短支臂下臥式空箱弧形閘門應(yīng)力分析方法研究

夏鶴鵬 顏紅勤 蔣紅櫻 吳新民 于正委

（1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司 南京 210029 2.連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司連云港 222000）

1 引言

水利工程弧形閘門設(shè)計(jì)過(guò)程中，閘門主梁設(shè)計(jì)的計(jì)算方法通常是根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）按平面簡(jiǎn)化計(jì)算方法。此次以某短支臂下沉式空箱弧形閘門為研究對(duì)象，采用《規(guī)范》的常規(guī)計(jì)算方法、局部框架式計(jì)算方法和整體框架計(jì)算方法與三維有限元計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析。比較分析三種平面假設(shè)計(jì)算結(jié)果與三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，為短支臂下沉式空箱弧形閘門前期的設(shè)計(jì)計(jì)算方法提供參考。

2 工程簡(jiǎn)介

某短支臂下臥式空箱弧形閘門位于江蘇省連云港市。該工程具有擋潮、排澇、蓄淡、通航等功能。該水閘閘門總寬度19.90m，門高7.45m，弧面半徑5.25m。由于內(nèi)部港池運(yùn)行需要，該閘通航凈寬18.0m，通航凈空10.0m。該閘設(shè)計(jì)排澇流量為28.3m3/s。閘底板高程-2.00m，閘門采用短支臂下臥式空箱弧形鋼閘門，閘門主體為“Π”型框架結(jié)構(gòu)，門葉采用空箱式弓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布置6 道橫隔板，15 道縱隔板。橫隔板沿弧形面板等間距布置，橫隔板中心線與弧形面板法線方向一致，中部縱隔板等間距布置，兩端各兩塊縱隔板結(jié)合支臂腹板布置。橫隔板之間設(shè)置小橫梁，橫隔板、縱隔板和小橫梁等高連接。支臂為變截面箱形結(jié)構(gòu)，6 道縱隔板放射形布置，其中心線與門葉橫隔板對(duì)應(yīng)。

3 平面簡(jiǎn)化計(jì)算方法

由于該閘門門葉為弓形箱式結(jié)構(gòu)，各主梁腹板高度不一致，采用常規(guī)計(jì)算方法分析主梁內(nèi)力存在較大誤差。為探索此類閘門簡(jiǎn)便計(jì)算方法，設(shè)計(jì)了三種不同計(jì)算方法：（1）方法一將6 道主梁全部按工字型斷面計(jì)算。（2）方法二將1、2 道主橫梁及5、6 道主橫梁分別組合成箱梁進(jìn)行計(jì)算，即將閘門拆分為4 榀主橫梁式框架，頂部與底部?jī)砷蚣苤鳈M梁采用橫隔板與前后面板圍成的箱形斷面，中部?jī)砷蚣苤髁翰捎霉ぷ中蛿嗝妫П鄄捎闷骄孛妗＃?）方法三考慮到門葉與支臂均為閉合箱型結(jié)構(gòu)，將閘門整體作為平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

3.1 荷載與內(nèi)力計(jì)算

3.1.1 計(jì)算方法一

由于弓形斷面門葉的每塊橫隔板高度均不等，支臂亦為變斷面結(jié)構(gòu)，為便于分析閘門內(nèi)力，作如下假定：門葉自上而下，大小共設(shè)有6 道主橫梁，考慮到上部與底部4 塊橫隔板高度較小，計(jì)算方法一是按常規(guī)方式，6 道主梁全部按工字型斷面計(jì)算，方法一閘門主框架荷載表見(jiàn)表1。

表1中只列出各框架在不同水位組合下荷載的最大值，鑒于框架受力荷載情況，又由于主梁斷面不同，取4、5、6 號(hào)框架進(jìn)行內(nèi)力分析。

表1 閘門主框架荷載表（方法一）

經(jīng)計(jì)算：4 號(hào)框架面板折算應(yīng)力為54.33MPa，5 號(hào)框架面板折算應(yīng)力為58.56MPa，6 號(hào)框架面板折算應(yīng)力為96.54MPa。4 號(hào)框架支臂折算應(yīng)力為47.73MPa，5 號(hào)框架支臂折算應(yīng)力為80.68MPa，6號(hào)支臂面板折算應(yīng)力為194.36MPa。

