太陽輻射對人字閘門影響的有限元分析

姚家暉，楊光明

(河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100)

大型船閘人字閘門為邊柱半封閉、中間開口的空間薄壁結構，其自身抗扭能力弱，僅在自重、風壓力作用下門體就會產生較大的扭轉變形[1]。而處于自然環境中的鋼結構或鋼構件，不可避免地會受到大氣環境的影響，如太陽輻射的作用，這種影響隨溫度的變化而變化。在夏季，鋼構件表面溫度可達60 ℃以上，對構件的耐久性與安全性會產生較大的不利影響[2-3]。人字閘門在正常工作狀態下，水的浮力可以抵消部分重力作用，且對閘門溫度上升有較大緩解作用；但當閘門處于自然懸掛狀態且暴露于露天環境中，在太陽輻射的直接作用下結構的溫度遠高于環境溫度，會產生較大的溫度變形，對人字閘門結構的變形影響顯著。

目前對太陽輻射作用下結構溫度場和溫度應力的研究主要集中在橋梁、大壩、混凝土結構以及大型鋼結構方面[4-6]，針對人字閘門則主要集中在抗扭剛度的提升及止水強度等方面[7-9]，尚未涉及太陽輻射產生的溫度場對人字閘門的影響。所以，研究人字閘門在太陽輻射下的變形與應力對于提升人字閘門的耐久性與安全性十分重要。本文基于ASHRAE晴空模型，采用有限元軟件ANSYS對一鋼結構人字閘門在太陽輻射作用下的溫度場進行仿真模擬[10]，然后將不同太陽輻射下人字閘門的溫度場作為邊界條件，建立熱-結構耦合數值模型，分析人字閘門的變形及應力場。所得結論及研究方法可為人字閘門在實際工程設計中考慮溫度影響提供參考。

1 太陽輻射及閘門模型

1.1 太陽輻射模型

太陽輻射模型選擇美國加熱、空調與制冷學會推薦的ASHRAE晴空模型。模型中太陽總輻射強度Gt計算公式為[11]：

(1)

(2)

(3)

式中：A為太陽輻射強度系數；B為大氣消光系數；C為散射輻射系數；β為太陽高度角；CN為大氣清潔度；θ為太陽光線入射角；ρg為地面的反射率；Fwg為表面對地面的角系數；ξ為太陽輻射吸收系數。系數A、B、C按照文獻[12]中給出的公式計算：

A=1 370[1+0.034cos(2πN/365)]

(4)

B=0.205 1-4.053 69×10-4N+3.518 56×10-5N2

-1.983 2×10-7N3+2.893 9×10-10N4

(5)

C=7.876 3×10-2-4.217 7×10-4N+1.990 8×10-5N2

-1.060 710-7×N3+1.502 4×10-10N4

(6)

式中：N為自1月1日算起的年序日。得出夏至日時A=1 417、B=0.42、C=0.138。

1.2 閘門模型

本文以西南地區某水利樞紐船閘下閘首人字閘門為背景建立有限元模型，并對其自然懸掛狀態進行分析計算。該人字閘門單扇門體尺寸為10.8 m×24 m×2.2 m(寬×高×厚)，屬于大中型人字閘門。單扇門質量為382 t，共設置主橫梁17根，布置間距由上至下依次減小。在閘門主梁側設置2層截面尺寸為220 mm×36 mm的背拉桿(背拉桿為鋼板)，單層背拉桿中包含交叉式布置的主背拉桿3根、副背拉桿2根。

閘門所用鋼材為Q345，總質量包含閘門主體及背拉桿等主要承載結構的質量。對于閘門上的鋼梯等非主要結構(質量約30 t)，通過施加均布荷載等效其對閘門及背拉桿產生的力學作用。閘門模型材料屬性為：彈性模量206 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3，線性膨脹系數1.159×10-5℃-1，導熱系數52.34 W/(m·℃)，比熱480 J/(kg·℃)。

