平面鋼閘門止水布置應力有限元分析

欽立峰

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

水工閘門是用于啟閉或局部開啟水工建筑物過水孔口的活動性裝置，在調節水流、控制水位及保證水利工程順利運行等方面發揮著重要作用。根據閘門功能及作用，其止水裝置有不同布置，進而表現出不同的受水壓力和結構影響，應當通過對結構應力分布程度的分析，選擇適用的止水布置型式。水工閘門結構屬于復雜的空間結構體系，現行相關規范將平面鋼閘門劃分成獨立構件的做法無法準確反映出各構件之間的關聯；而有限元法則將平面鋼閘門視為整體性空間結構體系進行分析，便于得出水工閘門各組件實際應力應變，并能直觀觀察受力變形實際分布，分析結果也具有較強的空間效應，在水工閘門結構設計中具有廣闊的應用前景。

1 工程概況

新疆阿克蘇地區克孜爾水庫泄洪洞閘門采用常規的潛孔式平面定輪鋼閘門型式，該閘門寬×高為4.00 m×4.25 m，閘門底檻高程198 m，上游設計水位250.10 m，作用水頭52.13 m，為便于進行描述與分析，工字型組合主橫梁從上到下記為1#～4#，T形截面組合縱梁從左到右記為1#～3#，π形截面組合邊梁從左到右記為1#～2#，14#工字型鋼小橫梁由上到下記為1#～6#。

2 有限元模型構建

2.1 模型構建

平面鋼閘門是由主橫梁、縱梁、次梁、面板及滑輪等構成的大型復雜空間薄壁結構系統，當前，采用以結構力學為理論依據的平面體系分析法進行結構構件設計的做法雖然較為常見，但也僅限于平面結構以內，對于水工閘門等空間結構則無法真實反映其實際的受力程度，所得出的計算結果也比真實結果低出20%～40%，部分關鍵部位分析結果缺乏安全裕度。而隨著結構力學分析理論的不斷完善和計算機技術的縱深應用，空間有限元法在復雜平面鋼閘門結構設計中的應用日益廣泛。文章主要采用與水工閘門實際工況更為接近、并能精確模擬水工閘門實際運行狀態的完整空間薄壁結構進行平面鋼閘門模型構建。

平面鋼閘門面板、橫梁、縱梁、邊梁等均采用殼單元，通過ANSYS有限元軟件的SHELL63單元進行模擬，滑輪則采用實體單元，通過SOLID45單元進行模擬。有限元模型離散模擬結果主要受單元形態的決定和影響，為此，必須保證網格劃分結構的規整性，確保各相鄰構件連接處具有相同節點，以加強形變控制；同時還應確保單元尺寸的合理性，若單元尺寸過大，會增大分析結果誤差，無法真實反映結構變形程度和局部應力大小；相反，將無形中增加分析難度。

2.2 有限元模型及約束條件

為真實反映閘門實際運行狀態，平面鋼閘門各構件尺寸參照設計圖，各構件板殼厚度均按現場蝕余厚度確定。克孜爾水庫泄洪洞鋼閘門使用Q235鋼，彈性模量20.60萬MPa，泊松比0.31，材料理論密度7 850 kg/m3。在所構建的克孜爾水庫泄洪洞鋼閘門有限元模型上下游面加設止水封條，以分析平面鋼閘門在不同止水方式下閉門擋水工作特性；令x軸向代表平面閘門主橫梁向，y軸向代表平面閘門鉛垂向，z軸向代表平面鋼閘門順水流向。滑輪塊和其余構件分別采用實體單元SOLID45和殼單元SHELL63，網格尺寸按50 mm設置，劃分出的單元數27 420個，節點數16 804個。

考慮到平面鋼閘門結構左右對稱，故可通過ANSYS有限元軟件對稱建模，并在模型對稱軸施加對稱約束，以保證閘門滾輪支承約束能沿水流方向施加，y軸向豎直約束施加于閘門底端，主要起到限制閘門豎向移動的作用。將閘門寬度向的底面板中間節點位移設定為零，確保所構建的平面鋼閘門模型具有不變的幾何屬性。

2.3 計算工況及加載

按照567.50 m的底檻高程和25.00 m的設計水頭確定計算工況。克孜爾水庫泄洪洞平面鋼閘門在實際運行過程中受力情況復雜，同時受到結構自重、水壓力、泥沙壓力和波浪壓力等的作用，為簡化分析，此處僅考慮閘門結構自重和靜水壓力。前止水型式下閘門僅面板受水壓力作用，而后止水型式下，閘門面板、頂梁腹板及邊梁腹板等均受水壓力作用。兩種止水型式下平面鋼閘門受水壓力荷載面具體見圖1。Q235鋼極限屈服力為235 MPa，抗拉、抗壓及抗彎應力允許值均為215 MPa，抗剪應力允許值為125 MPa，根據SL74-2013，水工平面鋼閘門允許應力應按0.90～0.95的調整系數確定，而SL226-98規定，金屬結構閘門強度驗算時必須考慮0.90～0.95的使用年限調整系數，此工程系數均取0.92，則調整后的抗拉、抗壓及抗彎應力值為182 MPa，抗剪應力值為105 MPa。

