龍朝暉，王小慧，劉天德

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

露頂式弧形閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)中間鉸支承有兩種型式，一種是鉸支座預(yù)埋在閘墩邊墻內(nèi)，另一種是受邊墩高度限制鉸支座安裝在閘頂表面。溪洛渡大壩表孔液壓?jiǎn)㈤]機(jī)鉸支承采用第一種型式，應(yīng)用傳統(tǒng)力學(xué)方法計(jì)算支鉸結(jié)構(gòu)，因力學(xué)模型的簡(jiǎn)化使計(jì)算存在較大的誤差與困難，較難全面反映支鉸結(jié)構(gòu)受力情況，故采用三維有限元方法對(duì)該支鉸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算分析。

2 閘門及啟閉機(jī)布置

溪洛渡大壩壩頂中部設(shè)置7個(gè)表孔，工作閘門為露頂式弧形閘門，孔口尺寸為12.5m×14.4m(寬×高)，底止水高程為586.155m，壩頂高程為610.00m。閘門采用2×1 000kN懸掛式(油缸中部支承)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，其布置見(jiàn)圖1。

3 支鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

油缸支鉸設(shè)計(jì)為十字鉸型式(見(jiàn)圖2)。支鉸由內(nèi)、外鋼筒與外伸支架組成，內(nèi)外鋼筒軸線(X向)與外伸支架的C處油缸軸承座孔的軸線(Z向)為空間垂直關(guān)系。其中，外鋼筒通過(guò)與預(yù)埋插筋焊接等形

圖1 大壩表孔液壓?jiǎn)㈤]機(jī)閘門布置

式鑲嵌于混凝土中，與水工結(jié)構(gòu)成一整體受力部件；內(nèi)鋼筒通過(guò)AB兩個(gè)軸套安裝于外鋼筒內(nèi)部，可繞垂直水流方向軸線旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)油缸在順?biāo)髌矫鎯?nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)；外伸支架與內(nèi)鋼筒焊接，C處設(shè)置與內(nèi)外鋼筒軸線互相垂直的油缸軸承座孔，以適應(yīng)啟閉機(jī)與閘門的安裝誤差引起的側(cè)向擺動(dòng)及閘門啟閉過(guò)程中的側(cè)向振動(dòng)。

4 支鉸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元驗(yàn)算

4.1 工況分析

從啟閉機(jī)與閘門的工作特點(diǎn)可知，在啟門瞬間、

圖2 支鉸結(jié)構(gòu)型式與受力簡(jiǎn)圖

啟門過(guò)程、閉門過(guò)程、閉門瞬間的工況循環(huán)中，支鉸在啟門瞬間受力最大，故將啟門瞬間工況作為該支鉸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的計(jì)算工況。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中，相對(duì)于啟閉荷載，結(jié)構(gòu)自重的影響極小，支鉸為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)(外伸支架與內(nèi)鋼筒繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng))，因此可認(rèn)為支鉸的安裝位置與角度不影響支鉸結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度計(jì)算。

4.2 強(qiáng)度理論與允許應(yīng)力

支鉸應(yīng)力分布為三向應(yīng)力狀態(tài)，在常溫、靜載受力狀況下，金屬材料應(yīng)按第四強(qiáng)度理論驗(yàn)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。第四強(qiáng)度理論為：

其中σ1、σ2、σ3為計(jì)算點(diǎn)的三個(gè)主應(yīng)力，[σ]為 允許應(yīng)力。

按DL/T5013-95《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》，構(gòu)件允許應(yīng)力見(jiàn)表1。

表1 構(gòu)件允許應(yīng)力

注：[σcd]為腹板局部承壓應(yīng)力。

4.3 荷載計(jì)算

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在啟閉閘門時(shí)，油缸傳遞到支鉸的載荷主要為沿油缸軸向的拉力P，以及克服內(nèi)外鋼筒之間滑動(dòng)摩擦所需的附加轉(zhuǎn)矩M。為安全計(jì)，支鉸承受的拉力P需在理論啟閉力F的基礎(chǔ)上考慮動(dòng)載效應(yīng)，采用1.1的動(dòng)載系數(shù)，即P=1 000×1.1=1 100(kN)，計(jì)算出內(nèi)鋼筒支承軸套AB兩處的支座反力：RA=1 865kN，RB=765kN?？紤]AB處軸套的摩擦系數(shù)ξ為0.15，A處軸套內(nèi)徑為680mm，B處軸套內(nèi)徑為660mm，則克服滑動(dòng)摩擦所需的附加轉(zhuǎn)矩MA為：MA=95 115kN·mm，MB=37 867.5kN·mm。該附加轉(zhuǎn)矩由C處的兩側(cè)軸承座受力不一致產(chǎn)生，兩側(cè)軸承座孔中心距為620mm，故作用在C處軸承座上的附加力偶PΔ為：PΔ=214.488kN。

