FRP矩形空心閘門結構設計與定型研究

韓仲凱，張立新，余建偉，陳 偉,劉 明

（1.山東省水利科學研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟南 250014；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

FRP矩形空心閘門結構設計與定型研究

韓仲凱1，張立新1，余建偉2，陳 偉2,劉 明1

（1.山東省水利科學研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟南 250014；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

以控制FRP閘門在水荷載下的最大撓度以及體積分數為主要指標，通過ANSYS軟件對FRP空心閘門的各項參數，如面板厚度、腹板厚度、腹板高度以及腹板數量數量等進行了優化設計，并分析了各參數的影響效率。同時結合現場試驗，給出了FRP閘門的撓度設計限值，并給出了四種典型規格的FRP閘門的各項設計參數，為FRP閘門的設計和應用提供參考依據。

FRP閘門；參數優化；撓度設計限值；典型規格設計

目前我國現有中小型閘門一般為鋼閘門、鋼筋混凝土和鑄鐵材料制作而成。鋼閘門具有材料強度高，結構受荷明確，施工及養護易掌握等優點，但鋼閘門容易銹蝕，需較頻繁的養護、檢修。鋼筋混凝土閘門，體積大且笨重，導致啟閉機的投資增加。鑄鐵閘門受制造工藝影響，孔口尺寸方面受到一定的限制，且材質本身極易銹蝕，同時鑄鐵具有回收利用價值，所以地處偏僻位置鑄鐵閘門丟失嚴重。經理論研究與實際試驗，發現充分利用復合纖維材料輕質高強、耐腐蝕、抗老化、可設計性強等優點，用來制作水工閘門，將其在水利行業中推廣應用，將能很好地解決普通閘門在使用中的一系列問題。目前對FRP閘門相關的研究很少，且大多集中在纖維筋混凝土閘門上，純FRP閘的研究和應用尚未發現。因此在真正應用到工程實踐中之前，有必要進行合理的設計。

1 參數優化

筆者在參考鋼閘門設計方法后，采用ANSYS有限元軟件對FRP閘門進行建模，并對FRP閘門結構進行優化設計，具體參數主要包括以下 4 項：tf：面板的厚度；n：腹板的數量；tc：腹板的厚度；H0：腹板的高度，具體參數見圖1。本研究閘門跨度和高度規格有幾種，以2300×1800的規格來進行下列優化設計。

考察的性能指標包括：

圖1 參數位置圖

1）最大撓度ωmax，該指標反映FRP閘門是否滿足正常使用的要求。

2）體積分數，即 V/(A×B)，其中 A 為閘門跨度，B為閘門高度。計算公式如下：

1.1 面板厚度

先固定其他3個參數，腹板的數量n=10，腹板的厚度tc=5 mm，腹板的高度H0=70 mm，以面板的厚度tf為變量，取值為10 mm、11 mm、12 mm、13 mm、14 mm、15 mm。 面板厚度 tf變化

對于實際工程，A×B的值是已經給定的，該指標反映FRP閘門材料的用量、最終質量及造價。其值越大，表示所用材料越多，造價越高。

3）影響效率η，增大（減小）某個參數的值，會減小（增大）撓度值，必然會增大（減小）體積分數，該指標反映變化參數對FRP箱型閘門影響效率，其值越大，表明變化參數對閘門優化越顯著。計算方式見式（2）。對ωmax的影響較小，由下面的曲線（圖2）可以看出，隨著面板厚度增大，變形減小，但隨厚度增加變形減小的程度有所變緩。在已測6點處的切線斜率很小，K值最大的為0.395，最小的為0.22，平均值為0.3，即平均面板厚度增加1 mm，最大撓度只能降低0.3 mm。

面板厚度tf變化對v的影響很大，由公式（1）得出，d v/dtf=2，可以看出v是隨tf線性變化，v=2tf+1.95。由上式可以看出，增加一個單位tf，能降低0.3個單位撓度，同時也會增加2個單位體積分數，η=0.15。

圖2 面板厚度的影響

1.2 腹板數量

固定面板的厚度tf=10mm，腹板的厚度tc=5mm，腹板的高度H0=70 mm，以腹板的數量n為變量，取值為 6、7、8、9、10、11、12，腹板數量的影響見圖 3。

