基于ANSYS淺析表孔弧形閘門支臂及其支承結構靜力特性

楊 松，陶光慧，覃志強，何 偉，李云峰

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000)

弧形閘門作為一種重要的擋水設施，由于結構的特殊性，所承受的水壓力完全由支臂結構傳遞，而根據大量的工程實例來看，弧形閘門失事破壞多發生在支臂部位[1-4]，故弄清楚支臂及其支承結構在工作時處于何種受力和變形狀態尤為重要。現結合工程實例，采用大型有限元分析軟件ANSYS建立表孔弧形閘門有限元模型模擬實際工況，按空間體系模擬計算支臂及其支承結構的受力變形，較按平面結構體系計算方法更接近實際。

1 工程概況

依托工程位于芙蓉江干流下游河段，總庫容3259萬m3，正常蓄水位為383 m，相應庫容為2332萬m3，工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等。依托工程為河床式電站，其溢洪道設有5道表孔弧形閘門作為工作閘門，孔口尺寸為12.5 m×19.6 m(B×H)，設計水頭約19.1 m，操作條件為動水啟閉，可局開控制泄量，啟閉設備采用液壓啟閉機。此溢洪道工作閘門為典型的表孔弧形閘門，且其結構布置方式也較為典型，故作為本次研究的依托工程。

2 有限元模型的建立

2.1 依托工程支臂結構布置型式

依托工程溢洪道工作閘門為典型的雙主梁雙支臂表孔弧形閘門，其支臂為斜支臂，采用箱型截面梁。圖1為依托工程支臂及其支承結構的結構布置示意圖，在上下支臂之間設置兩道豎直支桿，分別為前豎直支桿和后豎直支桿，均采用箱型截面梁，在前豎直支桿與門葉結構之間設置圖示前斜支桿，兩豎直支桿之間設置圖示后斜支桿，斜支桿均采用工字型截面梁。

圖1 依托工程支臂結構布置型式示意圖

2.2 有限元模型的建立

水工鋼閘門是一種典型的鋼結構，其主體結構為空間薄壁結構體系[5-6]，為更真實地反映依托工程表孔弧形閘門支臂及其支承結構的受力變形情況，本次分析擬建立完整的閘門結構有限元模型。根據ANSYS軟件內置各單元性質，將整個閘門門葉結構及支臂體系均離散為殼單元，將啟閉機活塞桿、吊軸及支鉸結構均離散為實體單元，其中殼單元采用能較好模擬閘門薄壁結構體系實際受力情況的shell63來模擬，實體單元采用等參數實體單元solid45來模擬，據此所建立有限元計算模型。經單元劃分，離散后的表孔弧形閘門有限元模型共計30 182個節點、25 194個板殼單元和16 684個實體單元。此次分析按表孔弧形閘門的實際工況施加邊界條件，其中，閘門在支鉸處受X(支鉸軸向) 、Y(逆水流方向)、Z(豎直方向)方向的平動約束，以及繞Y、Z軸的轉動約束，僅保留其繞X軸的轉動自由度；在閘門門葉結構面板上施加0～18.718 MPa的梯度面荷載模擬靜水壓力，沿兩活塞桿軸向各施加2800 kN集中力荷載模擬啟閉力，同時沿豎直方向施加9.8 m/s2的慣性荷載模擬閘門自重；閘門材料屬性按Q345B材料屬性設置，泊松比μ=0.3，彈性模量E=206 000 MPa，密度γ=78.5 kN/m3。

3 靜力分析結果

研究表孔弧形閘門支臂及其支承結構的靜力特性，為更直觀地反映支臂結構的整體受力情況，取依托工程支臂結構的整體應力云圖進行研究，如圖2所示。從圖中可以看出，支臂結構整體應力范圍為20～182 MPa，平均應力約為101 MPa，其中最大應力位置為上支臂下腹板與前斜支桿的連接處，此處有一定的應力集中，前斜支桿傳遞較大側向荷載給上支臂。圖3與圖4為依托工程表孔弧形閘門結構整體變形云圖，從圖中可以看出，閘門整體變形量在0～14.377 mm之間，其中支臂結構部分變形量在0～11.436 mm之間，支臂結構平均變形量7.987 mm，弧形閘門各構件均發生了不同程度的變形，其中門葉結構中部有較大變形，支臂靠近門葉結構的部分變形相對較大。

圖2 支臂及其支承結構應力云圖(單位：Pa)

圖3 支臂及其支承結構變形圖

圖4 支臂及其支承結構變形

為深入分析表孔弧形閘門支臂及其支承結構的工作情況，現將其各部位的應力變形情況分別列出作對比分析，結果統計如表1所示。

表1 支臂及其支承結構各部位應力及變形分布情況

對比分析依托工程表孔弧形閘門支臂及其支承結構各部位應力變形情況得到如下總結：

(1)支臂作為主要的承力構件，其上分布的應力相對較大，應力分布較集中的部位主要在上支臂中段下側及下支臂中段上側，兩支臂與其支承結構連接的部位有明顯的應力集中，下支臂承受的荷載較上支臂稍大，下支臂變形量較上支臂變形量也偏大，兩支臂在與其支承結構連接的部位有明顯變形增大的趨勢，尤其是上支臂與前斜支桿連接處，有明顯向外的側向變形。

(2)豎直支桿承受荷載較小，除與支臂連接的兩端部荷載分布較大外，支桿中部荷載分布處于較低水平，兩端部荷載較大的部分應力集中，豎直支桿變形較大的部位也集中在兩端部與支臂連接處。

(3)前斜支桿承受荷載較大，應力較大的部位主要是支桿與支臂連接處以及支桿與門葉連接處，支桿整體荷載分布較為均勻，結構連接處有應力集中，上斜支桿比下斜支桿承受的荷載偏大，前斜支桿變形量較大，變形主要發生在兩前斜支桿與門葉結構連接處，此處的較大變形是由門葉結構中部的較大變形傳遞而來。

(4)后斜支桿承受荷載較小，除與支臂連接的兩端部有荷載集中外，支桿中部整體荷載分布處于較低水平，支桿變形較大的部位也集中在兩端部與支臂連接處。

4 結 論

本文以依托工程為基礎建立有限元模型模擬大型表孔弧形閘門實際工作時的應力分布及變形情況，根據模擬結果進行參數分析，研究表孔弧形閘門支臂及其支承結構的靜力特性。不難看出，整個支臂結構主要靠兩支臂承載，前斜支桿靠近門葉，也承受較大荷載，豎直支桿和后斜支桿均不作為主要承力構件，其上分布的應力較小且整體變形量也較小。支臂結構各構件整體荷載分布較為均勻，較大荷載均出現在各構件的連接部位，均為應力集中，各構件的連接部位同樣也存在一定的變形量突增，其中前斜支桿與門葉結構連接的部位變形尤其明顯，究其原因是由于兩支臂之間的跨度較大，因此面板、縱梁以及橫梁在跨中部位變形較大，并將此較大變形傳遞給前斜支桿，而前斜支桿通常設計得也較為薄弱，故出現較大變形并有較大應力分布，故前斜支桿為整個支臂及其支承結構體系的薄弱部位。