基于有限元對舊桁架進行受力及加固分析

范 如 谷

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

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基于有限元對舊桁架進行受力及加固分析

范 如 谷

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

以巴基斯坦蘇勒曼奇攔河壩修復改造工程中舊桁架改造為例，介紹了如何運用有限元對舊桁架進行建模，如何確定邊界條件和受力情況，如何加載并進行有限元計算，如何對有限元計算結果進行分析校核，如何確定桁架中需要進行加固的桿件和連接件。

有限元；建模；計算；舊桁架；加固；蘇勒曼奇攔河壩

1 概 述

巴基斯坦蘇勒曼奇攔河壩修復改造工程是對現有攔河壩進行修復改造。其大壩及金屬結構均為上世紀20年代制作，在此基礎上進行攔河壩的改造升級，尤其需要特別注意的是對金屬結構部分的改造升級。

蘇勒曼奇攔河壩修復改造工程中的閘門、閘門埋件、啟閉機均為全新設計制作；但桁架仍采用原來的舊桁架，由于其使用時間長，需要特別注意舊桁架的腐蝕情況，因此，必須對其進行計算校核。筆者采用有限元軟件對桁架進行了計算分析。

2 有限元模型的建立

蘇勒曼奇工程中，閘墩、閘門、平衡重、桁架和啟閉機(包括驅動裝置、傳動軸及卷筒裝置等)典型結構形式見圖1。桁架安裝在閘墩上，啟閉機安裝在桁架上。啟閉機驅動裝置通過傳動軸驅動卷筒裝置，卷筒裝置通過鋼絲繩與閘門和平衡重相連，驅動閘門及平衡重在門槽中升降實現閘門的開啟和關閉以控制水的流量。

這種形式的布置，其所有的力(包括閘門自重、開啟閘門所需要克服的阻力、平衡重自重等)通過鋼絲繩傳遞到卷筒裝置上，最后全部作用在桁架上。因此，對桁架的強度及穩定性校核計算就顯得尤為關鍵。

使用有限元軟件對桁架進行建模，首先需要確定桁架的具體尺寸。由于其為舊桁架，年代久遠，原來的圖紙資料不完善，很多尺寸需要現場測量確定；其次，對于桁架中每個桿件的截面尺寸也需要現場測量確定。進行舊桁架的校核計算，必須做好前期的準備工作，其中包括對桁架尺寸及桁架桿件截面尺寸的測量。

圖1 閘墩、閘門、桁架和啟閉機的典型結構形式圖

確定好桁架尺寸及桿件截面后開始建模。桁架多采用梁單元和桁架單元，而梁單元和桁架單元大致可以按照下述受力情況進行分類：受彎桿件按梁單元建模；僅受拉或受壓桿件按桁架單元建模。

建模時，充分考慮了桁架各桿件和連接件長時間以來的腐蝕情況，適當減少了桿件截面尺寸。所建立的有限元模型見圖2。X方向為下游指向上游方向，Y方向為左岸指向右岸方向，Z方向為垂直向上方向。

3 計算載荷的確定

桁架模型建好后，開始確定邊界條件和受力情況。該桁架立柱的最下端是固定在閘墩上的，為全約束。

該桁架受力情況較為復雜。桁架受到的力大致包括以下幾種：啟閉機自重、人在桁架上行走產生的力、啟閉力(包括閘門自重和開啟閘門所需要克服的阻力)、平衡重自重、風載荷、地震載荷等。

圖2 桁架有限元模型圖

根據閘門啟閉情況，可以將其分為四種最不利的載荷組合工況：

工況一：閘門在下極限時，啟閉力約等于閘門自重加開啟閘門所需要克服的阻力，此時啟閉力大，風從下游吹向上游，風載荷作用在啟閉機、桁架、平衡重上；

工況二：閘門在上極限時，啟閉力約等于閘門重，風從下游吹向上游，風載荷作用在啟閉機、桁架、閘門上。由于閘門處于上極限，整個閘門面均承受風載荷，此時風載荷大；

工況三：閘門在下極限時，啟閉力約等于閘門自重加開啟閘門所需要克服的阻力，此時，啟閉力大，地震載荷從下游指向上游；

工況四：閘門在上極限時，啟閉力約等于閘門重，風從下游吹向上游，地震載荷從下游指向上游。由于閘門處于上極限，整體重心高，此時地震載荷大。

最后，根據各個力的作用位置和大小加載力。

4 計算結果

加載好力和約束條件后，即可進行有限元計算。按上述四種工況分別進行有限元計算，對比其應力和變形結果，得出在工況一載荷組合作用下，桁架應力和變形均為最大，桁架應力分布情況見圖3，桁架變形情況見圖4。

