水工鋼閘門應力復核評判方法研究

王 江

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

閘門是水工建筑物中用于控制河道流量、調節上下游水位的重要設施，主要設置在溢洪道、引水隧道、水閘等河口結構中。一般水工鋼閘門安全評估是對閘門外觀、閘門腐蝕速率、焊縫質量、閘門受載應力、啟閉機性能等進行現場測試后，通過有限元法進行模擬計算[1]，綜合評價閘門的安全狀況。受規劃水位、閘門腐蝕等因素的影響，在有限元校核過程中經常出現局部極少數單位應力超標的現象，針對這種現象，郭建斌等通過對吊耳進行線彈-塑性失效仿真、承載考核試驗，校核了鋼閘門吊耳框架的承載能力[2]；蘇浩等通過明確結構受載響應的敏感特性及其分布區域，可以有效確保鋼閘門安全可靠運行[3]。由此可以知道對閘門關鍵構件單元應力進行安全校核是閘門安全評判的重要手段。

通過對國內外大量失事鋼閘門進行統計分析，并結合業內學者的研究成果[4- 6]，可知造成鋼閘門失事的構件主要有支鉸、支臂、主梁、次梁、聯接部位、面板等[7- 9]。一方面隨著環境荷載的增加，局部應力最先超過各自容許應力，率先失效破壞；另一方面，當環境荷載逐步增加時，部位結構應力迅速響應、快速增加，表現為受載高度敏感。因此，對這些影響結構安全的部位進行安全分析是評判閘門整體安全的關鍵。

1 兩類易超標單元的介紹及提取方法

第一類應力易超標單元往往呈現出率先失效的特點；第二類應力易超標單元應力值相比于普通單元增速更快，是結構受載高度敏感的單元，即易失效的敏感部位。本節重點介紹這兩類結構單元的搜索方法[3]。

在有限單元法中，鋼閘門實體模型經過網格剖分，劃分為由多種單元組成的計算模型，每個單元包括若干個節點，兩個單元之間是利用一個共同的節點相互連接起來的，因此對特定單元的搜索可以通過搜索附著在其上的節點進行，一旦找到符合條件的節點，就可以得到這些節點組成的單元。

兩類單元分別按式(1)進行條件檢索：

(1)

圖1 單元靜應力相對變化率隨荷載變化的特性曲線

第二類單元搜尋結束后，把篩選出的分類單元節點按其坐標(x，y，z)重新導入ANSYS系統中構建三維空間模型，可以獲得第二類單元的局部分布狀況。

2 數值模型

2.1 建立鋼閘門模型并劃分網格

鋼閘門按原設計結構尺寸建模，所建立的閘門有限元計算模型如圖2所示，其中計算模型按標準網格器進行有限元剖分，外殼曲面自動重新光滑對齊，節點總數為484514個，單元總數為244971個。

圖2 閘門有限元計算模型

2.2 計算參數

鋼閘門材料為Q235鋼，彈性模量E=206.0GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3。根據SL 74—2013《水利水電工程鋼閘門設計規范》[10]，取0.9為調整系數，根據主要受力部位情況，鋼材尺寸取第3組，確定材料容許應力[σ]′=0.9×[σ]=130.5MPa、[τ]′=0.9×[τ]=76.5MPa。

2.3 APDL編程及應力試驗

(1)確定邊界條件及全局變量

閘門正常工作時主要受到靜水壓力及自重力，其中在有限元分析過程中，靜水壓力采用10%H設計、30%H設計、60%H設計、100%H設計、110%H設計、120%H設計、130%H設計、140%H設計、150%H設計逐項施加荷載，其中H設計=12.0m。

