弧形鋼閘門主梁翼緣寬厚比設計對靜力與流場穩定性影響研究

李蘊升，莊偉棟

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225000)

1 概述

泵閘工程中包括有多種水工設施[1-2]，各水工設施既有獨立運營，亦有協同工作，每一個水利結構“抱病”運營，對整個樞紐工程的運營效率均是損害。研究水利結構設計，不能僅僅研究水工建筑獨立體系中安全穩定性，同樣需要分析水工設計對整體樞紐運營狀態的影響[3-4]，綜合評價結構設計利弊性。物理模型試驗乃是一種解決實際工程設計的室內研究方法，秦海杰[5]、謝先坤[6]、王蓓[7]基于原型工程設計下模型試驗結果，分析不同方案中閘門、消能池等水利結構設計方案優劣性，從而為工程建設提供參照。針對于閘門這種水利結構，也可以采用三維流場計算方法[8-10]，評價閘門在運營工況中其流速、時均壓強等水力特征，分析不同流量、不同開度下閘門運營安全可靠性，極大豐富了閘門設計研究成果。與之相對應，李炳陽等[11]、龐敏敏[12]采用了ANSYS、Abaqus等計算仿真方法，分析了閘門或水閘等水工建筑有限元模型的應力、位移特征，為結構體系靜力荷載下安全運營評價提供依據。本文基于淮安二站泵閘樞紐工程改造下弧形鋼閘門設計優化，采用COMSOL與Flow 3D聯合計算方法，綜合分析了閘門設計參數對結構應力、位移及流場特征影響，為工程最優化設計提供參考。

2 閘門設計仿真

2.1 工程概況

淮安二站是南水北調中線工程淮安水利樞紐的重要組成部分，承擔著運河、淮河干流及各大中小型支流的水利調度、防洪排澇及灌溉等水利功能，在農業灌溉保證率為95%的情況下年可提供輸水量達300 m3/s，同時控制下游白馬湖、洪澤湖等調節水庫水位，各梯級水庫水位從30 m至10 m過渡，減少上游輸水引起的水力勢能過大，如洪澤湖蓄水期湖底水位穩定在10 m左右，蓄水位為3 m?；窗捕咀鳛榧谜尽⑤斔O施、控水設施等綜合水利功能為一體的樞紐工程，其控制流域面積超過300 km2，裝機規模達240 m3/s，設計流量為150 m3/s。根據對淮安二站工程調查得知，該泵閘綜合樞紐在輸水期前池水位控制在5.2～5.35 m，最大限位為6.5 m，站上設計水位為9.13 m，最高水位為9.58 m，而站下設計水位與最高水位分別為5.23 m、6.5 m，作為輸供水樞紐的一部分，二站供水期調水流量為120 m3/s。泵站所在主廠房尺寸為26.6 m×22.7 m×38.9 m，采用豎井式進水通道設計，其貫流泵裝置三維體態如圖1所示；泵站設計凈揚程為4.8 m，最大、最小揚程分別為4.2 m、2 m；控制樞紐采用框架結構，安裝有2臺進水泵機，葉輪直徑為4.5 m，分別在進水與出水段布設有節制閘，設計最大流量分別為150 m3/s、80 m3/s。根據淮安二站不同供水期，在考慮泵站水位的前提下，可選擇采用快速門閘與小拍門閘的啟動方式泵站兩種典型啟動方案三維建模如圖2所示。

圖1 貫流泵裝置三維體態示意

圖2 泵站啟動方案三維建模示意

由于淮安二站泵閘工程投入運營使用超過20 a，部分水利設施運營效率降低，如快速門閘啟動方式下，前池常出現水位涌動、紊流等現象，進水、出水渠段處翼墻也出現較多裂縫，特別的，在進水、出水渠段閘門出現控水失敗等節制失效現象。工程管理部門認為，當上游來水流量過大時，極易出現泵閘的非穩定運營，嚴重時出現泵機廠房進水、潰閘等問題。從工程安全角度考慮，水利部門考慮先重點針對泵站的節制閘開展改造升級，現有閘門為平面鋼閘門，觸水面積較小，因而考慮設置有弧形鋼閘門(如圖3所示)，該閘門采用型鋼結構，四壓桿支撐體系，背水側配備有橫、縱等主次鋼梁。由于工程設計考量，泵站在輸水運營期較大流量下，閘門的可靠性是設計安全的重點，故而本文重點針對改造升級后節制閘門開展運營安全分析。

圖3 弧形鋼閘門示意

2.2 仿真建模

為研究淮安二站泵閘工程改造后的弧形鋼閘門運營安全，采用COMSOL仿真平臺對該弧形鋼閘門進行建模[13-14]，簡化泵站進、出水口處其他結構形式，所建立的閘門模型如圖4所示。該閘門模型包括有底部壓桿支撐體系，也涵蓋迎水面板，共有3根主梁與5根次縱梁，均為型鋼結構體形。全模型經計算網格劃分，獲得了2 082 62個單元，186 248個節點數；模型X、Y、Z正向分別用泵站進水口水流方向、結構豎直上方向及泵站右翼墻方向；模型中所有微單元均采用殼單元與非線性接觸壁面。