船閘東西向布置，西方向為上游(閘門自然懸掛時，面板側朝向西方向)，X軸沿閘門門軸柱指向斜接柱為正，Y軸垂直于橫梁向上為正，Z軸垂直于閘門指向下游為正。閘門有限元計算模型見圖1，船閘平面布置見圖2。

圖1 人字閘門有限元模型

圖2 船閘平面布置

2 人字閘門溫度場模擬與分析

溫度場數值模擬參數為：東經103.5°、北緯30.8°，散射直射比值0.138，大氣清潔度1，太陽輻射吸收率0.65，太陽輻射強度1 417 W/m2，鋼材輻射發射率ε=0.8。由于鋼材的導熱性能與均勻性明顯優于混凝土材料，所以相比于混凝土結構在太陽輻射下形成的空間不均勻溫度場，人字閘門在太陽輻射下形成較為均勻的空間溫度場分布。

經過仿真模擬，得到人字閘門面板自太陽升起至太陽落下時段內的最高溫度與最低溫度變化規律，見圖3。日出前，閘門不受太陽輻射，各處溫度分布比較均勻且與大氣溫度接近，基本保持在17 ℃；日出后，由于閘門主梁側(向陽面)受到太陽直射，溫度呈現出先慢后快的上升趨勢，在15:00左右閘門的局部溫度達到最高溫度67 ℃，較初始溫度升溫達50 ℃；閘門最高溫度變化范圍為19～67 ℃、最低溫度變化范圍為19～60 ℃。由于閘門東西向跨度小、直射面積大且鋼材導熱性能良好，所以主梁側與面板側沒有產生過大溫差，主梁側與面板側最大溫差出現在13:00左右，相差9 ℃。閘門整體溫度場分布比較均勻。

圖3 閘門面板溫度變化曲線

3 溫度作用下人字閘門結構變形與應力分析

3.1 結構變形

由于閘門整體溫度梯度較小，在太陽輻射下形成均勻的空間溫度場，故以閘門主體溫度每上升10 ℃為一個節點，將其溫度場作為熱荷載加載到閘門有限元模型上，得到人字閘門在不同溫度下的變形，結果見圖4。

圖4 不同溫度下閘門變形云圖

從圖4可以看出，閘門整體發生朝向下游的扭轉變形。不同溫度下，單扇閘門的最大變形都發生在斜接柱上角點、最小變形發生在門軸柱下角點，變形趨勢基本一致。但隨著閘門溫度的升高，變形產生的位移逐漸增大，初始時刻閘門整體位移范圍為0～9 mm，達到最高溫度時閘門整體位移范圍為0～15 mm，自門軸柱端至斜接柱端溫度影響越來越明顯。不同溫度下，斜接柱位移(部分)和背拉桿最大變形對比情況見表1。

表1 不同溫度下斜接柱位移和背拉桿變形

由表1可知，斜接柱上、中、下角點在初始溫度下位移分別為5.273、2.438、1.621 mm，在最高溫度下位移分別為14.047、8.835、6.795 mm，分別增加了8.774、6.397、5.174 mm；背拉桿在初始溫度下的最大變形為7.175 mm，在最高溫度下的最大變形為13.111 mm，增加了5.936 mm。根據JTJ 308—2003《船閘閘閥門設計規范》[13]可知，各構件變形均滿足要求。

根據斜接柱沿閘門高度位移數據可以得到，閘門溫度每上升10 ℃，斜接柱位移平均增加0.348、0.995、1.823、1.994、1.036 mm，不同溫度荷載下斜接柱沿閘門高度方向位移曲線見圖5。

圖5 不同溫度下斜接柱位移

結合圖5可知，閘門上部變形明顯高于下部變形，這是由于閘門主橫梁布置間距從下到上逐漸增大，下部抗扭剛度略強于上部；除此之外，溫度在30 ℃以下時，閘門變形量小幅增加，溫度對閘門變形加劇的影響較小；溫度超過30 ℃之后，不僅閘門變形量隨溫度的上升大幅增加，其平均位移的增速也呈現加快趨勢，即溫度對閘門變形加劇的影響越來越顯著；溫度達到60 ℃之后，閘門變形量繼續增加，平均位移增速呈現減緩趨勢，但仍顯著高于溫度上升的初期階段(30 ℃以下階段)。