邊界約束重點考慮以下部分：在支鉸處受三個方向位移約束及繞y、z軸的轉動約束，門底受鉛直方向位移，約束原點位于門底。

(2)編寫APDL宏文件并求解

共編寫3個APDL宏文件，分別是Mair-Loop.mac，Loading.mac、Show.mac。

各宏文件的作用如下：

①Mair-Loop.mac：主腳本。負責循環調用子宏文件Loading.mac進行應力仿真計算過程。

②Loading.mac：子宏文件。被主腳本Main-Loop.mac調用。該文件讀入節點和單元文件，構建整個有限元模型，加載變化的荷載和約束，然后求解，求解之后輸出節點應力信息文件，供后階段搜尋第二類結構單元。

③Show.mac：子宏文件。Matlab程序通過篩選得到第二類結構單元并按固定格式輸出節點及單元文件，Show.mac負責載入單元文件并顯示。

3 兩類易超標單元的提取結果

鋼閘門的靜應力計算分析采用系統的靜應力分析模塊，其中10%H設計～100%H設計四種荷載按實際水頭作用位置施加在閘門面板上。110%H設計～150%H設計五種荷載由于已超過閘門結構設計高度，兼顧到“工程”中露頂式閘門結構，根據工程實際現狀，在H設計水頭的作用位置上調節水的密度進行加載試驗，受篇幅所限，本次只針對100%H設計結構靜應力進行分析(下同)，應力分布云圖如圖3所示。

圖3 鋼閘門結構靜應力分布云圖

3.1 第一類易超標單元提取結果

在100%H設計荷載作用下，鋼閘門靜應力分別按20～100MPa，共5個等級對單元結點的應力狀況進行統計分析，統計數據表明，鋼閘門應力值超過80MPa的單元數占2.33%，大于100.00MPa的單元數占0.37%(如圖4所示)，雖遠小于結構材料所能達到的抗力水平，但局部依然存在部分單元應力超過容許應力。

圖4 第一類應力大于100MPa的單元統計

3.2 第二類易超標單元提取結果

在100%H設計荷載作用下，對應2倍、10倍敏感單元結點的分布情況如圖5所示。使用圖像處理軟件疊出各等級的第二類單元相關分布區域圖像，并以6種顏色來區分各等級分布區域圖像，可以得到第二類單元的分布區域，如圖6所示，其中敏感性臨界倍率值取一、二、四、六、八、十等6個等級。

圖5 水工鋼閘門(半幅)單元2倍、10倍應力響應敏感區域

圖6 水工鋼閘門(半幅)第二類單元的分布區域示意圖

4 應對兩類應力易超標單元的校核方法

4.1 閘門應力實測

本次采用江蘇東華測試技術股份有限公司生產的DH5922N動態信號測試分析系統進行應力測試，閘門結構應力測試根據弧形閘門的受力特點進行測點布置，測點布置在兩類易超標單元分布集中部位，即閘門的主橫梁、支臂上，閘門，共布置30個測點，如圖7所示。

圖7 實測應力測點布置示意圖

兩類易超標單元主要分布于主橫梁、支臂、縱梁相互連接部位，支臂組合梁靠近支鉸等部位。受檢測部位限制，僅能對部分測點進行應力測試，測試結果見表1。考慮到弧形閘門薄壁空間結構的受力特點，有必要通過考慮單元失效受載仿真進行閘門整體校核。

4.2 考慮單元失效受載仿真校核

通過對水工鋼閘門應力集中易超標單元進行提取、分析，結果表明第一類易超標單元仍然存在極少數應力超過容許應力的情況(不到總數的0.045%)。這類單元主要分布在主橫梁與支臂、縱梁相互連接部位，主梁腹板部位，支鉸等部位。大部分第二類易超標單元隨著荷載的增加，其受載也隨之增加，但局部單元對外部荷載的變化具有更高的敏感性，響應非常迅速。這類單元主要分布在主橫梁、支臂、縱梁相互連接部位，支臂組合梁靠近支鉸等部位。

根據《應力集中系數手冊》[11]塑性材料的應力集中表現(如圖8所示)，由于應力集中引起的最大應力超過屈服極限σs，此時應力的增加值也會趨于緩和，如圖中曲線3所示，但此時應變會顯著增加。隨著荷載的繼續增大，塑性變形的范圍也相應變大，應力分布如圖中曲線4所示，更趨于均勻化。由此可以看出，由于金屬塑性材料變形時有強化現象，應力集中區域的金屬變形抗力有所增加。

