泄洪閘安裝排架系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

李玉橋， 閆路明， 費文平

（1.重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 401120；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065）

泄洪閘安裝排架系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

李玉橋1，2， 閆路明1， 費文平2

（1.重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 401120；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065）

文章以枕頭壩一級水電站泄洪閘安裝臨時排架系統(tǒng)為依托，采用ANSYS有限元軟件建立弧門安裝排架系統(tǒng)的三維有限元分析模型。對弧門施工臨時排架進(jìn)行三維有限元計算，模擬在閘門運輸工況和閘門安裝工況下排架系統(tǒng)各構(gòu)件的變形和應(yīng)力分布規(guī)律，提出在閘門運輸和安裝過程中排架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)及整體穩(wěn)定性，為閘門安裝工程的順利進(jìn)行提供保障。

閘門安裝；排架系統(tǒng)；有限元；應(yīng)力；變形

水工閘門廣泛應(yīng)用于水利工程中，是進(jìn)行流量控制的重要結(jié)構(gòu)，其作用主要表現(xiàn)為：排沙、航運、流量控制、泄洪、灌溉、發(fā)電等。水閘通常由閘室、上下游連接段構(gòu)成，其中閘室作為其主體結(jié)構(gòu)，由底板、閘墩、邊墩、閘門、胸墻、工作橋、檢修橋等部分構(gòu)成。其中，閘門用于擋水以及控制水流。弧形閘門門葉輕、啟閉力較小、運行速度快、運轉(zhuǎn)較安全，且對閘墩高度厚度要求較小，自其問世以來便廣受青睞。但是，對于大型弧形鋼閘門，受其運輸條件、場地限制等因素的制約，其安裝施工極具挑戰(zhàn)，且在安裝過程中常常給閘壩穩(wěn)定造成一定的安全隱患。

電站泄洪閘多具有閘門尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件二次倒運困難，安裝工作量大、工期短等特點，因此施工中常在閘壩頂部架設(shè)鋼結(jié)構(gòu)排架系統(tǒng)來吊運和安裝弧形鋼閘門。但由于閘門整體重量大，排架系統(tǒng)體型相對單薄且受力情況復(fù)雜，為確保排架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、可靠性和閘門安裝工程的順利進(jìn)行，需對臨時排架系統(tǒng)各構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分析計算，復(fù)核結(jié)構(gòu)的承載力及穩(wěn)定性。因此，研究泄洪閘安裝排架系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性具有非常重要的理論及工程實際意義。

本文以大渡河干流枕頭壩一級水電站為依托，分析泄洪閘安裝臨時排架系統(tǒng)在閘門運輸工況和閘門安裝工況下各構(gòu)件的變形和應(yīng)力分布規(guī)律，復(fù)核排架系統(tǒng)整體穩(wěn)定性，以期能為類似工程的施工臨時措施提供一定的借鑒及參考。

1 工程概況

枕頭壩一級水電站為大渡河干流水電梯級規(guī)劃的其中一個梯級，位于四川省樂山市金口河區(qū)。電站開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電，兼顧下游用水。電站采用堤壩式開發(fā)，為河床式廠房，電站裝機720MW，工程規(guī)模為大（2）型。

工程泄洪建筑物位于大壩右岸，5孔泄洪閘弧形工作閘門孔口尺寸為8m×16m（寬 ×高），設(shè)計水頭39m。1#、2#泄洪閘弧門重500 t，閘門門葉縱向?qū)ΨQ分兩節(jié)，每節(jié)單重101t。3#～5#泄洪閘弧門重524 t，閘門門葉縱向分三節(jié)，左、右門葉單重89.9t；中間門葉單重34.6t。

泄洪閘閘墩頂部上游高程626.50m，下游高程622.50m，為了使橋架主梁能夠在閘墩頂部平穩(wěn)滑動，在閘墩頂部下游架設(shè)4m高的排架。排架系統(tǒng)主要由縱向鋼梁（縱梁）、立柱、立柱間斜撐及立柱間綴條構(gòu)成。

縱向鋼梁采用鋼板焊接的箱型結(jié)構(gòu)，鋼梁高0.7m，寬0.4m，橫向鋼板厚20mm，豎向鋼板厚10mm。鋼梁以4個立柱支承，柱間間距5.69m和6.22m。吊裝閘門的橋機每側(cè)為4個車輪，間距3m，輪子最大壓力332.5kN。立柱高3.3m，由兩個［28a槽鋼組合而成，下端寬 0.6m，上端寬0.45m，下端底板以膨脹螺栓固定，上端垂直水流方向無約束，順?biāo)鞣较蛴袖摿褐危瑸殂q接固定。兩槽鋼間以角鋼為綴條連接，角鋼型號為∠40×40×4。立柱間設(shè)置斜支撐采用角鋼∠75×75×6。立柱和鋼梁、綴條和肢件以及斜撐和立柱之間采用焊接連接。