3.1.2 計(jì)算方法二

計(jì)算方法二是將1、2 道主橫梁及5、6 道主橫梁分別組合成箱梁進(jìn)行計(jì)算，即將閘門拆分為4 榀主橫梁式框架，頂部與底部?jī)砷蚣苤鳈M梁采用橫隔板與前后面板圍成的箱形斷面，中部?jī)砷蚣苤髁翰捎霉ぷ中蛿嗝妫П鄄捎闷骄孛妗７椒ǘl門主框架荷載表見(jiàn)表2。

表2中只列出各框架在不同水位組合下荷載的最大值，鑒于框架受力差異和主梁斷面不同，取3、4 號(hào)框架進(jìn)行內(nèi)力分析。

表2 閘門主框架荷載表（方法二）

經(jīng)計(jì)算，3 號(hào)框架面板折算應(yīng)力為54.33MPa，4 號(hào)框架面板折算應(yīng)力為69.75MPa。3 號(hào)框架支臂折算應(yīng)力為47.73MPa，4 號(hào)框架支臂折算應(yīng)力為112.30MPa。

3.1.3 計(jì)算方法三

該方法是將整扇閘門門葉和整個(gè)支臂作為平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。將閘門總水壓力除閘門孔口寬即為閘門線荷載，考慮水壓力荷載下大上小，計(jì)算應(yīng)力時(shí)線荷載另乘偏載擴(kuò)大系數(shù)（擴(kuò)大系數(shù)近似按門葉箱梁幾何中心到門底豎直距離與水壓力合力作用線到門底豎直距離的比值）。不同水位條件下框架線荷載見(jiàn)表3。

以表3中列出閘門在不同水位組合下荷載的最大值，鑒于閘門受力荷載情況，取最大荷載290.9kN/m，進(jìn)行框架內(nèi)力分析。

表3 閘門不同水位條件下主框架荷載表

經(jīng)計(jì)算，框架面板折算應(yīng)力為74.12MPa，框架支臂折算應(yīng)力為139.198MPa。

3.2 閘門主梁應(yīng)力強(qiáng)度檢驗(yàn)

本工程閘門承載結(jié)構(gòu)的鋼材采用Q345B，閘門材料厚度＞16～40mm，屬第2 組，閘門為工作閘門，又為新型結(jié)構(gòu)，取調(diào)整系數(shù)為0.9，故鋼材的容許應(yīng)力為：

〔σ〕＝0.9×225 ＝202.5N/mm2

〔τ〕＝0.9×135 ＝121.5N/mm2

（1N/mm2=1MPa）

根據(jù)水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范，驗(yàn)算面板折算應(yīng)力，折算應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 平面應(yīng)力三種計(jì)算方法閘門面板及支臂折算應(yīng)力表

經(jīng)計(jì)算復(fù)核，方法一、方法二、方法三閘門面板、支臂的正應(yīng)力、剪應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，折算應(yīng)力均小于1.1 倍容許應(yīng)力。

4 三維有限元計(jì)算方法

4.1 閘門三維模型構(gòu)建

根據(jù)短支臂下沉式空箱弧形閘門結(jié)構(gòu)圖，構(gòu)建短支臂下沉式空箱弧形閘門的三維計(jì)算模型，根據(jù)實(shí)際使用材料定義閘門模型材料為Q345B 低碳合金鋼，其彈性模量為2.06×1011Pa，密度為7820kg/m3，泊松比為0.3。門體面板、梁系、支臂及連接部分為薄壁結(jié)構(gòu)采用SHELL181 單元，門體邊梁外側(cè)為實(shí)體單元采用SOLID95 單元。整個(gè)模型總單元數(shù)量為258850 個(gè)。依據(jù)實(shí)際情況，支臂兩側(cè)中間軸設(shè)置位移、徑向和軸向約束，固定栓孔設(shè)置固定約束。同時(shí)對(duì)模型施加載荷，載荷包括閘門自重、兩側(cè)靜水壓力（正向3.00m/-2.00m；反向1.50m/3.96m）、浮力。