圖8 塑性材料應力集中表現

鋼材所展現的逐段線彈-塑性的性能，表現為失事前呈塑性特征，能夠使應力集中部位產生應力重組，體現了應力集中部位局部應力失效后應力重組的彈塑性力學現象[2]。鋼閘門在加載過程中各應力單元之間表現為超靜定受力狀態，逐段線彈-塑性法(PWLEP)是處理兩類易超標單元對結構整體安全影響的有效辦法[12]。PWLEP法逐步失效路徑的分析計算步驟為：

(1)結合鋼閘門各單元受力現狀，定義易超標單元的應力鉸截面是一次塑性鉸截面。

(2)把塑性鉸截面處的應力設置為塑性抗力矩，再次進行應力計算并重復步驟(1)，可以獲取二次塑性鉸截面。

(3)按照上述方法不斷模擬，最終依據整體勁度矩陣|K|=0來評定鋼閘門整體是否安全。

根據搜索的兩類易超標應力單元，通過保留這些單元的抗拉及抗壓性能，讓其切向力學性能消失，改變該應力單元的勁度矩陣，使其重新返回至構件的勁度矩陣，從而模擬該應力單元失效的水工鋼閘門加載安全分析[13]?？紤]構件安全及一定的安全富余，將130.5MPa(0.9[σ])定義為應力單元的塑性鉸截面，結果顯示，鋼閘門各應力單元應力值同樣分布于40.0～80.0MPa之間，小于80.0MPa的應力單元約占總單元的98.43%，大于80MPa的應力單元較少且主要分布在橫梁縱梁相互連接部位以及支鉸等部位，其中最大受載米塞斯等效應力僅為116.24MPa，如圖9所示。

圖9 應力分布示意圖

4.3 實測應力與計算應力對比校核

為分析兩種方法的實際成果，本次給出閘門主梁和支臂主要測點應力計算[14- 15]與測試對比表(見表1)，并進行誤差分析(如圖10所示)。

表1 閘門主梁和支臂測點計算應力與實測應力對比

圖10 計算應力與實測應力對比誤差分析

對比測試結果可知，閘門主框架計算應力和實測應力的分布規律基本相同，在閘門主橫梁、支臂的30個測點中，實測應力與計算應力相對誤差超過10%以上的測點有1個，相對誤差在5%～10%的測點有4個，其余測點的相對誤差均小于5%。相對誤差最大值出現在右上支臂與主橫梁連接處的支臂外側翼緣測點7處，該處為受載應力較復雜的連接部位，受測試條件及測試方法偶然誤差的影響，此處可考慮為測試誤差異常值，可在條件允許情況下重新測試或予以剔除。閘門結構應力檢測與有限元計算分析所得到的閘門主框架應力分布規律相同，測點的實測成果與計算成果差異較小，檢測成果與有限元計算成果可以互相驗證。

因此綜合水工鋼閘門應力校核成果，盡管水工鋼閘門兩類易超標單元存在極少數單元應力超過容許應力，部分單元存在較高的敏感性及響應迅速的現象，但是經過實測校核、ANSYS仿真校核，這部分單元對結構影響甚微。

5 結論

(1)受規劃水位、閘門腐蝕等因素的影響，對現役閘門進行安全復核，應用ANSYS二次開發技術，獲取結構兩類易超標單元，是診斷閘門潛在缺陷的有效途徑。

(2)閘門復核計算過程中通過校核兩類易超標的單元是了解結構應力集中現象是否影響閘門整體安全的有效方法。

(3)弧形閘門主梁腹板、后翼緣板中部，主梁與支臂、縱梁交叉連接部位，支臂為兩類易超標單元的主要分布區域，也是弧形閘門薄弱環節，閘門服役后加強這部分的銹蝕養護、監測及預警是保障閘門整體運行安全的重要工作。