主橫梁框架結(jié)構(gòu)型式的三支臂弧形閘門的設(shè)計與研究

摘 要：針對三支臂弧形閘門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了相關(guān)的設(shè)計方法，并借助有限元軟件ANSYS分析了三支臂弧形閘門啟門力對框架的影響，總結(jié)了設(shè)計及計算經(jīng)驗，為此類閘門的設(shè)計提供了一些參考意見。

關(guān)鍵詞：三支臂弧形閘門；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元分析

1 引言

在水利水電工程項目中，弧形閘門是常見的門型之一，相對于我國使用較多的雙支臂弧形閘門來說，三支臂弧形閘門擁有更多的優(yōu)點(diǎn)：它能使主梁的高度降低；使門葉上的懸臂段部分減少；提高門葉剛度且有利于抗震；另外，三支臂弧形閘門的門葉重心更靠近支鉸中心，有利于降低啟門力。其缺點(diǎn)是設(shè)計，制造較為復(fù)雜。

就目前來說，在三支臂弧形閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面還沒有較為成熟的方法。因此，若能就三支臂弧形閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出一套較為完善的方法，就能擴(kuò)大其在水利水電工程項目上的應(yīng)用，從而發(fā)揮其綜合效益。

弧形閘門在結(jié)構(gòu)布置上有主橫梁式和主縱梁式，梁系的連接又有同層布置和疊層布置等。在我國相關(guān)規(guī)范手冊上明確指出疊層布置的弧形閘門，其梁系連接高度較大，整體剛度較同層布置的差；主縱梁式的弧形閘門，其分縫的拼接比較困難，制造加工要求較高，因此常用的弧形閘門結(jié)構(gòu)型式為主橫梁式同層布置。文章將主要對此種型式的弧形閘門的設(shè)計進(jìn)行分析和研究。

2 主橫梁框架結(jié)構(gòu)的計算方法

主橫梁框架結(jié)構(gòu)計算方法是閘門平面體系算法的一種。它是將支臂和主橫梁看作一剛性框架。水壓力經(jīng)面板，水平次梁和隔板傳遞給橫梁主框架，而后再經(jīng)過弧形閘門的支鉸傳遞至混凝土基礎(chǔ)。

當(dāng)利用此種方法來對弧形閘門進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，常常是將弧形閘門的面板和縱向梁系近似地按平板和直梁來進(jìn)行計算；面板，水平次梁和垂直次梁均可按照平面閘門的相應(yīng)構(gòu)件來計算。

3 三支臂弧形閘門的基本設(shè)計

類似于主橫梁式的雙支臂弧形閘門，三支臂弧形閘門的支臂和橫梁被看作成一剛性框架，無論此框架的型式是何種（圖1所示），必須先求得分別作用在上、中、下框架上的荷載Q上、Q中、Q下，然后再來對框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。

按照平面體系假設(shè)，弧形閘門的面板和縱向梁系近似的被看作是平板和直梁，那么即可按照平面直升閘門的計算方法來分別求得各框架所承受的荷載。在實際工程中，弧形閘門框架要承受的荷載包括水壓力，水封磨阻力，轉(zhuǎn)動鉸磨阻力，啟閉力及自重。為了簡化研究，特省去磨阻力和重力的影響，假設(shè)弧形閘門主要受水壓力P及啟閉力Q的影響。

（1）主框架受水壓力P的影響

如圖2所示，作用在弧形閘門面板上的水壓力P可以被假設(shè)成作用在一平板之上，如圖3所示。

圖2 弧門面板（弧面）上的水壓力P 圖3弧門面板（平面）上的水壓力P

將弧形閘門面板假設(shè)成平板之后，即可根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識將水壓力P分別分解到上框架、中框架及下框架之上。

