弧形鋼閘門有限元分析及安全性評價

鄧 倫，王占華

（1.中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133；2.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

某電站泄洪壩段共分為23 個土建壩段[1]，每壩段中部設置1 個深孔，每個孔道末端設置弧形工作閘門，孔口尺寸7 m×9 m，設計水位為175 m，從安裝至今，深孔弧形工作閘門長期服役超過20 年。鑒于深孔弧形鋼閘門所處干濕交替的環境，長期服役導致構件發生低周疲勞等原因，閘門結構的安全性會有所降低，為確保深孔弧形鋼閘門的安全穩定運行，某電站每年會根據《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程》[2]的要求，依據《水利水電工程鋼閘門設計規范》[3]對弧形鋼閘門進行在役安全性評價。

弧形閘門的安全性評價方法有原型觀測試驗、水彈性模型試驗、數值分析或三者結合的方法[4]。原型觀測試驗是指在工程現場對工程及相關影響因素進行的觀察、監測和分析的活動[5]，但是由于工程條件的限制和原型觀測試驗技術標準的不統一[6]，部分弧形閘門無法開展原型觀測試驗或者試驗數據準確性存疑；水彈性模型試驗法是通過建立水彈性模型來研究弧形閘門的動力特性參數[7]，但由于水彈性模型試驗周期長、成本較高且往往所測節點數量較少，至今還無法實現真正完全水彈性相似模擬試驗[4]；數值分析法則按空間結構體系建立弧形閘門有限元模型，不僅能充分體現出閘門較強的空間效應，而且能準確地計算出各構件的內力、應力及變形[8]。文中采用有限元對某電站泄洪深孔弧形鋼閘門的強度和剛度進行分析，依據《水利水電工程鋼閘門設計規范》[3]對弧形鋼閘門進行在役安全性評價，并將有限元結果與現場實測數據相對比，進一步驗證閘門的安全性。

1 分析模型

1.1 有限元模型及材料特性

根據深孔弧形工作閘門結構圖紙，在SolidWorks軟件中建立閘門三維實體模型（圖1 所示），并將三維模型導入ANSYS Workbench 中，采用實體單元對閘門進行網格劃分，選擇4 節點四面體單元（Solid187 element)和8 節點六面體單元（Solid185 element)。網格劃分時，使用掃掠網格對幾何形狀規則的構件進行劃分，采用自動網格對幾何形狀復雜的構件進行劃分，如圖1 所示，共劃分單元150 642 個，節點310 302 個。弧形工作閘門為鋼板焊接結構，閘門門葉及支腿主要結構材料為Q345 鋼，彈性模量E=206 000 MPa，剪切模量G=79 000 MPa，泊松比μ=0.30，密度ρ=7.85×10-6kg/mm3，重力加速度g=9 800 mm/s2。

圖1 弧形鋼閘門幾何模型和網格劃分

1.2 有限元邊界條件的建立

擋水狀態即閘門正常關閉狀態下，設計水位為175 m，計算載荷主要考慮作用在閘門上的靜水壓力和閘門的自重，閘門動水啟閉工況下，設計水位為175 m，除考慮作用在閘門上的靜水壓力和閘門的自重，還需要考慮啟閉機的啟閉力4 000 kN。實際工程中弧形閘門在關閉擋水時，其面板底部在水壓力作用下相當于直接與閘底板接觸，有限元分析時設置面板底部無摩擦約束；閘門支鉸處不允許有線位移，約束3 個方向的線位移和2 個方向的角位移，僅放松可繞支鉸轉動的角位移。

2 閘門強度和剛度評價標準

某電站深孔弧形工作閘門建成于1999 年，工作時間22 年，參照《水利水電工程鋼閘門設計規范》[3]和《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程》[2]，時間系數取0.95，閘門調整系數取0.95，綜合許用應力調整系數為0.95×0.95=0.9。閘門容許應力如表1 所示。

表1 閘門調整容許應力

3 分析結果及安全性評價

3.1 整體結構強度和剛度

設計水位下，深孔弧形閘門全關時整體結構的有限元計算結果如圖2、圖3 所示，閘門整體等效應力絕大部分在165.08 MPa 以下，最大等效應力為247.62 MPa，位于支腿與主梁連接的部位，其值小于材料的容許應力310.5 MPa，閘門的強度滿足規范要求。閘門整體最大位移8.559 mm，位于閘門支腿支撐板處，閘門整體剛度滿足要求。