4.2 模型閘門應(yīng)力分析

在正向設(shè)計(jì)水位（內(nèi)側(cè)3.00m/外側(cè)-2.00m）工況下，由圖1結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖可以看出，主梁框架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為71.17MPa，支臂結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為101.29MPa，分別發(fā)生在弧形閘門面板底部和直臂結(jié)構(gòu)的約束固定栓位置附近。

圖1 正向工況（3.0m/-2.0m）閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

在反向設(shè)計(jì)水位（內(nèi)側(cè)1.50m/外側(cè)3.96m）工況下，由圖2結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖可以看出，主梁框架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為71.17MPa，支臂結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為61.517MPa，分別發(fā)生在弧形閘門面板頂部和直臂結(jié)構(gòu)的約束固定栓位置附近。

圖2 反向工況（1.50m/3.96m）閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

5 平面計(jì)算法與有限元計(jì)算法結(jié)果對(duì)比

根據(jù)結(jié)構(gòu)平面應(yīng)力計(jì)算方法一、二、三和三維有限元計(jì)算方法成果，閘門在正向設(shè)計(jì)水位時(shí)底部主梁受力最大，閘門應(yīng)力分析成果見(jiàn)表5。

表5 不同應(yīng)力分析方法計(jì)算成果比較表

進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)平面應(yīng)力分析方法可以得出：

（1）方法一應(yīng)力分析時(shí)將閘門葉拆分為6榀“Π”形框架，并選取線荷載最大的6 號(hào)框架為計(jì)算對(duì)象，結(jié)構(gòu)計(jì)算忽略了各框架之間的相互作用。致使支臂的計(jì)算應(yīng)力值幾乎是有限元分析法計(jì)算成果的兩倍，主梁的應(yīng)力計(jì)算成果也存在較大偏差。

（2）方法二為減小拆分對(duì)計(jì)算成果的影響，將方法一下部的兩榀框架組合成一個(gè)主梁與臂桿均為箱型斷面的框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，計(jì)算斷面接近于相應(yīng)部位有限元計(jì)算的斷面，其應(yīng)力分析成果與有限元整體應(yīng)力分析的計(jì)算成果比較接近。

（3）方法三采用整體分析法，將閘門作為一榀框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，此時(shí)框架主梁不僅承受彎矩，還承受由荷載偏心形成的扭矩，該扭矩使弓形門葉在橫斷面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，整體應(yīng)力分析時(shí)沒(méi)有分析扭矩形成的剪應(yīng)力，而是在計(jì)算線載荷時(shí)乘以一個(gè)擴(kuò)大系數(shù)，致使閘門應(yīng)力分析成果產(chǎn)生較大誤差。其主梁的最大應(yīng)力值與有限元分析法主梁的最大值偏差為4.15%，支臂的最大應(yīng)力值偏差為37.43%。

6 結(jié)論

（1）短支臂下臥式空箱弧形閘門門葉為弓形結(jié)構(gòu)，支臂為封閉箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部均設(shè)縱橫隔板，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，簡(jiǎn)單計(jì)算難以準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力，有限元整體應(yīng)力分析通過(guò)數(shù)學(xué)近似的方法，能較準(zhǔn)確地反映閘門受力狀態(tài)，是這種類型閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的首選方法。

（2）平面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析方法一與方法三的計(jì)算結(jié)果均存在較大誤差，不推薦使用該類方法進(jìn)行閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

（3）平面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析方法二的計(jì)算結(jié)果存在較小偏差，可用于該類閘門結(jié)構(gòu)尺寸擬定和進(jìn)行平面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的簡(jiǎn)化方法■