4.4 有限元模型

構(gòu)建出支鉸結(jié)構(gòu)三維模型，C處施加軸承力及附加力偶，A、B兩處施加柱面約束，合理設(shè)置AB處內(nèi)外鋼筒與軸套之間的接觸面形式，以接觸非線性迭代形式計(jì)算，AB兩處摩擦力引起的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩及支反力由程序在迭代過(guò)程中根據(jù)收斂準(zhǔn)則自動(dòng)分配。

4.5 荷載與約束的施加

在有限元模型中施加的荷載和約束情況如下：

(1)荷載。油缸作用于支鉸上的拉力P、附加力偶PΔ，采用軸承分布力施加于C處的兩側(cè)軸承座孔圓柱面，疊加后的軸承力大小如下：

P1=P/2+PΔ=1 100/2+214.488
=764 488(N)

P2=P/2-PΔ=1 100/2-214.488
=335 512(N)

(2)約束。鑒于混凝土對(duì)外鋼筒的作用，A、B兩處均設(shè)為柱面全約束形式，由程序自動(dòng)協(xié)調(diào)過(guò)約束引起的超靜定問(wèn)題。

(3)模型的邊界條件設(shè)置見(jiàn)圖3。

4.6 網(wǎng)格劃分

綜合考慮計(jì)算規(guī)模與計(jì)算精度，該支鉸結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格剖分見(jiàn)圖4。其中，模型共包含129 776個(gè)節(jié)點(diǎn)，31 300個(gè)實(shí)體單元。

圖3 有限元模型邊界條件示意

圖4 支鉸模型網(wǎng)格剖分效果示意

4.7 有限元計(jì)算結(jié)果典型應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖5～13)

圖5 支鉸整體Von-Mises應(yīng)力云圖

圖6 外伸支架Von-Mises應(yīng)力云圖

圖7 外伸支架應(yīng)力集中部位Von-Mises應(yīng)力云圖

4.8 計(jì)算結(jié)果列表(見(jiàn)表2)

5 結(jié) 語(yǔ)

圖8 外伸支架應(yīng)力集中部位Von-Mises應(yīng)力云圖

圖9 支鉸外鋼筒Von-Mises應(yīng)力云圖

圖10 支鉸內(nèi)鋼筒與軸套Von-Mises應(yīng)力云圖

圖11 支鉸內(nèi)鋼筒Von-Mises應(yīng)力云圖

(1)油缸支鉸結(jié)構(gòu)具有形式簡(jiǎn)單、安裝方便、承載能力較好等特點(diǎn)，能較好地適應(yīng)閘門啟閉機(jī)制造的安裝誤差。

圖12 支鉸內(nèi)鋼筒與外部支架Von-Mises應(yīng)力云圖

圖13 支鉸受力Y向變形位移云圖

校核部位最大計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)圖號(hào)內(nèi)鋼筒σ=199<[σ]3=205;σcd =224<[σcd]3=310圖10、11、12外伸支架σ=175<[σ]3=205;σcd =299<[σcd]3=310圖6、7、8外鋼筒σ=101<[σ]3=205圖9整體豎向變形-2～0.1(-3.3)圖13

(2)由有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算可知，該支鉸的整體應(yīng)力分布合理，最大應(yīng)力位于軸套A外側(cè)的內(nèi)鋼筒外伸支架的腹板上，離頂拱附近約1mm，與設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)符合，該應(yīng)力為局部承壓應(yīng)力，大小為299MPa<[σcd]，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

(3)對(duì)于受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部位，采用三維有限元方法進(jìn)行計(jì)算能夠更加直觀、詳細(xì)，能精確地反映設(shè)計(jì)者所關(guān)心的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題。