船閘三角閘門靜力仿真研究

嵇旭紅，杜彩霞，周詳，史常龍，張慧中，蔡建國，戴振華

（1.常州市港航事業發展中心，江蘇 常州 213022；2.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014；3.東南大學，江蘇 南京 211189）

船閘三角閘門具有能承受雙向水頭，而且能在閘門上、下游有一定的水位差時啟閉，使用靈活等特點，特別對于受潮汐影響的船閘使用三角閘門比較適用[1,2]。魏村船閘工程采用弧面三角閘門，相比平板閘門，弧面三角閘門具有較強的空間性，因此使用平面分析方法或將閘門組件單獨進行受力分析都無法反映弧面三角閘門的實際受力情況[3]。因此，本文使用空間有限元計算方法對三角閘門進行有限元分析，使用有限元分析軟件ABAQUS 對船閘在不同工況下的受力情況進行了計算，為閘門的安全使用及優化提供依據。

1 計算模型與計算工況

1.1 閘門基本參數與有限元模型

三角閘門的主體結構由端柱、主支臂、空間聯系剛架和面板梁格系組成。面板厚為10mm,閘門高11.6m。防撞部分使用工字形梁、箱型梁及雙槽鋼，浮箱梁則采用T 形梁，對于空間桁架構件及支臂則采用空心鋼管，使用空心焊接球對空間桁架鋼管進行連接。閘門結構幾何模型如圖1 所示。

圖1 三角閘門幾何模型

由于三角閘門兩扇閘門在載荷、約束、結構布置等方面均對稱，因此本文取一扇閘門進行靜力分析。由于三角閘門在受力時有較強的空間特征，為了得到閘門在實際運行時的工作狀態和整體特征，同時考慮閘門各構件之間的連接方式對受力的影響，在建模過程中采用不同的空間三維單元，閘門不同組件采用的網格單元如表1 所示。

表1 閘門不同組件的網格單元類型

閘門采用的鋼材為CCSB 和Q355 鋼材，鋼材密度取7850kg/m3，泊松比為0.3，鋼材的彈性模量E 為2.06×105MPa，初估閘門總重為92.85t，重力加速度取9.8m/s2。在分析中考慮浮箱的作用，取等效重力加速度為5.79 m/s2。由于三角閘門整體有限元模型建立時不可避免地會對閘門實際結構細部和構造部件如加勁肋、節點板、焊縫等一些細部的材料等做必要的簡化，考慮上述因素，計算自重時將鋼材的密度乘以一個大于1 的系數1.1 予以放大，取=1.1×7850=8365 kg/m3，以考慮上述因素對閘門自重荷載的影響。

1.2 計算工況及約束條件

三角閘門的約束情況和實際工作情況均比較復雜，考慮閘門實際運行時受水壓力會隨通航條件改變，組合得到兩種設計工況及約束條件，如表2 所示。

表2 不同工況下的計算水位和約束條件

2 強度、剛度及穩定性的判定標準

參考《船閘閘閥門設計規范》[4]的規定，鋼閘門結構采用容許應力法進行結構設計，結構設計強度需要取容許應力，根據厚度的不同，鋼材的容許應力分為兩組，該工程所采用的鋼材厚度范圍均小于16mm。同時根據規范規定，容許應力應乘相應的系數0.9-0.95，本文按照閘門等級1 級取調整系數為0.90。

本工程應用的鋼材為Q355B 和CCSB 船板，按照Q345 進行計算，因此設計容許應力為230×0.90=207.0 N/mm2。

根據《船閘閘閥門設計規范》[4]的規定，受彎構件和偏心受壓構件應驗算其撓度。閘門主梁及次梁應滿足的最大撓度限值如表3 所示，l 為構件長度。

表3 主、次梁最大撓度限值

根據《船閘閘閥門設計規范》[4]和《鋼結構設計標準》[5]規定：三角閘門的受壓、受彎及壓彎構件均需進行整體穩定驗算。空間桁架腹桿主要受到彎矩和軸力的作用，由于桁架腹桿兩端彎矩較小，可近似視為軸心受壓構件進行驗算，根據規范規定，軸心受壓構件應滿足以下公式：

3 計算結果與分析

3.1 閘門結構應力分析

本文考慮水壓力與船閘自身重力作為主要荷載，閘門的強度檢驗采用第四強度理論，強度校核公式為：

對比兩種工況，正向水位差為3.81m 大于反向水位差3.21m，正向設計組合情況下，閘門受的水壓力更大，因此正向設計組合為兩種工況條件下更為危險的工況條件。計算得到，在正向設計組合的工況條件下，閘門面板最大折算應力為150.7MPa，梁格最大折算應力為145.5MPa，依照《船閘閘閥門設計規范》[4]的規定，對兩種工況條件下面板、梁格、主體桿件、防撞桿件及支臂進行強度驗算，結果如表4 所示。由表4 可知，計算的兩種工況，弧面三角閘門各組件強度均滿足要求。

表4 閘門各構件在不同工況下受到的最大折算應力（MPa）

閘門在正向設計組合下的面板、底主梁應力云圖如圖2 所示，面板應力自上而下逐漸增大，在面板左右兩端存在局部應力集中，底主梁最大折算應力滿足強度要求。

圖2 工況一面板應力云圖（單位：MPa）

3.2 閘門結構剛度分析

對于剛度驗算，考慮梁格的徑向位移，圖3 表示了兩種工況條件下梁格徑向位移云圖。從梁格的位移云圖可以看出，主梁的最大徑向位移均出現在靠近底部浮箱處，另一方面，閘門的位移從上往下也不斷增大，主要由于底部所受的荷載較大。在兩種工況條件下，主梁的最大撓度分別為3.02mm、2.34mm，次梁的最大撓度分別為3.01mm、2.32mm，均小于最大允許撓度，故剛度滿足要求。

圖3 不同工況下梁格位移云圖

3.3 閘門空間桁架桿穩定性分析

在閘門實際受力中，桿件主要受拉力和壓力作用，對于受壓桿件，為避免由于桿件失穩導致閘門結構破壞，需要對空間桁架桿件的穩定性進行檢驗，表5 列出了在兩種工況下，桁架桿受到的最大壓力。桿件均按軸心受壓桿件考慮進行穩定性分析。對于軸心受壓桿件，按公式（1）驗算其穩定性，桿件最小半徑為51mm，按a 類截面考慮，其最小穩定系數取0.886，同時桿件受最大軸力為-1kN，代入式（1）：

表5 空間桁架桿件在不同工況條件下受到的最大軸壓力（kN）

因此穩定性滿足要求。

4 結論

（1）運用有限元法，使用ABAQUS 對三角閘門進行靜力數值分析，得到不同工況條件下，三角閘門的應力與變形情況，分析船閘在不同工況下的受力情況。

（2）根據計算得到的應力及位移結果，對閘門整體及局部進行強度與剛度的校核。結果表明，三角閘門整體及局部的強度與剛度均滿足要求。

（3）對不同工況條件下，空間桁架桿件穩定性進行分析，在兩種工況條件下，桿件的受壓、受拉發生改變，分析結果表明，不同工況條件下，桿件穩定性滿足要求。