沙閻路閘橋弧形閘門結構有限元分析

孫 逸，高 歡，陶柏辰，和 睿

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

1 工程概況

九江市八里湖與賽城湖在歷史上曾是一個湖泊，與長江直接連通，被稱為鶴問湖。后來由于圍墾開發，鶴問湖被分為兩個部分，即八里湖和賽城湖。目前八里湖和賽城湖各自獨立控制運行，通過水閘和泵站與長江連通。八里湖通過新開河的八里湖閘和八里湖泵站與長江連通，賽城湖通過賽城湖閘與長江連通[1]。兩湖中間的地帶成為居民區和縱橫的道路。

沙閻路生態化改造工程(以下簡稱道路工程)位于九江市八里湖新區，改造起點為沙閻路與八里湖北路交叉口處，途徑長虹西大道，終點止于鶴問路現狀26 m斷面處。改造全長約為3 500 m，寬為50 m。在道路工程樁號K0+650至K1+050處跨越八里湖水域，根據《九江市八里湖新區沙閻路生態化改造工程可行性研究報告》，擬在該處修建1座5跨30 m預應力小箱梁橋，橋梁中心樁號為K0+900，橋長約為158 m。

現沙閻路生態化改造工程先于兩湖正式連通前實施。考慮到兩湖防洪水位相差較大的現狀，為增強連通后整個八里湖水體的流動性和連通的可控性，并保證現階段兩湖的防洪功能，擬在兩湖連通處增加節制閘進行控制。

2 金屬結構布置

沙閻路閘橋弧形鋼閘門，門寬為29 m，門高為8.05 m，由門葉、支臂和支鉸組成。門葉為焊接鋼結構，材料為Q355B。面板布置在長江側，面板外緣弧面半徑為 8 m，沿門葉高度方向布置若干主橫梁，跨中最大梁高2.5 m。主橫梁支承在閘門兩側的邊梁上，邊梁為箱形截面，頂部設置吊耳，與液壓啟閉機活塞桿相連。閘門開啟時向上旋轉90°，門頂高程為25.75 m，門底高程為23.25 m。

支臂為變截面箱形焊接結構，材料為Q345，支臂一端與邊梁焊接，另一端用螺栓連接閘門支鉸。支鉸位于八里湖側閘墩上，鉸鏈和鉸座采用鑄鋼，材料為ZG310-570。鉸軸采用40Cr鋼。直徑?360 mm。考慮到在八里湖高水位時，支鉸浸沒水下，故支鉸設計成全密封結構并采用自潤滑關節軸承，確保支鉸可以在水下長期可靠工作。由于支鉸設置在常水位之上，可以滿足更換軸承和密封圈的需要。閘門每側設兩條L形橡皮作為側水封，可以滿足雙向止水的要求。底水封采用條形橡皮。水封橡皮和閘門采用不銹鋼螺栓連接。在閘門兩側，各設有兩個側輪，用于保證閘門平穩啟閉。

在兩側閘墩上還設有液壓穿銷裝置，當閘門全開時，液壓穿銷裝置將閘門鎖定。液壓穿銷裝置通過液壓啟閉機的液壓泵站控制。

液壓泵站布置在管理房中，通過油管連接到液壓啟閉機上，同時電氣控制也布置在管理房中。本階段推薦使用弧門，在日常檢修時需要將閘門上翻出水面進行檢修，在閘門運行過程中局部開啟時需要避開震動區域，以減低對閘門及啟閉機的影響。

主孔閘門通過QHLY型液壓啟閉機[2]操作。液壓啟閉機容量為2×2 500 kN，行程為11 m。閘門側水封采用雙L形橡皮，底水封采用條形橡皮。水封橡皮和閘門采用不銹鋼螺栓連接。在閘門兩側，各設有兩個側輪，用于保證閘門平穩啟閉。閘門的支臂上設有鎖定銷孔，當閘門全開時，通過液壓穿銷裝置將閘門鎖定。液壓穿銷裝置設置在閘墩上，通過液壓啟閉機的液壓泵站控制。

由于沙閻路閘橋弧形閘門支臂為實腹式結構，其結構特性、邊界條件較為復雜，傳統的設計與校核仍然按照鋼閘門設計規范采用平面受力計算的方法，難以顧及到結構空間作用，為此采用ANSYS12.0有限元方法對弧門結構進行設計。

3 上翻式弧門結構分析

上翻式弧形閘門由面板、主橫梁、縱向次梁、支臂、支鉸等部分組成，在進行設計計算的時候需要驗算各主要部件在不同工況條件下的剛度和強度，判斷是否滿足規范要求[3]，經驗算合格后方可制造安裝。

3.1 模型建立

閘門葉片及支臂結構利用板單元[4]進行模擬；螺栓、工字梁均采用梁單元進行模擬；支絞處結構用實體單元進行模擬。閘門整體三維有限元模型[5]如圖1所示。

圖1 有限元模型示意

三維坐標軸由X，Y，Z表示，其中X方向為水流方向，正向指向水流方向，Y方向為垂直于水流的方向，Z方向為豎直方向。模型總單元數為102 705，節點數為110 735。模型中閘門葉片、支臂結構以及螺栓均取線彈性材料，彈性模量為2.11e5 MPa，彈性模量為0.3。