圖1 平面鋼閘門受水壓力荷載面

3 應力計算結果

3.1 結構應力計算結果

3.1.1 面板

在前止水和后止水兩種不同的止水布置形式下，該水工平面鋼閘門面板區域應力位相似分布形式，在前止水布置時，面板連接邊梁內腹板并與1#、2#、5#、6#小橫梁相交處應力集中現象比較凸顯；而后止水布置時，面板應力分布比較均勻且運行穩定。比較結果見表1。

表1 平面鋼閘門面板最大等效應力結果比較表

3.1.2 主橫梁

1#主橫梁腹板在前止水型式下應力分布兩頭大中間小，后止水型式下應力分布分散，但止水位置應力值較大；2#～4#主橫梁腹板應力在兩種止水型式下均為兩頭大中間小。兩種止水布置下主橫梁腹板及后翼緣應力呈兩頭小中間大的相似分布，具體見表2。根據比較，1#主橫梁后止水布置下腹板折算應力最大值出現在腹板接近前翼緣位置，且比前止水布置大146%，主要原因在于后止水型式下1#主橫梁直接受到水壓的影響而應力值較大，但其折算應力最大值仍比屈服強度小。2#～4#主橫梁在兩種止水布置下折算應力最大值分別出現在閘門跨中靠近前翼緣處以及腹板、邊梁筏板及后翼緣交界處。總之，除1#主橫梁后翼緣受力復雜、主橫梁直接承受水壓而前止水應力折算值大于后止水外，前止水型式下翼緣折算應力普遍高出后止水型式。

表2 主橫梁腹板及后翼緣最大應力折算值比較表（單位：MPa）

3.1.3 縱梁

根據對有限元模型的分析，兩種止水型式下，縱梁腹板應力分布基本一致，且1#、3#縱梁應力略微大于2#縱梁；縱梁后翼緣應力分布也較為接近。不同止水布置下縱梁應力最大值比較結果詳見表3。后翼緣剪應力很小，且對平面閘門性能無較大影響，故忽略不計；通過表中結果比較可以看出，兩種止水型式下腹板和后翼緣等效應力、正應力及剪應力值均較為接近，止水布置對縱梁應力分布影響不大。

表3 縱梁應力最大值比較表（單位：MPa）

3.1.4 邊梁

所構建的平面鋼閘門模型左右對稱，故只分析2#邊梁受力情況。兩種止水布置下邊梁內腹板應力遠遠超出外腹板；邊梁后翼緣應力分布基本一致，均因存在定輪缺口而引發局部應力集中。為進行2#邊梁腹板應力分布情況的準確描述，將其劃分為成8個區域。根據有限元分析結果，平面鋼閘門邊梁內腹板應力差異主要存在于區域1、3、4，在前止水型式下，區域1、3因設置有定輪故邊梁腹板和輪軸連接處應力較為集中，最大應力值達到157 MPa；后止水型式下，區域1、3、4為直接的水壓承壓區域，應力值較大，區域2因在邊梁腹板和輪軸連接處設置有加強版，故應力較小。區域6附近外腹板應力分布存在較大差別：前止水布置時不承壓，無應力集中，應力值最大僅為12 MPa；后止水布置時因直接承受水壓力和結構承重傳遞力而應力較大，最大達到118 MPa。后止水型式下邊梁腹板折算應力最大值小于前止水型式，且兩種止水布置下折算應力最大值均未超出應力允許值。

3.2 變形計算結果

主橫梁是克孜爾水庫泄洪洞平面鋼閘門主要受力構件，一旦鋼閘門主橫梁發生較大變形并超出限定值，則鋼板平面會發生彎曲形變，門槽止水也會隨之失效，造成閘門起吊困難。為此還必須進行平面鋼閘門主橫梁變形分析。主橫梁撓度形變有限元分析結果詳見表4。根據分析可知，在前止水布置型式下，平面鋼閘門主橫梁撓度形變最大值出現在4#主橫梁跨中，為3.16 mm，且1#～4#主橫梁撓度形變呈增大趨勢；后止水設置下，主橫梁撓度形變最大值出現在1#主橫梁腹板位置，為2.65 mm，2#～4#主橫梁撓度形變呈增大趨勢，但均小于1#主橫梁。顯然，后止水型式下主橫梁撓度形變較前止水型式小；且兩種止水方式下主橫梁撓度形變均未超出設計值。

表4 主橫梁撓度形變有限元分析結果表（單位：mm）

4 結論

綜上所述，克孜爾水庫泄洪洞平面鋼閘門在前后兩種止水布置型式下，所分析到的水工鋼閘門不同構件的實際強度均滿足規范要求，僅有某些構件交叉重疊區域和定輪位置處存在局部性應力集中問題，為保證水工鋼閘門受力均衡及穩定運行，必須及時加固處理；止水布置型式對水工鋼閘門縱梁及小橫梁影響較小，可忽略不計。該水庫泄洪洞潛孔式平面鋼閘門采用后止水布置型式時面板受力較為均勻，無應力集中現象；主橫梁所具有的抗形變效果也較為優良；邊梁折算應力的最大值比前止水布置型式下的這算應力最大值要小。在后止水布置型式下，水壓力直接作用于1#主橫梁和邊梁腹板，故主橫梁應按照變截面設計，邊梁應加設隔板，以保證鋼閘門應力分布更加均勻合理。