閘門槽頂蓋螺栓群連接強度校核研究

靳 康，程 盼，許 闖

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450000)

1 概述

螺栓群連接作為一種可靠且快速的連接方式廣泛應用于鋼結構中。保證螺栓群中各螺栓的強度本質上就是保證鋼結構的連接強度和穩定性。然而在實際工程中，螺栓群的布置形式復雜多樣，往往導致群內不同位置螺栓受力大小和形式均有較大差別，在遭遇危險工況時可能發生局部螺栓連接失效進而引發螺栓群整體失效的情況[1]。因此，在對螺栓群進行校核時不能只關注整體，還需要了解群內單個螺栓的受力情況。為了能夠評估結構內所有螺栓的安全性，論文以潛孔水利閘門的門槽頂蓋的螺栓群為研究對象，介紹在危險工況下螺栓連接強度的簡化計算方法[2- 3]。

2 問題分析

2.1 問題描述

某水庫潛孔平面滑動閘門由液壓啟閉機驅動完成啟門或閉門操作。液壓啟閉安裝在閘門槽正上方的頂蓋上。頂蓋由多塊鋼板焊接而成，其底緣鋼板邊緣一周開有52個螺栓孔。頂蓋與門槽金屬結構之間通過螺栓群相連，且接縫處作密封防水處理。由于水庫蓄水位遠高于頂蓋高程，當閘門全關擋水時，水會充滿門槽，并使頂蓋受到方向向上的水壓。蓄水位越高，頂蓋所受水壓越大，進而導致螺栓受力越大。因此需要在最高水位工況(即處于設計水頭時)對頂蓋連接螺栓的強度進行校核，保證結構安全性。

2.2 工況分析

門槽頂蓋為鋼板焊接結構，主要結構材料為Q345B，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，質量密度取7850kg/m3。閘門主要參數特性表見表1。

表1 閘門主要參數特性表

分析頂蓋不同工況下的受力情況，最終確定頂蓋螺栓所處最危險工況為：水位達到設計水頭100m，閘門全關，此時門槽內充水，頂蓋底緣受到垂直向上的水壓。

(1)水壓載荷：水壓力作用在底蓋底緣鋼板面上，按下式計算：

p=ρgh

式中，p—水壓,MPa;ρ—水體密度，取1000kg/m3；g—重力加速度，取9.8m/s2；h—蓄水位與頂蓋底緣高程差，通過計算為84.85m。

(2)其他載荷：啟閉機自重，15t；頂蓋自身重力，以重力加速度方式加載；進人孔蓋的重量，401kg。

3 有限元模型簡化

綜合考慮效率和計算精度，采用通用三維建模軟件建立頂蓋的實體模型，再導入有限元分析軟件進行網格劃分得到頂蓋的有限元模型[4]。考慮到如果在頂蓋模型上開孔并裝配螺栓進行有限元分析將使模型零件數量、接觸面數量大增，直接導致計算量成倍增加，并且螺栓孔附近極易出現應力集中現象干擾最終結果判斷[5]，因此基于等效思維的方法將頂蓋與螺栓分開進行計算。具體方法如下。

(1)對頂蓋螺栓群進行編號，如圖1所示(共計52個)

圖1 頂蓋螺栓位置編號(圖為頂蓋仰視圖)

(2)利用有限元軟件對頂蓋底緣鋼板面進行面切分[6]，留出所有螺栓軸線和底緣鋼板面的交點。之后劃分網格得到有限元模型(共生成30391個單元，217549個節點)，如圖2所示。

圖2 頂蓋劃分后的有限元模型

(2)約束頂蓋底面座圈，對頂蓋進行一次有限元計算，得到頂蓋分析結果并依據復核評判方法[7]進行結果分析(文章重點為螺栓強度校核，頂蓋分析結果不再贅述)。

(3)再將步驟(2)中所留交點設置為施加固定約束的點，等效代替螺栓群的錨固作用，進行第二次有限元計算如圖3所示。

圖3 頂蓋螺栓位置固定約束

第一次計算后可得到頂蓋的分析結果，不受螺栓及開孔的影響(文章研究目標是螺栓，頂蓋分析結果不再贅述)；第二次計算目的是提取所有約束點的支反力，將其近似作為各螺栓的實際受力，此時不關注其他計算結果。

4 結果處理分析

計算后提取各約束點支反力數據匯總見表2。

表2 工況一各螺栓支反力情況匯總

(續表)

將表2數據繪制成折線如圖4所示。從圖中可以看出，X向的力(絕對值)相比其余兩個方向小得多，因此主要考慮Y、Z兩向的受力。通過比較發現編號22的螺栓同時在Y、Z兩個方向受力都為最大值(編號38為編號22的對稱位置，此處支反力略小于編號22)。同時對比實際圖紙中螺栓分布情況來看，編號22的螺栓與其相鄰螺栓距離較遠，受力大符合預期。因此最終選取編號22的螺栓進行強度校核。

圖4 各螺栓位置點沿X、Y、Z向支反力曲線圖

編號22螺栓三向支反力分別為13060N(X向)，-319630N(Y向)，220570N(Z向)，總支反力為388570N。螺栓為符合GB 897—88標準的M48型號，性能等級5.6，查GB 50017—2003《鋼結構設計規范》確定螺栓強度標準，并取安全系數為1.3，則其許用應力情況見表3。

表3 性能等級5.6的螺栓許用應力*

查GB/T 16823.1—1997確定M48螺栓有效截面積為1470mm2，則螺栓實際拉應力為：

螺栓實際剪應力為：

=150.31MPa<161.5MPa=[τ]

式中，σb—拉應力，N;τ—剪應力，N;FY—Y向受力，N;FX+Z—X、Z兩向合力，N;A—螺栓有效截面積，mm2。

綜上，螺栓在閘門關閉且為設計水頭工況下滿足使用要求。

5 結語

通過使用有限元方法對頂蓋螺栓群的分析計算，找到了綜合受力最大的螺栓的安裝位置，并對此螺栓強度進行了校核。結果表明螺栓滿足使用要求，從而保證了結構在特殊工況下的使用安全性。

本文以頂蓋螺栓群分析為例提出了一種快速完成螺栓群校核的方法。此方法能夠幫助確定螺栓群中易出現失效的螺栓位置，指導工程維護人員進行有針對性的維護檢修工作。然而，對于簡化模型與實際結構的偏差所造成的計算結果誤差是否會影響到校核結果，文章并未進行研究，未來仍需要進行深入探討。