吳開慶，胡友安

（河海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，常州，213022）

0 引言

在給排水工程、市政工程、農(nóng)田水利工程中，目前廣泛使用的鑄鐵閘門，該類型閘門主要有平板高筋型和后拱型內(nèi)筋型兩種結(jié)構(gòu)形式。其主梁的設(shè)計(jì)計(jì)算通常是根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》），按平面假設(shè)進(jìn)行計(jì)算。主梁應(yīng)力的平面計(jì)算對梁的荷載和約束等進(jìn)行了簡化，其計(jì)算與主梁的實(shí)際情況有較大差異。以某工程鑄鐵閘門為例，采用按《規(guī)范》的平面假設(shè)計(jì)算，再用三維有限元方法計(jì)算水平主梁應(yīng)力。比較分析兩種計(jì)算結(jié)果，為鑄鐵閘門水平主梁應(yīng)力的計(jì)算提供參考有較大的意義。

1 平面鋼閘門水平主梁應(yīng)力計(jì)算方法

某矩形平板高筋型鑄鐵閘門尺寸為2.0m×2.5m(寬×高)，結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。閘門承受最大工作正向水頭為10m,潛孔閘門，鑄鐵材料牌號為QT450-10。

根據(jù)閘門水頭分別計(jì)算得水平主梁一、二、三、四承受的均布荷載線密度q 分別為47.5kN/m，45kN/m，42.5kN/m，40kN/m。

1.1 荷載與內(nèi)力計(jì)算

水平主梁彎曲時(shí)邊跨跨中彎矩

圖1 矩形平板高筋型鑄鐵閘門結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

1.2 組合截面計(jì)算

組合截面形心到水平主梁中心線的距離：

跨中組合的截面的慣性矩及截面模量為：

組合截面形心到水平主梁中心線的距離：

跨中組合的截面的慣性矩及截面模量為：

圖3 面板參加水平主梁工作后的組合截面(單位：mm)

1.3 水平主梁的強(qiáng)度檢驗(yàn)

由于支座B 處彎矩最大，而截面模量最小，故只需驗(yàn)算支座B 處截面的抗彎強(qiáng)度，即：

用如上同樣計(jì)算方法，可計(jì)算出中間四根水平主梁中其余三根的抗彎強(qiáng)度分別為5.06 N/mm2,5.38N/mm2，5.70 N/mm2。

2 三維有限元計(jì)算方法

2.1 建立有限元模型

用三維有限元方法計(jì)算時(shí)，我們采用大型有限元分析軟件ANSYS 來進(jìn)行分析計(jì)算。該軟件具有前后處理功能理想、計(jì)算簡便、運(yùn)算精度高等優(yōu)點(diǎn)。球墨鑄鐵彈性模量E 取150Gpa，泊松比取0.3，密度取7.3g/cm3。在建立有限元模型時(shí)閘門面板、各水平主梁、縱隔板、邊梁內(nèi)側(cè)采用SHELL63 單元，邊梁外側(cè)位于門槽內(nèi)的部分采用SOLID95 單元。最后的有限元網(wǎng)格模型如圖4 所示，整個(gè)模型中包含17141個(gè)單元，共19567個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)鑄鐵閘門實(shí)際工況在底主梁上施加高度方向的位移約束，在邊梁與門槽接觸的部位施加水平方向的位移約束。由于此閘門為潛孔閘門，所以計(jì)算時(shí)只考慮靜水壓力。

2.2 水平主梁應(yīng)力

由圖4 可知，四個(gè)水平主梁的應(yīng)力最大處都是出現(xiàn)在靠近中間隔板的兩個(gè)跨度處，四個(gè)水平主梁的最大應(yīng)力從下到上依次為47 .6 N/mm2,51.7 N/mm2,49.9 N/mm2,41.6 N/mm2。

圖5 閘門各水平主梁應(yīng)力圖

3 兩種方法比較分析

把上面用《規(guī)范》計(jì)算水平主梁應(yīng)力的計(jì)算方法計(jì)算鑄鐵閘門的結(jié)果和有限元軟件ANSYS 計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)兩種計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果的不同主要在以下幾個(gè)方面：

a)對于同一根水平主梁，兩種計(jì)算方法計(jì)算的結(jié)果有很大差距。

b)兩種計(jì)算方法隨著水平主梁的變化，各自最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的變化不同，前一種計(jì)算方法位置處于下方的水平主梁所受的應(yīng)力強(qiáng)度比位置處于上方的水平主梁所受的應(yīng)力強(qiáng)度高，而后一種方法則中間的兩根水平主梁所受的應(yīng)力強(qiáng)度比最上面和最下面的水平主梁所受的應(yīng)力強(qiáng)度高。

c)兩種計(jì)算方法計(jì)算出的結(jié)果最大應(yīng)力所處的位置不同，前一種計(jì)算方法水平主梁所受最大應(yīng)力位于節(jié)點(diǎn)B、D 處，后一種計(jì)算方法水平主梁所受最大應(yīng)力位于中間兩個(gè)跨度靠近中間隔板的位置。

造成這種差距主要有以下幾點(diǎn)原因：

1)用《規(guī)范》計(jì)算水平主梁應(yīng)力的計(jì)算方法適用于面板為薄壁的狀況，而鑄鐵閘門面板并非薄壁件。

2)用《規(guī)范》方法計(jì)算水平主梁應(yīng)力時(shí)，水平主梁為支點(diǎn)沒有位移的多跨連續(xù)梁，但實(shí)際工況中，作為支點(diǎn)的縱隔板是存在位移的。

3)用《規(guī)范》方法計(jì)算時(shí)，其計(jì)算方法其實(shí)假設(shè)了與水平主梁相聯(lián)的上、下各半個(gè)區(qū)間面板水壓全部由水平主梁和參加水平主梁工作的面板所承擔(dān)。這種計(jì)算方法其實(shí)忽略了鑄鐵閘門是一個(gè)各部分存在著相互作用的整體，也沒有考慮閘門邊梁對計(jì)算結(jié)果的影響。

4)約束條件的影響，鑄鐵閘門下部的位移約束使位于閘門下部的水平主梁應(yīng)力相對減小。

鑄鐵閘門是由一系列面板、隔板、梁等組成的整體，而且其面板具有一定厚度。閘門工作時(shí)，所承受的荷載將通過各構(gòu)件的相互傳遞來共同承擔(dān)。所以，鑄鐵閘門水平主梁應(yīng)力的計(jì)算方法必須考慮到閘門的整體作用以及各構(gòu)件的實(shí)際工作狀態(tài)。因此，對于鑄鐵閘門水平主梁應(yīng)力的計(jì)算建議采用有限元方法。

4 結(jié)論

對鑄鐵閘門水平主梁應(yīng)力用平面鋼閘門計(jì)算水平主梁應(yīng)力的方法進(jìn)行計(jì)算作了詳細(xì)的說明；并用ANSYS 軟件建立了鑄鐵閘門門體的模型，對其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。對兩種計(jì)算方法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明對鑄鐵閘門水平主梁應(yīng)力根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算是不精確的，而用三維有限元計(jì)算方法能比較準(zhǔn)確的反應(yīng)水平主梁的受力情況。

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