 MPa，位于縱梁腹板與主梁連接位置，小于容許應(yīng)力310.5 MPa，縱梁強(qiáng)度滿足要求。縱梁最大位移5.36 mm，位于縱梁頂部，小于規(guī)范值15.64 mm，滿足剛度要求。

圖10 閘門縱梁應(yīng)力云圖

圖11 閘門縱梁位移云圖

4 有限元結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比

當(dāng)實(shí)際水位接近于設(shè)計(jì)水位時(shí)，采用無線動態(tài)應(yīng)變測試儀（儀器型號DH5908L），儀器不確定度＜0.5%±3 με，零點(diǎn)漂移2 με/h，測試采樣頻率200 Hz，靈敏系數(shù)2，在事故閘門擋水，工作閘門全關(guān)且門前無水的工況下，取應(yīng)力零位，待事故閘門與工作閘門之間充滿水平壓后，進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力測試。選取應(yīng)力測試點(diǎn)分別位于左上支臂翼板、右下支臂翼板、下主橫梁腹板和面板，布置測試點(diǎn)后的應(yīng)變力圖如圖12～圖17 所示。

圖12 下主橫梁腹板

圖13 右下支臂腹板

圖14 右下支臂翼板

圖15 左上支臂腹板

圖16 左上支臂翼板

圖17 面板

統(tǒng)計(jì)由實(shí)測點(diǎn)測得的靜應(yīng)力值與有限元計(jì)算的應(yīng)力值對比，如表2 所示。

表2 實(shí)測結(jié)果與有限元分析對比單位：MPa

由表2 可知，弧形鋼閘門在擋水時(shí)的所測6 個(gè)部位的實(shí)測應(yīng)力值均處于有限元的應(yīng)力分析計(jì)算的極限值范圍內(nèi)，結(jié)果驗(yàn)證了有限元分析計(jì)算的可靠性，對后期設(shè)備的安全評價(jià)及設(shè)備維護(hù)有一定的意義。

5 結(jié)論

采用有限元對弧形鋼閘門的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，依據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]對弧形鋼閘門進(jìn)行在役安全性評價(jià)，并將有限元結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)相對比，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)弧形工作門三維有限元分析計(jì)算結(jié)果表明，弧形工作門的強(qiáng)度和剛度滿足《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》對弧形閘門強(qiáng)度和剛度的校核要求；

（2）通過有限元方法計(jì)算得到的弧形閘門各結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布以及吊耳的應(yīng)力變形情況，有助于設(shè)備管理部門開展更具針對性的監(jiān)測，對后期設(shè)備維護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義；

（3）通過有限元法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比，驗(yàn)證了有限元仿真計(jì)算的可靠性，為鋼閘門安全評價(jià)提供了切實(shí)可行的分析方法，同時(shí)也對鋼閘門的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。