船閘人字門結構響應分析及優(yōu)化

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(武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

作為船閘中最常采用的形式，人字閘門由一系列板、殼、梁、桿等構件組合而成，為一復雜的空間薄壁結構體系。門體在啟閉運行和關門擋水時的受力狀態(tài)完全不同，因此結構靜、動態(tài)響應有其特殊性和復雜性。 此外，底樞作為人字閘門的主要支承部件，門體的頻繁啟閉極易造成其構件接觸面的過度磨損，繼而導致門軸柱傾斜、底封漏水、側縫射流，造成被迫斷航搶修和提前大修的情況[1-2]。本文針對某現(xiàn)役人字閘門，對其進行結構響應分析及優(yōu)化。

1 結構概述

漢江某航電樞紐工程中的船閘人字門布置在漢江主河道右側，其軸線與壩軸線正交。船閘等級為Ⅲ級，按通航一頂4艘千噸駁船隊設計，設計水頭8.82 m，上、下閘門門葉高度分別為9 800 mm、13 100 mm，單個門葉寬度為13 530 mm。門體結構采用交叉梁系方式布置，主橫梁與面板、門軸柱、斜接柱等構成門葉擋水支承系統(tǒng)，門體背面設置一組預應力背拉桿，主、副桿各由兩根扁鋼組成。結構梁系均為實腹工字組合梁，門軸柱和斜接柱均采用開口式截面。關門擋水時，采用連續(xù)鋼支承方式將反力傳遞于閘首邊墩，并兼作側止水。閘門底樞為固定式，頂樞采用三角桁架式。上下閘首人字門均采用臥式直推式液壓啟閉機，門葉通過置于其頂部的啟閉桿實現(xiàn)靜水啟閉。

2 數(shù)值仿真

2.1 有限元模型

考慮到人字閘門結構的對稱性，只建立單側門體模型，其中X軸沿門葉厚度方向、Y軸沿門葉寬度方向、Z軸沿門葉高度方向，見圖1。

圖1 人字閘門有限元計算模型

本閘門底樞為固定式，軸承臺的固定支座剛度較大，故模型中將蘑菇球頭底部剛性固定，取代底樞軸承臺模型。承軸巢與蘑菇球頭的接觸屬于柔體(承軸巢)-剛體(蘑菇球頭)的面-面接觸，通常選取剛度相對較大的蘑菇球頭作為目標面，采用targe170接觸單元定義；承軸巢(軸瓦)為接觸面，選用單元conta174定義。承軸巢與蘑菇球頭局部有限元模型見圖2。

鑒于背拉桿的結構及受力特點，模型中采用LINK8桿單元進行模擬，背拉桿端部節(jié)點與門體的連接采用耦合處理。模型單元類型見表1。

圖2 底樞軸承巢與蘑菇球頭接觸模型

表1 模型單元類型匯總表

2.2 載荷及工況

2.2.1 自然懸掛狀態(tài)

1)載荷。人字閘門自重，背拉桿預應力。

2)約束。底樞蘑菇球頭底面剛性固定，頂樞、啟閉桿及門體連接處均為平面位移約束。

2.2.2 啟、閉運行狀態(tài)

1)載荷。人字閘門自重，背拉桿預應力，門前雍水壓力，風壓(與門前水壓力同向作用)。

2)約束。底樞蘑菇球頭底面剛性固定,頂樞、啟閉桿及門體連接處均為平面位移約束。

2.2.3 關門擋水狀態(tài)

1)載荷。人字閘門自重,背拉桿預應力,風壓,擋水面板正面水壓力,門軸柱、斜接柱的X面水壓力,底橫梁局部的Z向水壓力。

2)約束。底樞蘑菇球頭底面剛性固定,頂樞平面位移約束,門軸柱端側支承為平面位移約束,斜接柱端側支承為對稱約束。

依據(jù)設計要求，人字閘門為靜水啟閉，且按剩余水頭差0.1 m考慮，故開、關門時，門前雍水高度取為0.1 m，且水壓力作用方向相反。

2.3 背拉桿預應力優(yōu)化

人字閘門為板架結構，其抗扭能力相對較弱。背拉桿作為抵抗門體彎曲變形的主要構件，對其施加預應力可以提高人字門在關門擋水狀態(tài)下的抗彎剛度，同時減少人字門在自重作用下的變形，使閘門在開啟與關閉時，門扇平面的彎曲變形方向相反，并均保持較小的數(shù)值。