（2）主框架受啟閉力Q的影響

弧形閘門一般靠固定卷揚(yáng)式弧門啟閉機(jī)或者液壓啟閉機(jī)來操作。

當(dāng)操作設(shè)備為固定卷揚(yáng)式弧門啟閉機(jī)時，各框架所受的啟閉力Q的計算方法和水壓力類似，其受力如圖4所示。

q=■ （1）

式（1）中的R為弧門的曲率半徑。

作用在各框架上的啟閉力則按照面板上的均布力q乘以相應(yīng)的弧長l求得即可。

當(dāng)操作設(shè)備為液壓啟閉機(jī)時，弧門框架所受的啟閉力如圖5所示。將啟閉力Q分解至三各主框架上是一個超靜定問題。文章將借助有限元軟件ANSYS對其進(jìn)行分析。

4 有限元計算模型

為了對三支臂弧形閘門的設(shè)計進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，特運(yùn)用一工程實例來進(jìn)行有限元計算，有限元模型如下圖6所示：

該工程三支臂弧門的孔口尺寸為12.5m×16.2m（寬×高），底檻高程為582.35m，設(shè)計水位598.0m，鉸軸離地面高度為10.6m。閘門吊點(diǎn)位于閘門邊梁上，且在下橫梁與中間橫梁之間偏下位置，啟閉力與水平方向的夾角？琢=57°。閘門動水操作，閘門估重約為130t，按照力矩平衡原理，求得啟閉力約為222t。

該閘門的結(jié)構(gòu)主要是由型鋼和鋼板組成，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用板梁單元結(jié)合的模式建模。對于面板，采用板單元shell63；對于型鋼，采用梁單元beam188來建立模型。材料的彈性模量E=2.06×1011Pa，材料的泊松比？滋=0.3。

在建立模型時，對筋板，隔板等非主要受力構(gòu)件做適當(dāng)?shù)暮喕q軸采用一個剛度較大的無質(zhì)量軸代替。模型采用的單位制為國際標(biāo)準(zhǔn)單位制，即：長度為m，質(zhì)量為kg，力為N、通過建模及網(wǎng)格劃分之后的有限元模型如圖1所示，模型共有節(jié)點(diǎn)16266個。

在施加荷載及約束時，也進(jìn)行了相關(guān)簡化，省略了軸承處的磨阻力和側(cè)止水磨阻力。水壓力利用ANSYS表載荷施加在面板上，啟門力等效為相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位移約束，這些節(jié)點(diǎn)的支反力即為閘門的所需的啟門力。

圖 6 閘門的有限元模型

計算工況如表1所示：

表1 閘門計算工況

5 有限元計算結(jié)果與分析

弧形閘門主梁的有限元計算結(jié)果見圖7，8，9，10及表2。

圖7，圖8為分別為工況一下的主梁位移云圖及主梁應(yīng)力云圖。

圖9，圖10為分別為工況二下的主梁位移云圖及主梁應(yīng)力云圖。

表2為閘門有限元計算結(jié)果。

通過比較計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）工況二下得出的啟門力Q=215t與實際工程中所需的啟門力222t相較，非常接近。

（2）對比兩種工況，在考慮了啟門力Q之后，閘門上支臂承受的壓力沒有變化，中支臂承受的壓力增加了53t，下支臂承受的壓力增加了69t。

6 結(jié)束語

6.1 三支臂弧形閘門在計算時，可以將面板和縱次梁分別看作平板和直梁。

6.2 在考慮啟門力作用時，從有限元計算結(jié)果中可以看出：當(dāng)弧形閘門的吊點(diǎn)處于中框架和下框架之間位置時，啟門力對于上框架的影響是非常小的，幾乎可以忽略，而絕大部分的啟門力分配到了中框架和下框架上。因此，在今后的三支臂弧形閘門設(shè)計中，在同時考慮了安全因素之后，推薦忽略啟門力對上框架的影響，直接將啟門力分配到中框架和下框架之上。然后再將其與作用在框架上的水壓力進(jìn)行疊加，最后按照相應(yīng)公式進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)計算。

6.3 在弧形閘門的有限元計算中，閘門在啟門工況，啟閉力的施加可以等效為一位移約束施加在閘門邊梁上，待計算完成后，該約束處的反力即為閘門的啟閉力。

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作者簡介：高超（1986-），男，助理工程師，碩士學(xué)歷，研究方向：機(jī)械設(shè)計及理論。

鄭 （1989-），男，助理工程師，碩士學(xué)歷，研究方向：水利機(jī)械。