排架系統(tǒng)布置圖見圖1，排架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式及尺寸見表1。

圖1 排架系統(tǒng)布置圖

2 排架系統(tǒng)穩(wěn)定性計算分析

2.1 計算條件

2.1.1 計算范圍

水平方向取典型泄洪閘壩段、豎向地基方向的計算范圍取壩高的1～1.5倍，計算邊界上采用法向約束。計算坐標(biāo)系原點取在典型閘壩段的壩踵處，X方向為沿水流方向從上游指向下游，Y方向為鉛直向上方向，Z方向垂直于水流方向，由右手螺旋法則確定。三維有限元模型所取的計算范圍為-6.25≤X≤60， -23≤Y≤41.5， -13≤Z≤5。建立泄洪閘壩段、弧門施工臨時排架結(jié)構(gòu)、下部地基的三維整體有限元計算模型。

2.1.2 有限元網(wǎng)格

排架系統(tǒng)采用三維梁單元來模擬，閘壩結(jié)構(gòu)采用三維實體單元來模擬，進(jìn)行排架系統(tǒng)的整體三維有限元分析。泄洪閘壩段及排架系統(tǒng)的三維有限元計算網(wǎng)格共17490個單元，20866個節(jié)點，計算中模型的四周的鉛直面和底部施加法向約束，見圖2。

2.1.3 計算工況

根據(jù)排架系統(tǒng)的運行工況和受力情況，排架系統(tǒng)計算閘門安裝及閘門運輸兩種工況。工況一：集中荷載作用在中間跨段，模擬閘門安裝的工況。工況二：集中荷載作用在邊跨段，模擬閘門運輸?shù)墓r。兩種工況的荷載作用示意圖見圖3。

圖2 泄洪閘壩段及排架系統(tǒng)有限元計算網(wǎng)格圖

圖3 排架系統(tǒng)各工況荷載作用示意圖

2.1.4 材料模型

將壩體混凝土和鋼結(jié)構(gòu)排架視為線彈性材料，材料參數(shù)按表1取值。

表1 材料參數(shù)表

2.2 計算成果與分析

通過有限元分析計算，得到了排架系統(tǒng)縱向主梁、立柱、綴條和斜撐各構(gòu)件在閘門安裝及閘門運輸兩種工況下的應(yīng)力和應(yīng)變值，計算結(jié)果見表2。

表2 排架系統(tǒng)各構(gòu)件有限元計算成果匯總表

2.2.1 縱向鋼梁

排架縱向鋼梁在閘門安裝和閘門運輸工況下的等效應(yīng)力等值云圖見圖4。從圖中可以看出，兩種工況下，縱向鋼梁的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在有荷載作用的跨段兩端的上下邊緣處，最小應(yīng)力均出現(xiàn)在無荷載作用的跨段。其中，在集中荷載作用的部位有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，表現(xiàn)為應(yīng)力等值線云圖中顏色的突變。閘門安裝工況下，應(yīng)力場Von Mises等效應(yīng)力最大值為110MPa，最小值49.9Pa；閘門運輸工況下應(yīng)力場 Von Mises等效應(yīng)力最大值為111MPa，最小值363.8MPa。計算結(jié)果表明，應(yīng)力場Von Mises等效應(yīng)力最大值小于縱向鋼梁的允許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

圖4 縱向鋼梁等效應(yīng)力等值云圖（單位：Pa）

排架縱向鋼梁在閘門安裝和閘門運輸工況下的位移矢量圖見圖5。從圖中可以看出，兩種工況下，縱向鋼梁的最大位移均發(fā)生在有荷載作用的縱向鋼梁的跨中部位，最小合位移均發(fā)生在縱向鋼梁的兩端。在閘門安裝工況下，最大合位移為5.77mm，最小合位移為1.71mm。在閘門運輸工況下最大合位移為5.86mm，最小合位移為1.62mm。通過計算成果分析判斷，縱向鋼梁以起吊荷載和自重引起的豎向變形為主，但最大位移值較小，不影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

圖5 縱向鋼梁位移矢量圖（單位：m）

2.2.2 立柱

立柱在閘門安裝和閘門運輸工況下的等效應(yīng)力等值云圖見圖6。從圖中可以看出，閘門安裝工況下立柱的最大應(yīng)力出現(xiàn)在中跨立柱的頂部，最大應(yīng)力值為75.4MPa，立柱的最小應(yīng)力出現(xiàn)在邊跨立柱頂部，最小應(yīng)力值為4.97MPa。在閘門運輸工況下立柱的最大應(yīng)力出現(xiàn)在有荷載作用的邊跨立柱的頂部，最大應(yīng)力值為78.6MPa，立柱的最小應(yīng)力出現(xiàn)在無荷載作用的邊跨立柱頂部，最小應(yīng)力值為0.60MPa。通過計算成果分析判斷，立柱Von Mises等效應(yīng)力最大值小于立柱的允許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

