田永軍

(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南鄭州 450016)

1 概述

某引黃調(diào)蓄工程控制閘為開敞式寬頂堰結(jié)構(gòu)，采用3孔臥倒式平板鋼閘門，單孔凈寬度為28 m，門頂高度為5.2 m，屬于大跨度鋼閘門，控制閘橫斷面圖見圖1。閘門門軸設(shè)于底板寬頂堰上游面上，采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制，在防洪或景觀需要擋水時(shí)，閘門全關(guān)，與水平面成70°角向內(nèi)河傾斜，閘門可滿足雙向擋水的要求，閘門動(dòng)水啟閉。閘門也可局部開啟形成瀑布景觀，通航狀態(tài)閘門平臥于底板上，需擋水時(shí)閘門提起。

考慮到該閘門跨度比較大，并且在傾斜狀態(tài)下?lián)跛⒕植块_啟過水，受力比較復(fù)雜，特別是作用于上下主梁水壓力的分配計(jì)算是設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，而且空間彎矩較大采用傳統(tǒng)的平面計(jì)算難以對(duì)支臂的受力狀態(tài)有比較準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，因此該大跨度鋼閘門屬于空間問題，有必要采用三維有限元對(duì)其進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)復(fù)核。

圖1 控制閘橫斷面圖

2 實(shí)例計(jì)算分析

2.1 計(jì)算工況

依據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求，對(duì)各種設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了平面體系的結(jié)構(gòu)計(jì)算，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)以下3種比較復(fù)雜的控制工況進(jìn)行了三維有限元計(jì)算復(fù)核。

1)正常運(yùn)用1:內(nèi)河水位85.50 m，外河無水，閘門關(guān)閉;2)正常運(yùn)用2:內(nèi)河水位85.50 m，外河無水，閘門局部開啟20°;3)非正常運(yùn)用1:內(nèi)河水位0 m，閘門關(guān)閉，外河水位87.53 m。

2.2 計(jì)算實(shí)體

“下翻轉(zhuǎn)式臥倒門”是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，門葉由面板、三根水平小梁和兩根主橫梁組成，由于該閘門跨度較大，主橫梁采用箱梁結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)主梁剛度，減小變形。閘門兩支鉸采用固定式，軸承采用自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，作為閘門的軸向基準(zhǔn)點(diǎn)，可承受一定的軸向力，支鉸通過錨栓固定在閘底板上，直支臂與閘門面板采用螺栓連接，支臂吊頭與液壓?jiǎn)㈤]機(jī)活塞桿連接。

2.3 計(jì)算模型及參數(shù)選取

根據(jù)閘門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立閘門幾何模型，鋼閘門面板、主次梁及支臂均采用具有計(jì)算精度高、模擬實(shí)體方便靈活的特點(diǎn)的Solid 45三維實(shí)體單元[1]，單元?jiǎng)澐植捎盟拿骟w和六面體單元，單元數(shù)量共720 113個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量共210 497個(gè)。實(shí)體模型見圖2。

圖2 鋼閘門三維計(jì)算實(shí)體模型

1)計(jì)算參數(shù)。閘門及支臂結(jié)構(gòu)均采用16Mn鋼材，鋼材彈性模量 E=2.06 ×105MPa，泊松比 μ =0.3，密度 ρ=7 850 kg/m3。

2)計(jì)算荷載。計(jì)算荷載主要為:自重，上下游水荷載。

3)邊界條件。坐標(biāo)系定義為:X軸方向?yàn)樗鞣较颍琘軸為垂直方向，Z軸為主橫梁軸，零點(diǎn)位于門底。根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)的邊界約束情況，無論是閘門擋水還是開啟，均在底部支鉸處受到鉸的約束，同時(shí)受到閘門在不同開啟角度時(shí)支臂的約束，支臂與閘門之間錨栓連接需耦合各方向的自由度，支臂末端吊頭處施加全部約束。有限元計(jì)算模型的邊界處理為:底部支鉸及支臂吊頭施加X，Y，Z三個(gè)方向約束。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)前文確定的邊界條件，綜合考慮各種計(jì)算荷載，借助于有限元分析軟件對(duì)各種設(shè)計(jì)工況分別進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 各工況拉應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果匯總

經(jīng)計(jì)算得知，工況1和工況2擋水方向相同應(yīng)力和位移等值線分布具有相似性，但由于工況2為閘門局部開啟閘頂過水工況，工況2應(yīng)力和變形量最大，為控制工況。工況3為擋內(nèi)河水位工況，與工況1和工況2擋水方向相反，由于閘門傾斜于擋水側(cè)，閘門自重可抵消部分水壓力，雖然擋水高度較大，但變形量較小。這里僅給出了設(shè)計(jì)工況2和工況3應(yīng)力及變形分布云圖見圖3～圖6。

圖3 工況2閘門變形云圖

圖4 工況2閘門應(yīng)力云圖

圖5 工況3閘門變形云圖

圖6 工況3閘門應(yīng)力云圖

3 結(jié)論及展望

對(duì)以上各種工況綜合分析后可知:1)通過對(duì)該大跨度鋼閘門三維有限元結(jié)構(gòu)分析表明整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形符合閘門受力的一般規(guī)律;2)除了支臂和面板螺栓連接處局部出現(xiàn)應(yīng)力集中外，整體應(yīng)力均小于允許應(yīng)力，對(duì)支臂和面板螺栓連接處應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng);3)考慮到該閘門跨度較大，彎矩對(duì)支臂的作用明顯，因此對(duì)支臂進(jìn)行了加強(qiáng)處理，加強(qiáng)處理后支臂的應(yīng)力及變形較小;4)臥倒門結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，特別是傾斜一定角度時(shí)，自重應(yīng)充分予以考慮，當(dāng)閘門傾向于擋水側(cè)時(shí)，自重能平衡部分水壓力，反之，閘門自重將成為不利荷載;5)三維結(jié)構(gòu)計(jì)算中，水位對(duì)閘門的受力有一定的影響;擋水方向?qū)﹂l門的受力影響較大。本例大跨度下翻轉(zhuǎn)式臥倒門采用了箱形主梁，空間結(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜，希望通過本次實(shí)例計(jì)算對(duì)其他類似鋼閘門有一定的借鑒意義，為完善閘門的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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