斜接柱的位移對閘門的止水強度影響重大，最高溫度下斜接柱的X、Z向位移見圖6。閘門Z向位移沿閘門高程呈現增加趨勢，最大Z向位移出現在斜接柱頂端，閘門整體向下游方向有一定傾斜，而X向位移沿閘門高程基本不變。根據《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規范》[14]可知，閘門X向位移雖然遠大于Z向位移，但整體依然保持豎直；而Z向位移已經超過標準中對斜接柱側向直線度的要求。考慮到閘門參與擋水時，水壓力自上而下逐漸增大，對于Z向位移的增加趨勢有一定緩解作用，斜接柱的變形不會造成閘門止水強度的明顯下降，但閘門上部可能會出現少量吃水現象，可通過適量調整安裝預壓予以解決。同時，人字閘門的施工檢修工作應盡量避免安排在夏季尤其是高溫節氣；若在高溫時段施工，應采取有效的遮陽措施，并避免閘門長期處于自然懸掛狀態。

圖6 最高溫度下斜接柱方向位移

3.2 結構應力

閘門在不同溫度下變形有不同程度的增加，尤其是在最高溫度下，閘門斜接柱位移增加2～4倍不等，背拉桿最大變形增加近2倍，故下文對其應力進行分析，不同溫度下單扇閘門應力見圖7。

圖7 不同溫度下單扇閘門應力云圖

從圖7可以看出，當溫度在初始溫度與最高溫度之間變化時，雖然閘門多處變形均顯著增大，但閘門應力的空間分布基本保持一致，且隨著溫度的升高閘門應力亦未見明顯變化。最大應力都發生在左下角的底樞附近，大小約為31 MPa，這也與文獻[15]中“溫度變化對部分結構只產生變形，但對結構應力影響不大”的結論相一致。閘門的最大應力小于所用鋼的屈服強度，閘門主體處于安全范圍。

背拉桿是人字閘門的關鍵構件，對提高閘門扭轉剛度、抵消閘門扭轉變形至關重要，最高溫度下背拉桿應力見圖8。由圖8可知，背拉桿最大應力發生在其端部，出現了應力集中，最大應力在40 MPa左右；由于閘門上部剛度小于下部剛度、上部變形大于下部變形，所以上層背拉桿應力略大于下部背拉桿應力，并且由于兩端固定，會受到一定的剪切應力，使其應力空間分布呈現出了一定的非均勻性。其應力變化范圍仍然處于所用鋼的容許應力范圍之內，結構安全。

圖8 最高溫度下背拉桿應力云圖

最高溫度下斜接柱的應力見圖9，斜接柱應力在2 MPa范圍內呈現波動變化，最大應力為1.6 MPa。從應力上看，其最大應力也遠小于《船閘閘閥門設計規范》中給出的橡皮止水的最小拉伸強度13 MPa，不會對止水橡皮造成不利影響。

圖9 最高溫度下斜接柱應力

4 結論

1)太陽輻射下人字閘門形成較為均勻的空間溫度場，隨著時間推移溫度呈現先上升后下降的趨勢。最大溫差出現在13:00左右，相差9 ℃；最高溫度出現在15:00左右，局部溫度達到67 ℃。

2)閘門整體發生朝向下游的扭轉變形，隨著閘門溫度上升變形不斷加劇；閘門局部達到最高溫度時，斜接柱、閘門與背拉桿變形均滿足設計規范中的安全要求，但較初始溫度下分別增大1～3倍不等，溫度對閘門變形影響顯著、閘門止水強度受到小幅影響。

3)隨著閘門溫度上升，閘門應力基本保持不變，溫度變化對閘門結構應力未產生明顯影響；在最高溫度下，閘門、背拉桿及止水橡皮受力狀態均處于安全范圍內。

4)鑒于高溫下閘門變形加劇，建議盡量避免安排在夏季尤其是高溫節氣對人字閘門進行施工檢修；避免閘門長期處于自然懸掛狀態；在高溫時段施工時，應采取有效的遮陽措施。