引水工程取水口平面鋼閘門整體性能優化設計

柴振軍

引水工程取水口平面鋼閘門整體性能優化設計

柴振軍

（燈塔市渾沙灌區管理處，遼寧 燈塔 111307）

平面鋼閘門是水工建筑物中調節水位的重要結構，運用有限元法，依據相應規范驗證鋼閘門設計的正確性，對引水工程取水口平面鋼閘門結構進行靜力模擬計算和整體性優化設計，提出兩種優化設計方案，在保證經濟合理、結構安全、施工方便的原則下，得出適合引水工程的閘門結構形式，對引水工程取水口平面鋼閘門整體性能設計和工程應用具有重要的意義。

平面閘門；有限元法；整體性能；優化設計

閘門的主要功能是封閉水工建筑物，并按照工作需要控制泄水孔口的大小，調控流量泄放和上下游水位，在水工建筑物中扮演著重要角色，決定了水工建筑物運行的穩定性和安全性［1］。隨著我國水利水電建設事業的迅速發展，各種大壩不斷興建，閘門的運行條件也變得更加復雜，閘門不僅要滿足各種工作要求的開度，而且要適應不同開度下閘門上、下游水位的復雜組合。

平面鋼閘門由于其順水流方向的空間尺寸小，制造、安裝、維修簡單、便于檢修等優點在水利工程中得到廣泛的應用。作為水工結構中重要的擋水裝置，結構的可靠性很大程度上決定著水工建筑物的運行效果，甚至威脅到其他水工結構的安全，了解并掌握閘門振動問題是保證水工鋼閘門安全運行必不可少的環節。運用有限元法［2］，依據相應規范驗證鋼閘門設計的正確性，對引水工程取水口平面鋼閘門結構進行靜力模擬計算和整體性優化設計，得出適合引水工程的閘門結構形式，對工程應用具有重要的意義。

1 平面鋼閘門有限元模型

1.1 閘門結構

采用平面定輪直升式閘門，面板厚度為20mm［3］。閘門采用多滾輪支撐，在閘門兩側各布置8個直徑為800mm的主輪。閘門主梁體系采用同層布置，主梁的形式為簡支，斷面型式為工字型，按照等間距布置，腹板高度為1174mm，跨度為8174mm，厚度為20mm；上翼緣寬度為400mm，厚度為 36mm；下翼緣寬度為 300mm，厚度為20mm；主梁具體尺寸見圖1、圖2。

圖1 主梁橫截面圖

圖2 主梁立體圖

1.2 計算模型

采用solid45單元模擬閘門的結構體系［4］，平面鋼閘門為空間薄壁結構體系，Ansys中solid45單元為3D8節點結構實體單元，用于模擬3D實體結構。鋼閘門整體模型見圖3，對閘門共離散1409168個單元，377116個節點，控制劃分單元的長度為50mm，鋼閘門有限元模型見圖4。

圖3 鋼閘門整體模型

圖4 鋼閘門有限元模型

1.3 相關參數及約束條件

閘門采用的材質為 Q345，門體總重120.0t，其中配重塊的重量為43.58t，閘門結構重量為60.42t。閘門質量密度為7800kg/m3，彈性模量為2.1*1011N/mm2；泊松比為0.3；重力加速度為9.8m/kg。約束為鏈桿約束［5］，即在主輪處施加順水流方向約束，在閘門底端施加閘底板對閘門的支撐約束。

2 平面鋼閘門整體性能優化設計

2.1 優化設計原則

在有限元模型實驗中，平面鋼閘門在不同開度下的脈動壓力主頻集中在20Hz以內［6-7］。通過對閘門進行自振特性分析得到閘門的干濕模態分別為14.9Hz和9.5Hz，閘門結構的自振頻率與結構的剛度和質量有關。鋼閘門有在動水中啟閉的要求，加重其自身重量有助于閘門在動水中關閉。但是自身重量的提高卻降低了閘門的自振頻率，故優化設計應保證閘門在原設計的重量下提高結構的剛度［8-9］，即在保證閘門質量不變的情況下提高閘門結構的剛度，以此來提高閘門的低階振動頻率。

2.2 優化設計基本方案

本文提出兩種優化方案：（1）取消配重塊，并將配重塊質量均勻分配到閘門結構中；（2）用混凝土塊代替配重塊，改變閘門結構，提高閘門剛度。

優化設計方案一：采用取消配重塊并將配重塊質量均勻分配到閘門結構中的方法，將閘門面板厚度提高到30mm，主梁腹板厚度和橫隔板厚度均提高到40mm，改工字形主梁為變截面工字形梁，主梁中間部位腹板高度提高為1664mm，主梁兩端腹板高度保持不變，為1164mm。主梁與主梁之間增加水平次梁，次梁橫截面選用槽鋼，型號為40a。最后，將主梁后翼緣連接成整體。優化后閘門整體的重量為104.52t，與原設計相差不大。