圖2 閘門整體應力云圖

圖3 閘門整體變形云圖

3.2 面板結構強度和剛度

設計水位下，深孔弧形閘門全關時面板結構的有限元計算結果如圖4、圖5 所示，面板絕大部分區域的等效應力在84.63 MPa 以下，面板最大等效應力出現在面板中上部，達到94.99 MPa，小于材料的容許應力310.5 MPa，面板的強度滿足規范要求。面板最大位移約為5.76 mm，處于面板頂部，面板的剛度滿足要求。

圖4 閘門面板應力云圖

圖5 閘門面板位移云圖

3.3 支腿結構強度和剛度

設計水位下，深孔弧形閘門全關時支腿結構的有限元計算結果如圖6、圖7 所示，支腿絕大部分區域的等效應力在192.61MPa 以下，其最大等效應力為247.62 MPa，處于支臂與門葉連接處，小于容許應力310.5 MPa，支腿強度滿足要求。支腿最大位移為8.59 mm，位于支腿支撐板處，支腿剛度滿足要求。

圖6 閘門支腿應力云圖

圖7 閘門支腿位移云圖

3.4 主梁結構強度和剛度

設計水位下，深孔弧形閘門全關時主梁結構的有限元計算結果如圖8、圖9 所示，主梁結構絕大部分區域的等效應力在190.18 MPa 以下，最大等效應力244.07 MPa，位于腹板與翼板連接處，小于容許應力310.5 MPa，強度滿足要求。最大位移為3.63 mm，位于中部主梁跨中處，小于規范值9.19 mm，滿足剛度要求。

圖8 閘門主梁應力云圖

圖9 閘門主梁位移云圖

3.5 縱梁結構強度和剛度

設計水位下，深孔弧形閘門全關時縱梁結構的有限元計算結果如圖10、圖11 所示，縱梁絕大部分區域的等效應力在185.21 MPa 以下，最大等效應力238.09 MPa，位于縱梁腹板與主梁連接位置，小于容許應力310.5 MPa，縱梁強度滿足要求。縱梁最大位移5.36 mm，位于縱梁頂部，小于規范值15.64 mm，滿足剛度要求。

圖10 閘門縱梁應力云圖

圖11 閘門縱梁位移云圖

4 有限元結果與實測結果對比

當實際水位接近于設計水位時，采用無線動態應變測試儀（儀器型號DH5908L），儀器不確定度＜0.5%±3 με，零點漂移2 με/h，測試采樣頻率200 Hz，靈敏系數2，在事故閘門擋水，工作閘門全關且門前無水的工況下，取應力零位，待事故閘門與工作閘門之間充滿水平壓后，進行靜態應力測試。選取應力測試點分別位于左上支臂翼板、右下支臂翼板、下主橫梁腹板和面板，布置測試點后的應變力圖如圖12～圖17 所示。

圖12 下主橫梁腹板

圖13 右下支臂腹板

圖14 右下支臂翼板

圖15 左上支臂腹板

圖16 左上支臂翼板

圖17 面板

統計由實測點測得的靜應力值與有限元計算的應力值對比，如表2 所示。

表2 實測結果與有限元分析對比單位：MPa

由表2 可知，弧形鋼閘門在擋水時的所測6 個部位的實測應力值均處于有限元的應力分析計算的極限值范圍內，結果驗證了有限元分析計算的可靠性，對后期設備的安全評價及設備維護有一定的意義。

5 結論

采用有限元對弧形鋼閘門的強度和剛度進行分析，依據《水利水電工程鋼閘門設計規范》[3]對弧形鋼閘門進行在役安全性評價，并將有限元結果與現場實測數據相對比，得到以下結論：

（1）根據弧形工作門三維有限元分析計算結果表明，弧形工作門的強度和剛度滿足《水利水電工程鋼閘門設計規范》對弧形閘門強度和剛度的校核要求；

（2）通過有限元方法計算得到的弧形閘門各結構應力分布以及吊耳的應力變形情況，有助于設備管理部門開展更具針對性的監測，對后期設備維護具有一定的指導意義；

（3）通過有限元法計算結果與實測結果對比，驗證了有限元仿真計算的可靠性，為鋼閘門安全評價提供了切實可行的分析方法，同時也對鋼閘門的設計有一定的指導意義。