弧形鋼閘門主梁布置位置優化研究

王 蓓

（山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013）

1 工程背景

某水電站是一座以防洪和發電為主，兼具其他多種功能的綜合性小型水利工程。電站的主要水工建筑物有大壩、引水發電系統以及泄洪設施。電站大壩為混凝土重力壩，按照百年一遇洪水標準設計，千年一遇洪水標準校核。大壩的溢流壩段位于大壩的右岸，為WES實用溢流堰設計，堰頂高程為55.10 m。溢流壩閘門為露頂式鋼閘門，設計水位為400.0 m，壩前超高水位為0.5 m，底坎的高程為380.8 m，弧形鋼閘門的高度為19.7 m，寬度為14.0 m。閘門的面板和主梁為16 Mn鋼設計，其余構件均采用Q235B鋼，彈性模量為206 GPa，重度為78.5 kN/m3，泊松比為0.3。對于弧形鋼閘門，其主梁和支臂結構共同構成了弧門的主框架，其布置形式的合理設計可以使主框架受力良好，提高閘門的承載力和安全性，保證弧形鋼閘門的正常、安全運行[1]。基于此，此次研究力求通過數值模擬的方法，探討主梁布置位置對閘門結構剛度和強度的影響，并提出具體的工程設計建議。

2 有限元模型的構建

2.1 計算軟件的選擇

ANSYS是一款由美國ANSYS公司開發的通用有限元軟件，在工程設計和分析領域具有十分廣泛的影響，已經成為當前增長最快的CAE軟件，可以用解決結構、流體、電力等諸多領域的數值模擬計算問題，具有良好的發展和應用前景[2]。ANSYS軟件主要由前處理、分析計算以及后處理3個主要模塊，不僅具有功能強大、操作簡單的優勢，同時還可以為廣大用戶提供多種二次開發工具[3]。基于此，此次研究選擇ANSYS有限元軟件進行計算模型的構建。

參數化建模技術是當前計算機數值模擬研究領域的重要基礎性技術，是指采用一組參數確定研究對象的具體幾何特征，從而實現模型的設計參數和研究對象幾何尺寸的有效對接，從而實現研究對象建模的參數驅動[4]。由此次研究對象的具體特點可知，其十分適合采用參數化建模技術，因此采用軟件中自帶的APDL（ANSYS Parametric Design Language）參數化設計語言進行研究對象的參數化建模，實現弧形閘門的參數化幾何模型的建立、參數化網格劃分、參數化材料屬性的定義、參數化荷載與邊界約束條件的施加以及參數化的后處理[5]。

2.2 有限元模型的建立

在鋼閘門的幾何模型建立過程中，以順河向指向上游的方向為X軸正方向，以豎直向上的方向為Y軸正方向；以垂直于X軸指向右岸的方向為Z軸的正方。由于此次研究需要對有限元模型進行多次計算，因此支臂箱型梁、面板、主梁、橫向次梁、縱向次梁部分使用ANSYS 中的Shell63板殼單元進行模擬，支臂的橫撐、斜撐、橫撐間的連接板、小梁等結構使用ANSYS 中的Beam188梁單元進行模擬[6]。最終，鋼閘門模型被劃分為15 976個網格單元，12 247個計算節點，模型的網格剖分示意圖如圖1所示。

圖1 弧形鋼閘門三維有限元模型示意圖

2.3 計算荷載與邊界條件

研究中按照水電站的設計工況進行鋼閘門的靜力分析，其工作狀態為關閉擋水狀態。施加在閘門上的主要荷載有兩部分，一是設計水位條件下上游的水壓荷載，二是閘門的自重荷載[7]。此外，科學合理的邊界條件對保證數值模擬計算結果的科學性和準確性具有重要意義。鑒于鋼閘門的門檻具有顯著的約束作用，因此其門葉底部和門檻接觸的部位相對固定，不會產生明顯的豎向位移，因此在上述位置施加豎向位移約束。由于支臂和支座均安放在鉸結構上，可以進行靈活轉動，因此需要在支鉸結構部位施加全位移約束，同時在繞X軸和Y軸方向施加轉動約束。