對背拉桿預應力的數(shù)值模擬主要有等效力法、等效應變法和等效降溫法。目前，等效降溫法在不涉及熱分析的結構計算中較為實用，該法通過對材料設置線膨脹系數(shù)，繼而在給定的溫差下即可獲得與預應力產(chǎn)生的應變等效的效果。本文采用等效降溫法，模擬實際操作時背拉桿預應力調試過程，將門體僅在自重作用下背拉桿預應力與門軸柱、斜接柱的位移關系列于表2。

表2 背拉桿預應力優(yōu)化匯總表

注:初始狀態(tài)為門體不設背拉桿，僅在頂樞、底樞、啟閉桿處約束時的狀態(tài)。X向位移，“+”表示該點位移指向上游面，“-”表示該點位移指向下游面。Z向位移為正值，表示位移方向與重力方向相同。

如圖3～6所示，當背拉桿調試4次后，門體Z向位移沿水平軸線方向分布均勻，且最大Z向位移出現(xiàn)在斜接柱處。由于背拉桿的作用，門體各角點向下游方向變形且量值相當，擋水面板中部向上游方向偏移，整個門體呈“帆狀”變形。斜接柱端封板徑向位移呈“弓型”分布，最大相對變位為0.25 mm，其中上、下角點最大相對變位僅為0.18 mm，門扇基本保持垂直。

主、副桿應力為58.41和33.42 MPa，且主、副桿應力值滿足設計及規(guī)范要求[3]。

由表2可見，不設背拉桿時，門扇彎曲變形相當嚴重，垂直于門扇的最大X向位移發(fā)生于斜接柱下角點，其值為13.99 mm，最大相對徑向變位為21.87 mm(斜接柱上、下角點X向位移之差)，斜接柱下角點最大Z向位移為6.49 mm。可見若不設置背拉桿，此程度的變形將使閘門無法正常工作。

圖3 第4次調試門體垂向位移分布云圖

圖4 第4次調試門體徑向位移分布云圖

圖5 第4次調試斜接柱端封板徑向位移分布云圖

圖6 第4次調試背拉桿von Mises應力分布云圖

2.4 結構響應分析

2.4.1 典型工況下靜態(tài)響應分析

以第四次調試結果為基礎，對結構在自由懸掛、啟閉過程以及關門擋水等典型工況下的響應進行分析，各主要構件應力、門體變形情況見表3、4。

表3 各工況下主要構件應力匯總 MPa

表4 各工況下門體變形匯總 mm

注：X向位移，“+”表示該點位移指向上游面，“-”表示該點位移指向下游面。Z向位移為正值，表示位移方向與重力方向相同。

2.4.2 模態(tài)分析

多數(shù)工程實例表明，關門擋水狀態(tài)下，門體易在充、泄水過程中的某一水位段出現(xiàn)振動，而振動的激勵源主要是充、泄水時的水力脈動和漏水所引起的水力脈動[6]。因此從激勵源的角度考慮，應確保門體良好的密封性，避免底水封漏水、側縫射流等情況發(fā)生；從結構自身特性考慮，可適當增加背拉桿預應力，以提高人字門的剛度和抗變形能力,使門體基頻避開脈動水壓頻率范圍。

針對本船閘人字門，采用附加質量法考慮水體與結構的耦合作用，研究閘室內充、泄水過程中，門體自振頻率變化規(guī)律，見表5。

表5 門體自振頻率匯總

由表5可見，在上、下游最大水位差的情況下，門體前三階固有頻率比上、下游無水位差時稍大，即由水壓變化引起的結構內應力增加使門體剛度增大。由水力學資料可知，水流脈動壓力頻率范圍一般為1～20 Hz，而由模態(tài)分析結果可知，閘室充、泄水時門體基頻始終在該范圍之內，故在脈動水壓作用下，門體極有可能發(fā)生共振，表現(xiàn)為局部橫梁的垂向振動。而通過對該人字閘門的實際考察可知,充、泄水過程中,當上、下游水位差為1.0～1.5 m時，門體確實出現(xiàn)了振動并伴有異響。因此在確保門體良好密封性的同時，有必要適當增加背拉桿預應力,提高門體剛度。

2.5 優(yōu)化建議

1)橫、縱梁及擋水面板等構件在自由懸掛、啟閉過程中應力值較小，故此時門體內的應力值不作為控制因素。此外相比橫梁及擋水面板，斜接柱和門軸柱剛性較大，門體變形主要由剛性較小的橫梁和面板承擔，故在面板與門軸柱、斜接柱連接區(qū)域出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，而該區(qū)域焊接構件較多，反復啟閉過程中的交變應力可能引起焊接區(qū)域的疲勞破壞。