圖4 閘門模型示意

作為閘門重要支撐結構，橫、縱梁的設計狀態決定了閘門運營穩定性，為此，本文以其中橫梁結構代表為研究對象，圖5a為該橫梁結構型鋼截面，位于閘門最底部。該橫梁結構作為型鋼材料，其腹板高厚比為45，而腹板間距為45 cm，截面翼緣厚度為30 cm，翼緣寬厚比決定了型鋼截面寬度尺寸與翼緣厚度間關系，前期參數設計時出現不適配，故本文重點針對該翼緣寬厚比參數開展計算分析。

a 截面體型

為研究該翼緣寬厚比參數設計合理性與適配性，基于淮安二站泵閘工程實際，該參數最大限定在20以內，在對比方案中以每梯次3的遞增順序，設定有0～20共7個方案，每個方案中僅改變翼緣寬度，其厚度參數作為統一值固定，截面體型其他參數不變。本模型在考慮結構運營安全時，以靜力穩定性為分析對象，而弧形鋼閘門支撐體系參數的改變，對泵站運營狀態也有影響，本文采用Flow 3D對其NX網格模型進行三維流場計算[15]，探討不同設計方案下流場影響特征。模型計算工況設定泵站進水口流量為20 m3/s，靜力穩定性時考慮閘門全閉狀態，而三維流場計算時設定閘門為半開式狀態。結構靜力穩定性關鍵節點選取按照3根橫梁與縱梁的交點，這也是閘門面板上極易出現失穩的區域(如圖6所示)。

圖6 橫、縱梁的交點示意

3 閘門靜力穩定性特征

3.1 應力特征

基于弧形鋼閘門靜力特征計算，獲得閘門支撐鋼梁關鍵節點處拉應力影響變化(如圖7所示)。

圖7 各交點最大拉應力影響變化特征示意

從各翼緣寬厚比方案計算可知，3個節點中張拉應力最大位于底部橫、縱梁交點，7個方案中分布為1.56～4.3 MPa，而在頂部、中部兩交點處張拉應力較前者分別減少了14.9%～33.3%、32.5%～54.8%。分析認為，底部橫、縱梁交錯區域存在較顯著的靜水壓力，且在弧門全閉狀態下呈流固耦合物理場，具有疊加荷載效應，因而該區域存在較大張拉應力。當翼緣寬厚比參數增大，3個節點的張拉應力均為遞減變化，表明控制翼緣寬厚比，本質上為增大翼緣寬度，有助于減弱型鋼結構受拉特性；實質上從受荷面積考慮，翼緣寬度的遞增，截面體型增大，有助于削弱拉應力產生。在翼緣寬厚比參數為1的方案中，頂部橫、縱梁交點處拉應力為2.9 MPa，隨寬厚比參數每增大3，則其拉應力平均減少了20.1%，特別是在寬厚比參數1～13梯次內，拉應力的平均損耗達27.8%，當設計參數為16、19時，拉應力降幅最大為5.7%。與此類似，中部、底部橫縱梁交點處拉應力變化一致，分別平均減少18.3%、15%，但設計參數1～13梯次內最大變幅分別分別達29.5%、25.8%，平均降幅為25.4%、21.4%。由此可知，雖持續增大翼緣寬厚比參數，有助于提升支撐結構受荷面，但同時也會增大型鋼截面體型的跨度比，不利于結構抗彎剪特性[16]，因而控制翼緣寬厚比參數在合理區間即可；從本文計算結果看出，在翼緣寬厚比參數為1～13區間較為有效。

雖型鋼結構抗壓能力較強，但關注結構最大壓應力，有助于全面了解結構運營荷載下應力安全性，圖8為7個翼緣寬厚比參數方案下3個關鍵節點的最大壓應力變化特征。

分析圖8中壓應力變化可知，壓應力最大區域同樣位于底部橫、縱梁交點處，該區域受結構自重影響，分布有較大壓應力，7個方案中最大壓應力分布為8.5～14.1 MPa。當翼緣寬厚比參數增大時，3個交點處壓應力均呈增大變化，此與翼緣寬厚比增大，會影響結構自重。在翼緣寬厚比參數為1方案內，頂、中、底3個橫、縱梁交點處的最大壓應力分別為6.2 MPa、7.3 MPa、8.5 MPa，而在寬厚比參數每增大3的梯次內，則最大壓應力分別平均增長了9.8%、8.7%、9%；特別的，與拉應力影響變化有所類似，均在寬厚比13方案后，出現最大壓應力的陡增期，3個交點在寬厚比13～19方案內，增幅均較大，平均增幅分別達24.6%、19.8%、16.7%，而寬厚比低于13的梯次內，壓應力的平均增幅分別僅為2.4%、3.2%、5.2%。分析表明，當翼緣寬厚比參數過大時，受荷面過于集中，導致了結構承載自重超過體系允許范疇，因而最大壓應力呈現快速增長態勢。從結構設計優化考慮，拉應力在寬厚比1～13梯次內處于較安全狀態，而壓應力在該區間內同樣具有較好表現，而從設計“性價比”評價，翼緣寬厚比參數為13時最為有利。