圖6 立柱等效應(yīng)力等值云圖（單位：Pa）

立柱在閘門安裝和閘門運輸工況下的位移矢量圖見圖7。從圖中可以看出，閘門安裝工況下立柱的最大位移發(fā)生在中跨立柱頂部，最大合位移為3.12mm，最小合位移發(fā)生在邊跨立柱底部，最小合位移為1.59mm。在閘門運輸工況下立柱的最大位移發(fā)生在有荷載作用的邊跨立柱頂部，最大合位移為3.26mm，最小合位移發(fā)生在無荷載作用的邊跨立柱底部，最小合位移為1.58mm。通過計算成果分析判斷，立柱以起吊荷載和自重引起的豎向變形為主，但最大位移值較小，不影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

2.2.3 綴條

立柱間綴條在閘門安裝和閘門運輸工況下的等效應(yīng)力等值云圖見圖8。從圖中可以看出，在閘門安裝工況下綴條的最大應(yīng)力出現(xiàn)在中跨綴條的頂部，最大應(yīng)力值為30.4MPa，綴條的最小應(yīng)力出現(xiàn)在邊跨綴條頂部，最小應(yīng)力值為0.0017MPa。在閘門運輸工況下綴條的最大應(yīng)力出現(xiàn)在邊跨綴條的頂部，最大應(yīng)力值為31.2MPa，綴條的最小應(yīng)力出現(xiàn)在中跨綴條底部，最小應(yīng)力值為0.004MPa。通過計算成果分析判斷，綴條Von Mises等效應(yīng)力最大值小于綴條的允許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

圖7 立柱位移矢量圖（單位：m）

圖8 立柱間綴條等效應(yīng)力等值云圖（單位：Pa）

立柱間綴條在閘門安裝和閘門運輸工況下的位移矢量圖見圖9。從圖中可以看出，在閘門安裝工況下綴條的最大位移發(fā)生在中跨綴條頂部，最大合位移為2.81mm，最小合位移發(fā)生在邊跨綴條底部，最小合位移為1.61mm。在閘門運輸工況下綴條的最大位移發(fā)生在有荷載作用的邊跨綴條頂部，最大合位移為2.93mm，最小合位移發(fā)生在無荷載作用的邊跨綴條底部，最小合位移為1.59mm。通過計算成果分析判斷，綴條以起吊荷載和自重引起的豎向變形為主，但最大位移值較小，不影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

圖9 立柱間綴條位移矢量圖（單位：m）

2.2.4 斜撐

立柱間斜撐在閘門安裝和閘門運輸工況下的等效應(yīng)力等值云圖見圖10。從圖中可以看出，在閘門安裝工況下斜撐的最大應(yīng)力出現(xiàn)在斜撐的底部，最大應(yīng)力值為55.8MPa，斜撐的最小應(yīng)力出現(xiàn)在斜撐的底部，最小應(yīng)力值為0.9637MPa。在閘門運輸工況下斜撐的最大應(yīng)力出現(xiàn)在斜撐的底部，最大應(yīng)力值為47.3MPa，斜撐的最小應(yīng)力出現(xiàn)在斜撐的中部，最小應(yīng)力值為0.0154MPa。通過計算成果分析判斷，斜撐的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力均出現(xiàn)在斜撐的底部附近，斜撐Von Mises等效應(yīng)力最大值小于斜撐的允許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

圖10 立柱間斜撐等效應(yīng)力等值云圖（單位：Pa）

立柱間斜撐在閘門安裝和閘門運輸工況下的位移矢量圖見圖11。從圖中可以看出，兩種工況下，斜撐的最大位移均發(fā)生在斜撐中部，最小位移均發(fā)生在斜撐底部。在閘門安裝工況下最大合位移為8.17mm，最小合位移為1.67mm。在閘門運輸工況下最大合位移為8.17mm，最小合位移為1.63mm。通過計算成果分析判斷，斜撐以起吊荷載和自重引起的豎向變形為主，但最大位移值較小，不影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

圖11 立柱間斜撐位移矢量圖（單位：m）

3 結(jié)語

本文結(jié)合枕頭壩一級水電站工程實際，對泄洪閘安裝排架系統(tǒng)進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，充分模擬了排架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用三維有限元方法分別計算排架系統(tǒng)縱向鋼梁、立柱、綴條、斜撐等構(gòu)件在閘門安裝和閘門運輸兩種工況下的應(yīng)力及變形特性，得到以下結(jié)論：

（1）通過三維有限元法分析計算，排架系統(tǒng)縱向鋼梁、立柱、綴條、斜撐等構(gòu) 件在閘門安裝和閘門運輸兩種工況下Von Mises等效應(yīng)力最大值均小于規(guī)范的允許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。排架系統(tǒng)縱向鋼梁、立柱、綴條、斜撐等構(gòu)件在閘門安裝和閘門運輸兩種工況下的位移均以豎向變位為主，但最大位移值均較小，不影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

（2）排架系統(tǒng)采用鋼結(jié)構(gòu)焊接，鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸的合理選擇是確保排架系統(tǒng)運行可靠和經(jīng)濟合理的關(guān)鍵。

（3）在排架系統(tǒng)承受彎矩最大的鋼梁立柱之間設(shè)置斜撐可有效減小鋼梁變形和改善應(yīng)力分布，有利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。

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B

1672-2469（2017）10-0144-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.041

2017-04-20

李玉橋（1981年-），男，高級工程師。