2.4 優化思路

背景工程鋼閘門有3道主梁，分別記作上主梁、中主梁和下主梁。在主梁的位置布置方面，首先根據等水壓力原理[8]，將中主梁置于總水壓力的作用線上，然后改變上主梁和下主梁與中主梁之間的間距，從而獲得最佳設計方案[9]。3道主梁可以將弧形閘門的面板自上而下分為4部分，其間距分別記為a、b、c、d。其中b為上主梁和中主梁之間的間距，c為中主梁和下主梁之間的間距，是此次研究的主要變量。研究中首先保持c不變，對b進行優化，然后保持優化后的b不變，對c進行優化，最終獲得主梁位置的最佳方案。

3 優化計算結果與分析

3.1 上主梁位置優化

按照上節的優化思路，保持中主梁和下主梁之間的間距c為4.5 m不變，以1.5 m的間隔設計3.0 m、4.5 m、6.0 m、7.5 m和9.0 m 5個不同的上主梁和中主梁之間的間距b值進行模擬計算，其對應的a值分別為10.6 m、9.1 m、7.6 m、6.1 m和4.6 m，所有方案的d值均為2.2 m。利用上節構建的數值模型，對不同方案下的主梁應力分布進行計算，并從計算結果中提取出主梁的上翼緣、下翼緣以及腹板等關鍵部位的各向應力最大值，結果如表1所示。從表1的計算結果來看，上翼緣的第一主應力值隨著上主梁與中主梁間距b值的增大而增大，且大于6.0 m時的增幅極為有限。其余各關鍵部位的各向應力值均呈現出先減小后增大的變化特征，且上主梁與中主梁間距b值為6.0 m時最小。由此可見，上主梁和中主梁間距為6.0 m時為最佳。

表1 不同上主梁位置關鍵部位應力最大值單位：MPa

3.2 下主梁位置優化

根據上節的計算結果，上主梁和中主梁之間的間距為6.0 m時最優。因此，保持上主梁和中主梁之間的間距為6.0 m不變，以0.5 m的間隔設計2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m和5.0 m 6個不同的中主梁和下主梁之間的間距c值進行模擬計算，其對應的d值分別為4.2 m、3.7 m、3.2 m、2.7 m和2.2 m和1.7m，所有方案的a值均為7.6 m。利用上節構建的數值模型，對不同方案下的主梁應力分布進行計算，并從計算結果中提取出主梁的上翼緣、下翼緣以及腹板等關鍵部位的各向應力最大值，結果如表2所示。從表2的計算結果來看，下翼緣的第一主應力值隨著下主梁與中主梁間距c值的增大而增大，但是增大的幅度并不大。其余各關鍵部位的各向應力值均呈現出先減小后增大的變化特征，且下主梁與中主梁間距c值為4.5 m時最小。由此可見，下主梁和中主梁間距為4.5 m時為最佳。

3.3 水位降低的受力影響計算分析

根據上文的計算結果，上主梁和中主梁以及中主梁和下主梁之間的間距分別為6.0 m和4.5 m時弧門關鍵部位的受力情況較好。考慮到水庫運行過程中的水位經常低于設計水位，而這種情況下弧門的受力條件是否仍舊較好，需要進一步探討。基于此，在其余條件不變的情況下，對水位低于設計水位1.0 m的低水位進行計算，結果如表3所示。由計算結果可知，在低水位條件下，僅有上翼緣的第3主應力和Mises 應力最大值較設計水位工況有所增大，但是增大的幅度較為有限，其余各部位的應力值均有不同程度的減小。由此可見，本文提出的最佳方案在低水位情況下亦可以取得良好的受力優化效果，建議在工程設計中應用。

表3 不同水位高度關鍵部位應力最大值單位：MPa

4 結論

此次研究以具體工程為背景，探討了弧形鋼閘門主梁設置位置優化問題，并獲得如下主要結論。

（1）從不同上主梁與中主梁間距下關鍵部位的應力計算結果來看，上主梁和中主梁間距為6.0 m時為最佳。

（2）從不同下主梁與中主梁間距下關鍵部位的應力計算結果來看，下主梁和中主梁間距為4.5 m時為最佳。

（3）從不同水位高度工況的計算結果來看，上主梁和中主梁以及中主梁和下主梁之間的間距分別為6.0 m和4.5 m的方案在低水位情況下亦可以取得良好的受力優化效果，建議在工程設計中應用。