通過有限元計算結果可以看出：桁架主梁上游側靠近桁架立柱處的應力值最大，因此，對這兩處需要進行校核，判斷其是否需要進行加固處理(包括桿件及連接件加固及更換)。而桁架的最大變形為9.14 mm，跨度為20 066 mm，變形約為1/2 195，遠小于合同要求，滿足使用要求，不需要再加強其剛度。

桁架進行局部加固后，在工況一載荷組合作用下，再次進行有限元計算，其桁架應力分布情況見圖5。

圖3 工況一載荷組合作用下桁架應力分布圖

圖4 工況一載荷組合作用下桁架變形圖

圖5 工況一載荷組合作用下加固后桁架應力分布圖

通過有限元計算結果可以看出，經過局部加固桁架，有效地減小了桁架的局部應力。

5 計算結果的分析與校核

采用有限元軟件計算出結果后，其中一些受彎桿件可以直接用有限元計算出來的最大應力值與規范給出的許用應力值相比較，對于小于規范給出的許用應力值則不需要進行加固，大于則進行加固，然后再進行計算比較。針對一些受壓桿件，還需進行穩定性校核，將采用有限元計算出來的最大應力值與規范計算出來的許用應力值進行比較，對于小于規范計算出來的許用應力值則不需要進行加固，大于則進行加固，然后再進行計算分析與比較。

筆者通過兩個典型的桁架桿件加固計算詳細說明桁架的加固計算過程。

(1) 桁架受彎桿件的比較與計算。

桁架主梁上游側靠近桁架立柱處下部橫梁有限元計算出來的最大應力值為106.4 MPa(圖2)，此件為受彎桿件，通過標準(水工建筑閘門及壓力鋼管技術規范)查出其許用壓應力為118 MPa，滿足使用要求。

(2)桁架受壓桿件的校核與計算。

桁架主梁上游側靠近桁架立柱處斜撐有限元計算出來的最大應力值為102.4 MPa(圖2)，為壓應力。因該斜撐為受壓桿件，需進行壓桿穩定性校核。該斜撐長度為1 966.86 mm，其慣性半徑為36.75 mm，通過標準(水工建筑閘門及壓力鋼管技術規范)計算出其許用壓應力為93.5 MPa，小于有限元計算出來的最大應力值102.4 MPa，因此，該斜撐需進行加固。該斜撐與桁架其它桿件為鉚釘連接，一端為9顆直徑為22.225 mm的鉚釘，其許用剪切應力為42.62 MPa，遠小于有限元計算出來的最大應力值，需更換為高強螺栓。

斜撐加固后，有限元計算出來的最大應力值為90.58 MPa(圖3)，為 壓 應 力。斜 撐 長 度 為1 966.86 mm，其加固后的慣性半徑為39.17 mm，通過標準(水工建筑閘門及壓力鋼管技術規范)計算出其加固后的許用壓應力為95.9 MPa，大于有限元計算出來的最大應力值90.58 MPa，滿足使用要求。連接處改用9顆M22-10.9S的高強螺栓，高強螺栓預拉力為190 kN，摩擦因數為0.3，摩擦面為2個面，計算出其許用摩擦力為821 kN，大于此處最大軸心力776 kN(最大軸心力=最大應力值×截面積(8 569.7 mm2))，滿足使用要求。

桁架其余桿件的計算可按以上兩種方法進行。

6 結 語

通過有限元計算，可以快速地分析出桁架中各處的受力情況，然后根據受力情況進行局部加固。相對于傳統手工計算來說，桁架的有限元計算大大提高了計算的效率和準確性，縮短了計算周期。

筆者介紹了如何使用有限元對桁架進行建模、加載以及計算結果分析，如何進行舊桁架的加固等， 希望對遇到同樣情況需要進行桁架加固計算的同行起到參考作用。

(責任編輯：李燕輝)

2016-10-28

文獻標識碼: B文章編號:1001-2184(2016)06-0027-03

范如谷(1982-),男，四川金堂人，處長，工程師，學士，從事水工金屬結構及啟閉起重設備制造設計工作.