圖8 各交點最大壓應力影響變化特征示意

3.2 位移特征

位移特征是結構體系中靜力特征重要反映，圖9為基于不同寬厚比參數計算獲得的橫、縱梁結構三向位移變化特征。

觀察圖9中位移表現可知，Y向位移為結構體系中最大位移值，在各方案中分布為3.8～10.1 mm，而X、Z向位移較前者分別減少了37.3%～51.9%、15.1%～32.9%，此也與結構體系與自重應力占較大比重有關。當翼緣寬厚比參數增大，三向位移均呈先減后增變化，位移最低值位于寬厚比13方案，X～Z向位移分別為1.85 mm、3.8 mm、2.57 mm，而在寬厚比低于13梯次內，各向位移均為遞減變化，如X向位移在寬厚比7、13方案內時相比寬厚比4方案內分別減少了26.1%、52.7%，在寬厚比1～13區間內平均降低了25.1%，而Y、Z向位移同樣分別降低了21.6%、25.7%。而在寬厚比超過13后，三向位移均為遞增，分別具有平均增幅68.5%、49.2%、62.5%。筆者認為，當寬厚比低于13時，型鋼結構截面體型位移的產生根源為拉應力，而在寬厚比超過13后，拉應力處于較弱，而壓應力出現增長趨勢，較大的壓應力對結構位移產生了促進效果。在應力適配寬厚比參數方案時，寬厚比13為較優方案，同樣該方案下位移值也處于最合理。

圖9 各向位移值影響變化特征示意

4 泵站前池流場特征

閘門作為控流、擋水設施，當改變支撐結構設計參數，對泵站前池流場會有所影響，本文以前池沿程斷面上的流速參數為流場分析對象(如圖10所示)。

圖10 前池流速影響變化特征示意

依據流速變化可知，翼緣寬厚比與流速水平量值關聯性較小，整體上具有正相關關系，如在翼緣寬厚比1方案內沿程斷面平均流速為0.23 m/s，而寬厚比7、13、19方案內的平均流速較前者分別提高了28.8%、60.3%、92.8%；整體上流速水平受翼緣寬厚比影響較小，每梯次寬厚比增大3，則引起沿程斷面平均流速增長11.6%。翼緣寬厚比的改變，對流速的影響最大為其穩定性，在翼緣寬厚比超過16、19方案內，流速波動性顯著，特別是在上游進水口處，受翼緣寬厚比對閘門支撐結構的改變，導致進水口流態差異[17]，進而影響該區段內流速呈波動性變化，兩方案分別具有最大變幅16.4%、17.2%，同時兩方案在接近池尾處也具有一定波幅，整體上此兩翼緣設計方案流場穩定性欠佳，不利于泵站輸供水。當翼緣寬厚比為1～13時，流速波幅較小，各斷面間具有的最大波幅不超過3.7%，乃是寬厚比為4方案；特別在寬厚比10、13方案內，流速穩定性較佳，平均流速分別為0.33m/s、0.37m/s，最大波幅未超過1%。從靜力結構的設計遴選來看，翼緣寬厚比為13的方案池內流場綜合技術優勢最顯著，選擇該方案最為合理。

5 結語

1) 底部橫、縱梁交點處拉應力為弧門上最大；翼緣寬厚比參數與3交點拉應力為負相關關系，與壓應力為正相關關系，但在寬厚比13方案后，不僅拉應力的降幅減少，且壓應力出現陡增階段，頂部、中部、底部在寬厚比超過13的方案內壓應力的平均增幅達24.6%、19.8%、16.7%。

2)Y向位移在結構體系中具有決定性作用；三向位移值隨寬厚比參數為先減后增變化，在寬厚比13方案處為位移值最低，X～Z向分別為1.85 mm、3.8 mm、2.57 mm，寬厚比參數超過13后，三向位移值均有較顯著增幅。

3) 翼緣寬厚比對流速水平量值影響幅度較小，寬厚比每梯次遞增3，則斷面平均流速增長11.6%；寬厚比參數的改變，對流速穩定性具有顯著性改變，在寬厚比超過13的兩方案內，分別具有最大變幅16.4%、17.2%；控制寬厚比參數在合理區間內可避免流態失穩。

4) 綜合仿真計算結果，認為結構截面翼緣寬厚比參數為13最為適配。