3.2 荷載及約束施加

閘門處于擋水工況下，面板兩側承受水壓力作用，底檻高程為13.5 m，設計水頭為21.06 m/16.5 m。閘門靜水壓力載荷如圖2所示。

圖2 靜水壓力示意

閘門的計算工況見表1所示，本次計算采用正向設計水位組合1作為最不利工況。

表1 計算工況 m

φ1=24.440 6°，φ2=32.09°，φ=56.530 6°β1=8.989 3°，β=23.100 7°，Hs=7.56 m，Hx=3.0 m，B=27 m，γ=10 kN/m3Ps-Px=6 982.271 kN，Vs-Vx=1 379.397 kN，P=7 117.222 kN。

總水壓力與水平線夾角為11.1752°。

模擬過程中，根據實際情況，約束閘門支座處的X、Y、Z三向位移以及繞X、Z軸的轉動，放松繞Y軸的轉動以模擬支鉸作用。為了有效模擬閘門支臂與支座的作用，在支臂連接板與支座板之間設置接觸對模擬其接觸作用，螺栓上施加預應力模擬螺栓力的作用。

3.3 整體結構分析

三維有限元結構分析計算主要目的是研究閘門在雙向擋水、局開、啟閉過程中的應力、變形分布情況。重點研究各工況下閘門各部件[6]的應力、變形和約束反力，關鍵連接部位的受力情況，如門葉和支臂連接焊縫、支臂與鉸鏈以及鉸座與基礎螺栓的受力等。最后對閘門結構布置提出優化建議[7]。

分析閘門處于全關位置擋水時，閘門在正向設計水位組合1的工況下，門葉和支臂結構的應力、應變值及分布情況；鉸座和鉸鏈的應力和分布以及約束反力。

閘門處于全關位置擋水時，閘門主要承受自重應力與內外江水作用。有限元分析中，通過對閘門單元施加重力及靜水壓力來模擬外荷載作用。在閘門底部約束豎向位移。閘門支絞的作用通過對支絞處節點約束位移，釋放彎矩來實現。

對設計工況1進行有限元分析[8]，得到閘門的變形及應力分布云示意(見圖3～圖18)。

圖3 整體位移云示意

圖4 整體應力云示意

圖5 面板位移云示意

圖6 面板應力云示意

圖7 縱梁位移云示意

圖8 縱梁應力云示意

圖9 主梁腹板位移云示意

圖10 主梁腹板應力云示意

圖11 主梁后翼緣位移云示意

圖12 主梁后翼緣應力云示意

圖13 支臂勁板位移云示意

圖14 支臂勁板應力云示意

圖15 支臂位移云示意

圖16 支臂應力云示意

圖17 支鉸位移云示意

圖18 支鉸應力云示意

1) 由位移云圖可見：閘門整體的順水流方向最大變形為17.02 mm，方向指向閘門外側；面板的最大變形為17.02 mm；縱隔板的最大變形量為15 mm；主梁腹板最大變形量為15 mm；主梁后翼緣最大變形量為15 mm；支臂勁板結構最大變形量為2 mm；支臂腹板結構最大變形量為2 mm；支鉸處最大變形量為0.8 mm。

由上述結果可知：閘門最大變形量位于面板處，閘門剛度滿足設計規范要求。

2) 由應力分布云圖可見：閘門整體結構最大應力為142 MPa；面板的最大應力為86 MPa；縱隔板的最大應力為60 MPa；主梁腹板最大應力為86 MPa；主梁后翼緣最大應力為69 MPa；支臂勁板結構最大應力為130 MPa；支臂腹板結構最大應力為142 MPa；支鉸處最大應力為140 MPa。

由上述結果可知：閘門葉片與支臂結構連接處發生應力集中[9-14]，最大拉應力位于支臂內側，最大壓應力位于支臂外側；閘門外側面板的最大拉應力位于閘門中部，最大壓應力位于閘門底部；縱梁應力較小，其最大拉、壓應力均出現在孔洞邊緣處；計算結果顯示，閘門強度滿足設計規范要求。

4 啟閉力計算

4.1 操作工況

如表2所示，閘門操作水位選擇最不利工況(上游水位21.06 m/下游16.50 m)進行計算。

表2 操作工況 m

4.2 啟閉力計算

閘門重心計算見圖19。

圖19 閘門重心位置計算示意

由圖19可知，閘門結構重心位置(X，Y，Z)=(5 988.8，-152.46，0)；閘門結構支鉸點位置分別為(0，0，13 500)、(0，0，-13 500)；閘門門葉吊耳重心位置(-5 374，5 374，13 500)、(-5 374，5 374，-13 500)。

① 閘門自重為250 t，閘門自重產生的力矩M=2 500×5.988=15 000 kN·m。

② 啟閉機啟門力為2×2 500 kN，啟閉機在啟門時可以提供的力矩M=5 000×5.374=26 800 kN·m。

③ 閘門水封摩阻力距相對自重產生的力矩較小，可以忽略。

故選用2×2 500 kN，啟閉機行程11 m。

5 結語

本文對沙閻路閘橋弧形閘門進行了有限元分析計算，分別從閘門面板、縱梁、支臂、支鉸等主要部件的強度和剛度進行分析，并與整體模型的計算結果進行比較，得到了較為可信的數據，數據顯示，閘門在使用過程中，縱梁板、橫梁腹板受力均較小，因此是比較安全的；閘門兩側面板中間位置受力較大，而橫梁腹板及閘門葉片與支臂焊縫處容易發生應力集中，因此需要格外關注，并進行一定的加固措施。

本文為實腹式弧形閘門的結構設計提供了一個可供選擇的算法，設計人員還可通過有限元分析法深化研究閘門的抗風抗震性能、自震頻率分析、不均勻沉降分析等，更為經濟、安全可靠地設計弧形閘門，較利用傳統的計算方法更為迅速簡易。