高卓 張輝 易偉

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的高速發(fā)展，有限元技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用逐漸普及，為提高設(shè)計(jì)效率，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，增加計(jì)算書的說服力，國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目都偏向傳統(tǒng)平面理論計(jì)算結(jié)合有限元計(jì)算的方法。本文以某項(xiàng)目表孔弧形閘門為分析對(duì)象，利用有限元法分析其在多種工況下的變形和應(yīng)力，證實(shí)有限元分析法在水工金屬結(jié)構(gòu)中的重要作用。

1 基本資料

1.1 工程概況

某工程主溢洪道設(shè)有5孔溢洪道泄洪閘。每孔溢洪道泄洪閘設(shè)置1套表孔弧形閘門，在洪水期用來(lái)控制堰的水位和通過堰的流量。閘門為常閉狀態(tài)。每套弧門通過1套液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。溢洪道表孔弧形閘門的結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 某項(xiàng)目表孔弧形閘門縱向布置示意圖

1.2 弧門模型及特性參數(shù)

圖2 所示為表孔弧形閘門三維模型及柱坐標(biāo)系示意圖，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于支鉸軸線中心，z軸為弧門支鉸軸向，y軸為弧形閘門轉(zhuǎn)動(dòng)方向，x軸方向?yàn)榛⌒伍l門徑向。弧形閘門的主要特性參數(shù)如下：

圖2 弧形工作閘門三維模型及坐標(biāo)系

2 強(qiáng)度及剛度準(zhǔn)則

2.1 材料及許用應(yīng)力

根據(jù)項(xiàng)目的相關(guān)技術(shù)要求，弧形閘門的許用應(yīng)力見表1。

表1 弧形閘門許用應(yīng)力 MPa

2.2 許用撓度

根據(jù)項(xiàng)目的相關(guān)技術(shù)要求，露頂式工作閘門主梁的許用撓度與計(jì)算跨度之比不應(yīng)超過1/1 000。經(jīng)計(jì)算，主梁許用撓度為12 mm。

式中 [fz]——主梁許用撓度，mm；

Lz——主梁計(jì)算跨度，12 000 mm。

露頂式工作閘門次梁的許用撓度與計(jì)算跨度之比不應(yīng)超過1/250。經(jīng)計(jì)算，主梁許用撓度為8 mm。

式中 [fc]——次梁許用撓度，mm；

Lc——次梁計(jì)算跨度，2 000 mm。

3 計(jì)算模型及工況

3.1 有限元模型

圖3所示為表孔弧形閘門有限元模型，共含31 915個(gè)節(jié)點(diǎn)，28 161個(gè)單元，為了提高計(jì)算效率和節(jié)省計(jì)算成本，計(jì)算模型忽略門體上的螺栓孔及止水裝置。

圖3 弧形閘門有限元模型

3.2 計(jì)算工況

表2為弧形閘門計(jì)算工況，工況1為閉門擋水情況下，計(jì)算正常蓄水位水壓力和閘門自重的對(duì)閘門的影響；工況2、工況3和工況4均為極端工況，工況2為閉門擋水情況下，計(jì)算校核洪水位水壓力和閘門自重對(duì)閘門的影響，工況3則考慮正常蓄水位情況下單缸持住的極端情況，工況4為啟門瞬間情況下，計(jì)算正常蓄水位下水壓力、啟門力和閘門自重對(duì)閘門的影響。

表2 有限元計(jì)算工況

4 結(jié)果提取與分析

4.1 強(qiáng)度校核

弧形工作閘門在水壓力、自重和啟門力的作用下，應(yīng)力分布較為復(fù)雜，但是整體云圖變化趨勢(shì)依然符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外荷載的作用趨勢(shì)。

工況4下閘門應(yīng)力值達(dá)到最大，最大應(yīng)力為251 MPa，發(fā)生在邊梁（吊耳板）與底主梁連接部位，如圖4所示，可以考慮加設(shè)加勁板予以加強(qiáng)。

圖4 工況4閘門整體應(yīng)力云圖（單位：Pa）

表3為弧形閘門面板、上主梁、下主梁、隔板等零部件在4種工況下的應(yīng)力匯總表。

表3 弧形閘門零部件應(yīng)力結(jié)果匯總 MPa

4.2 剛度校核

圖5所示為校核洪水位下閘門整體徑向變形云圖，從圖中可知，閘門的最大徑向變形位于閘門面板頂部次梁中間，變形方向朝向支鉸旋轉(zhuǎn)軸線，最大變形達(dá)到了5.55 mm，滿足剛度要求。

圖5 工況2閘門整體徑向變形云圖（單位：m）

圖6 所示為正常蓄水位和啟門力共同作用下閘門整體徑向變形云圖，從圖中可知，閘門的最大徑向變形位于門葉兩主梁中間部位，變形方向朝向支鉸旋轉(zhuǎn)軸線，最大變形為4.50 mm，滿足剛度要求。

圖6 工況4閘門整體徑向變形云圖（單位：m）

表4為弧形閘門面板、上主梁、下主梁、隔板等零部件在4種工況下的徑向變形匯總表。

表4 弧形閘門零部件徑向變形結(jié)果匯總 mm

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）通過對(duì)弧形閘門的有限元分析后，可知該閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度、剛度要求，局部發(fā)生應(yīng)力集中的部位需設(shè)置加強(qiáng)筋，如閘門和底檻接觸的面板底邊緣部位以及邊梁與主梁連接部位。

（2）擋水工況下，閘門頂、底主梁的應(yīng)力值相差無(wú)幾，但是考慮啟門力作用后，底主梁的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂主梁的應(yīng)力，故在以后表孔弧門的設(shè)計(jì)中，若頂、底主梁截面一致，可以考慮讓頂主梁承擔(dān)更多的水壓力，這樣在啟門力作用下，頂、底主梁的受力會(huì)更均衡。

（3）在校核洪水位作用下，面板頂部發(fā)生了較大的撓度變形，根據(jù)水壓力的趨勢(shì)，理論上面板上最大變形應(yīng)該在閘門面板下半部分，發(fā)生這種現(xiàn)象主要是閘門頂部剛度不足造成的，可以采用加大頂次梁截面或者細(xì)化面板梁格的措施優(yōu)化改進(jìn)。