圖3 腹板數量的影響

由圖3可以看出，腹板數量的影響腹板個數n變化對ωmax的影響是先快后慢，最后幾乎是一條斜率很小的直線。當n≤8時，斜率為1.703；當n≥8時，斜率為 0.119。

腹板的數量n對v的影響較小，由公式（1），v=0.19n+20。 當 n≤8 時，η=8.96，當 n≥8時，η=0.626。

1.3 腹板厚度

固定面板的厚度tf=10 mm，腹板的數量n=10，腹板的高度H0=70 mm，以腹板的厚度tc為變量，取值為 3 mm，4 mm，5 mm，6 mm，7 mm，8 mm。腹板厚度tc變化對ωmax的影響較大，由下面的曲線（圖 4）可以看出，?2ω/?t2＜0，隨著腹板厚度的增加，最大撓度減小速度變緩；腹板厚度變化對v的影響比較大，由公式（1）得出，v=0.39tc+20；腹板厚度變化對η的影響比較大，η=0.76。

圖4 腹板厚度的影響

1.4 腹板高度

固定面板厚度tf=10 mm，腹板的數量n=10，腹板的厚度tc=5 mm，以腹板的高度H0為變量，取值為 4 cm，5 cm，6 cm，7 cm，8 cm，9 cm。 由曲線（圖5）可以看出，腹板高度H0變化對ωmax的影響很大；腹板高度H0變化對v的影響比較小，由公式（1）得出，v ＝0．23H0＋20；腹板高度 H0變化對η 的影響比較大，η＝3.57。

圖5 腹板高度的影響

由以上分析可知，在對FRP閘門進行設計時，保證腹板數量足夠。只有足夠的腹板數量，前后面板才能夠協調工作。當腹板數量達到一定數量時，再增大腹板數量則意義不大。由以上分析可以看出，沿閘門高度每隔300～500 mm設置一個腹板比較合適。

2 撓度設計和規格設計

2.1 撓度限值設計

為便于實際工程中的應用，結合上述有限元優化設計結論，并考慮FRP材料的性能，筆者設計了4種規格的FRP中小型閘門，規格分別為0.5 m×0.5 m （FG-500-500）、1 m×1 m （FG-1000-1000）、1.5 m×0.8 m（FG-1500-800）、2 m×1.5 m（FG-2000-1500）。對FRP中小型閘門進行設計時，最重要的考慮因素即為最大撓度限值。最大撓度與計算跨度之比，不應超過下列數值：1）潛孔式工作閘門和事故閘門的主梁1/750；2）露頂式工作閘門和事故閘門的主梁1/600；3）檢修閘門和攔污柵的主梁1/500；4）次梁1/250。

本文設計的FRP空心閘門較鋼閘門結構簡單，其最大撓度限值可對比露頂式工作閘門主梁，即1/600。考慮到FRP材料延性較鋼材好，其最大撓度限值可適當放寬。通過ANSYS軟件對屈曲的模擬以及現場試驗的初步研究，可認為上述4種規格的FRP閘門在使用過程中，撓跨比不超過表2數值時，閘門能正常使用。

表2 四種FRP閘門撓跨比

2.2 典型規格設計

結合上述參數優化分析，并考慮表2中得到的各典型規格FRP閘門的撓跨比限值，可以對4種典型規格的FRP閘門進行定型設計，確定其參數選擇范圍。腹板厚度對閘門性能影響較小，需要最后考慮，一般取5~10 mm。此外，結合確定的撓跨比限值，通過有限元計算可確定面板厚度范圍。綜合上述分析，將選定的4種典型規格的FRP閘門參數設計要求列表如表3。

表3 四種FRP閘門參數設計要求

根據表3給出的設計參數，筆者在山東省魚臺縣進行了一系列FRP閘門現場示范工程，目前為止FRP閘門運行良好，且監測所得撓度限值均在給出的限值范圍內，表明本文所提及的設計理論有著較好的指導價值。

[1] 秦毅，顧群.全國病險水閘成因分析及加固的必要性[J].水利水電工程設計,2010,02:25-26+38+55.

（責任編輯崔春梅）

TV664.1

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1009-6159（2017）-10-0061-03

韓仲凱（1979—），男，工程師

山東省省級水利科研與技術推廣項目（SDSLKY201407）