2)關門擋水時，橫梁與擋水面板的應力值均較其它3種情況有大幅度的提高，且呈自上而下逐漸增大的趨勢(見圖7、8)，因此可考慮在控制門體總重的情況下，適當減小上部面板厚度，增大下部面板厚度，使面板內應力分布相對均勻。此外該工況下，過大的拱軸壓力可能導致橫梁的局部失穩(wěn)，因此可在橫梁腹板增設橫、縱向加強筋或適當增大底部橫梁腹板厚度以提高橫梁局部穩(wěn)定性。

圖7 關門擋水時，擋水面板應力分布云圖

3)各工況下，結構最大應力均位于底樞的蘑菇球頭,且承軸巢與蘑菇球頭應力分布極不均勻，并出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，因此在門體啟閉過程中，過高的接觸壓力將加速底樞構件的磨損。已有文獻指出，提高船閘底樞使用壽命，除提高材質和加工工藝水平外，最有效的方法是增設浮箱，

圖8 關門擋水時，橫梁應力分布云圖

利用其產(chǎn)生的浮力減少門體的工作重量[4]。底樞部分主要承受門體的自重及啟閉力產(chǎn)生的水平力，由于閘門增設浮箱后，門體作用在底樞上的垂直力會減小，相應的水平力也將有所減小，作用在蘑菇頭上的合力作用點有所改變，這對底樞部分受力是有利的[5]。

4)背拉桿在幾種工況下的應力值變化不大，其中開門狀態(tài)、關門擋水狀態(tài)主桿應力值較預應力值有所降低，副桿應力值較預應力有所提高。這是因為在這兩種工況下，水壓引起門軸柱下角點向下游偏移，從而使主桿應力得到松弛，副桿應力增加。

由表4可知,開門、關門過程中，由于雍水壓力作用方向相反，故斜接柱相對徑向變位大小相近、方向相反，這也表明背拉桿預應力對門體在自重下的彎曲變形有良好的抑制作用；關門擋水時，由于較大的水壓作用，門體發(fā)生偏向下游的彎曲變形，對應表3可知，此時副桿應力值達到最大。

3 結論

1)背拉桿的作用是增加門體抗扭剛度以及關門擋水狀態(tài)下的抗彎剛度，閘門日常運行的多數(shù)故障(如門體振動)等，均可通過調節(jié)背拉桿的預應力加以解決。本文采用降溫法模擬背拉桿預應力的調試過程，對閘門及同類結構的計算仿真具有較好的參考價值。

2)相比自由懸掛狀態(tài)，啟閉過程中的雍水壓力會增加門體的徑向變形，因此門體應盡量避免過大的啟閉速度，以減小水位雍高，降低門體的彎曲變形。

3)對于船閘人字門，結構響應分析及優(yōu)化的重點在于背拉桿、底樞、擋水面板及橫梁等主要承力構件，且應以自由懸掛狀態(tài)下的門體變形量和關門擋水狀態(tài)下的構件應力值作為控制因素。增設浮箱作為降低門體工作重量的有效措施，可有效地改善底樞構件受力狀態(tài)，但此時增加的浮托力會改變門體原有受力狀態(tài)，故有必要對門體背拉桿預應力進行重新調試。此外，適當調整擋水面板、橫梁等構件厚度可使其應力分布相對均勻，充分發(fā)揮材料性能；而在橫梁面板增設加強筋,一方面可提高橫梁局部穩(wěn)定性，防止其在較大拱軸壓力下發(fā)生失穩(wěn)；另一方面可提高關門擋水狀態(tài)下的門體基頻，減小脈動水壓誘導橫梁發(fā)生共振的可能性。

[1] 朱召泉,陶碧霞,俞良正.船閘人字門頂樞和底樞設計若干問題探討[J].水利水電科技進展,1998,(6)：33-35.

[2] 岳陸游,丁建寧,楊繼昌，等.船閘蘑菇頭和帽接觸有限元計算與優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2006,(9):157-160.

[3] SL74-95水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社,1995.

[4] 姚建衛(wèi).船閘人字形閘門增設浮箱的受力分析[J].江蘇交通科技,1998,(4):21-25.

[5] 常蘇華.船閘人字閘門增設浮箱的觀測與研究[J].水運工程,1995,(10):36-39.

[6] 尹斌勇.船閘人字門振動原因分析及對策[J].水運工程,2010(1):102-105.