優化設計方案二：采用混凝土塊代替配重塊的方法，改工字形主梁為變截面工字形梁，主梁中間部位腹板高度提高為1664mm，主梁兩端腹板高度保持不變，為1164mm。主梁與主梁之間增加水平次梁，次梁橫截面選用槽鋼，型號為40a。在主梁腹板處澆筑混凝土，澆筑高度為與次梁齊平；最后，將主梁后翼緣連接成整體。優化后閘門整體的重量為104.24t，其中混凝土配重塊重23.34t，閘門主材重80.9t，優化后閘門整體質量與原設計相差不大。

3 方案優化分析

3.1 閘門結構及材料使用量對比

引水工程取水口平面鋼閘門的四個設計方案：初步設計方案、初步優化設計方案、優化設計方案一、優化設計方案二分別命名為方案一、二、三、四，各方案中閘門主材以及配重塊等材料的使用情況見表1。

表1 閘門主材及配重塊用量 單位：t

從表1中數據可以看出配重塊和主材使用量，方案一中主材使用量最小為60.42t，但由于配重塊材料為43.58t，增加了造價；方案二的主材使用量最大為107.8t。方案四采用混凝土配重塊代替鑄鐵配重塊，從一定程度上降低了造價。查找相關資料可知［6］，1方混凝土報價為300元，混凝土密度按照2400kg/m3計算，23.34t混凝土按體積計算為9.725m3，總價格為2917.5元。國內鋼材價格按照2700元/t計算，鑄鐵價格按照2000元/t計算，則方案一的總造價為25萬元；方案二的材料價格為29.1萬元；方案三的材料價格為28.2萬元；方案四的材料價格為22.1萬元。從經濟性上講，方案三、四更優于方案二。

3.2 靜力計算結果對比分析

引水工程取水口工作閘門設計方案的數值模擬靜力計算結果匯總于下表2。其中，各方案均采用3D8節點實體單元solid45進行建模，控制單元劃分尺寸為50mm。模型中各參數取值如下，彈性模量：E=2.1×1011N/mm2；泊松比：μ=0.3；質量密度：ρ=7800kg/m3；重力加速度：g=9.8m/s2。從表中數據可以看出，經過方案二、三、四的優化，這三種方案均滿足閘門的剛度和強度要求。閘門整體沿水流方向位移均有所減小，其中方案三的效果最明顯，閘門整體剛度最大，閘門底主梁順水流方向位移降低到3.02mm，頂主梁位移降低到2.6mm，完全滿足水封的工作要求。

表2 靜力計算結果對比表

3.3 自振特性計算結果對比分析

方案一、二、三、四的閘門結構前10階干濕模態統計見表3。從表中可以看出，閘門的自振頻率逐漸上升，且閘門的濕模態低于閘門的干模態。方案二、三、四中閘門的低階干濕模態已經基本遠離了水流的脈動主頻區，其中方案三、四的低階濕模態分別為19.5Hz和19.2Hz，效果更加顯著，達到了優化設計的目的。

表3 不同方案閘門結構前10階干濕模態 單位：Hz

3.4 振動響應結果對比分析

表4列出了三種方案在0.4開度下的閘門底部振動加速度均方根，從表中數據可以看出，各方案振動加速度均根值最大值出現在方案三中 Y方向，值為0.505m/s2。按三倍均根值計算最大值為1.515m/s2，方案三、四中的振動加速度均根值出現大于方案二的趨勢，但各方案均滿足振動控制要求，閘門可以正常運行。

表4 0.4開度下閘門底部測點各方向振動加速度均根值 單位：m/s2

4 結語

運用有限元模型，對閘門進行靜力模擬計算以及閘門結構的優化設計研究，得到了如下結論。（1）平面鋼閘門在不同開度下的脈動壓力主頻集中在20Hz以內，通過對閘門進行自振特性分析得到閘門的干濕模態分別為14.9Hz和9.5Hz；（2）保證閘門整體質量不變的情況下將配重塊完全取消，并將配重塊質量均勻分配到閘門整體結構中，這種方法提高了閘門主材的使用量；（3）提出兩種優化設計方案，并對方案進行了靜動力分析，從結構安全、經濟合理、施工方便等角度最終確定方案三為最優方案。

［1］紀偉，任玉珊.基于有限元法的平面鋼閘門結構整體性優化設計［J］.人民珠江，2015（03）：76-81.

［2］楊薇.引水式電站金屬結構設計分析［J］.小水電，2015（06）：48-50.

［3］吳建國.龍灣發電廠引水隧洞取水口設計方案優化［J］.浙江電力，1997（06）：46-49.

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［5］丁峰，關金良，劉月剛.弧形鋼閘門改造設計要點淺論—以懷柔水庫西溢洪道閘為例［J］.水利規劃與設計，2014（09）：86-89.

［6］童曄，朱大偉.數值模擬在平原河網地區供水規劃中的應用研究［J］.水利規劃與設計，2015 （01）：16-18.

［7］袁啟銘.坑口閘除險加固工程設計分析［J］.水利技術監督，2015（03）： 67-69.

［8］盛旭軍，胡木生，張兵，等.弧形閘門流激振動原型觀測試驗技術研究［J］.水利技術監督，2016（01）：7-11.

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TV663

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1008-1305（2017）05-0118-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.037

2016-07-12

柴振軍（1978年—），男，工程師。