水閘覆冰提升的ANSYS軟件分析研究

譚其志，蘇艷菲

(貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴州 貴陽 550081)

1 概述

云貴高海拔地區容易發生凝凍，在水工結構物表面積冰。依據SL 74—2019《水利水電工程鋼閘門設計規范》中規定的閘門與冰層間必須采用合理的方法隔開，避免閘門承受冰載荷。如情況惡劣，應采取保溫或加熱措施，防止閘門與門槽凍結，但是農田水利設施多處于偏遠郊區、山地，工程技術條件有限，部分站點直接帶冰提升，導致閘體結構變形、混凝土支撐結構老化和啟閉機過載等事故時有發生，縮短了水閘及其配套設備的使用壽命[1]。因此，研究積冰對水閘危害的特征，提高安全使用意識是十分必要的。

水閘帶冰啟動的提升載荷除滿足自重條件，還要破壞積冰在水閘表面的附著力。維持黏附狀態的作用力被稱為冰的附著力，有2種形式：水在液相到固相的轉變過程中，冰與金屬2種固態物質密切接觸形成了“粘附力”，表現為冰與固體表面間的作用；結冰過程中，固態水分子間的作用力形成“粘聚力”，表現為冰的力學性能。冰的“附著”是相對于“脫落”而言的，常用的除冰方法，如涂層防冰、機械除冰和加熱除冰等[2]，無論何種方式都是通過能量轉換，破壞冰在金屬表面的附著力。冰的附著狀態受外部條件影響打破后，會形成冰的“脫落”和“斷裂”，分別對應結冰“粘附力”失效和結冰“粘聚力”失效2種不同的失效形態[3]。

覆冰與水閘接觸面脫落的強度條件，與積冰附著狀態失效的形式有關。“冰脫落”時壁面上的冰完全脫落，幾乎無任何冰殘留，屬于“結冰黏附力失效”；“冰斷裂”時壁面會有一極薄的冰層殘留，屬于“結冰黏聚力失效”。Mirshahidi[4]通過實驗測量了不同材料表面拉伸附著力失效的強度條件，獲得黏附力強度極限為0.34～0.48MPa，黏聚力強度極限為0.9～1.7MPa。為簡化實驗過程，多不區分失效形式，僅考慮斷裂強度極限。陳功[5]通過試驗對6061鋁合金表面結冰后所產生的附著力進行了測算，確定冰在切向載荷作用下的強度極限約為0.6MPa。Rnneberg[6]研究了積冰密度與黏附力的關系，實驗確定的切向載荷極限為0.78MPa。曹巖[7]、肖贊[8]和張紅彪[9]對自然河冰的力學性質和強度條件開展了實驗研究。影響結冰附著力的因素很多，劉禎[10]在基底不變的情況下，研究了靜態結冰及相同水含量、不同平均粒徑的水霧，在不同溫度下的動態結冰的冰附著力(剪切力)的變化情況。

目前水閘覆冰運行缺少有效的監測手段，對水閘提升受力特征分析研究的相關成果相對較少，而且經濟性也是制約農田水利工程施工中開展現場實驗研究的重要因素。已有的冰強度實驗為仿真分析提供了數據支撐，因此本項目利用ANSYS有限元軟件，模擬凝凍天氣閘門帶冰提升過程，研究提閘脫冰對水閘結構的危害。

2 結覆冰運行工況

閘門運行主要承受靜水壓、動水壓、水流沖擊和自身重力。在特殊情況下，水閘結構強度還需要抵抗漂浮物撞擊和地震外載荷作用。正常運行極限情況下，閘門處于單向承壓狀態，一側來流承壓，一側不承受水壓。

凝凍天氣發生時，空氣中的過冷液滴隨氣流運動撞擊水閘迎風面，閘門表面和側邊的水滴在重力的作用下向水閘底部匯集，會在水閘底部密封處形成覆冰。隨凝凍天氣的持續，覆冰厚度會不斷增大。

由于缺少水閘迎風面凝凍積冰厚度的觀測數據，參考輸電線路積冰實驗觀測數據[11]，可知積冰厚度在10mm左右變化。因水閘迎風得水能力，遠好于輸電線路，在研究時假設積冰完全覆蓋閘門和門槽底部連接處，覆冰區域如圖1陰影所示。圖1(b)為圖1(a)側視底部覆冰區域局部放大。

圖1 水閘底部覆冰示意

3 仿真模型建立

3.1 覆冰黏附模型

閘門在啟閉機提升力的作用下向上移動，覆冰脫落應力特征與相對運動有關。從圖1(b)可以看出，閘門①提升與底部覆冰③脫離時，閘門①與覆冰③之間存在切向相對運動，應按剪切強度計算；門槽②與覆冰③間存在法相相對運動，應按拉伸強度計算。覆冰脫落模型應兼顧裂紋形成中存在的應力狀態。

3.1.1黏結區模型

在外力的作用下，覆冰克服表面原子間的結合力脫離水閘表面形成裂紋，進而實現覆冰脫落，通過線彈性力學無法分析覆冰斷裂脫落的過程。黏結區域模型CZM是對實際斷裂過程的近似量化表達，廣泛用于研究脆性和塑性材料的裂紋擴展，模型如圖2所示[12]。黏結區模型假設2個表面間存在沒有完全分離的黏結區，由表面間應力和相對位移定義本構關系，其內部應力和表面間位移隨著外部載荷的增大而增大，當載荷應力超過臨界分離應力值時形成新的斷裂面。斷裂計算期間，內部應力逐漸減小為零，表面間位移擴大至分離臨界強度值，是一個漸進發展的過程。在黏結區域內可以發生拉伸分離、剪切滑移和混合模式，與覆冰脫落相對水閘表面的運動形式相符，可用于分析覆冰與結構表面分離。

圖2 CZM單元破壞

3.1.2CZM材料設置

基于覆冰斷裂應力特征，選擇“基于分離-距離的剝離”設置CZM材料，優先選擇前述冰強度條件實驗研究最大值，確定切向應力τ=0.78MPa，法向應力δ=1.7MPa。CZM材料參數見表1。

表1 CZM模型參數

3.2 分析模型建立

按照項目設計水閘結構尺寸，在Ansys中建立如圖3(a)所示的幾何模型，由門槽、閘門和底部積冰3部分組成。閘門尺寸為1.6m×1.5m×0.16m，門槽尺寸為3.16m×1.65m×0.3m，水閘底部覆冰示意圖1(b)所示門槽底部外檐，覆冰截面半徑42mm。

圖3 閘門底部覆冰幾何模型網格劃分

閘門和門槽結構材料選擇“Q235”，底部覆冰的材料選擇“Ice”，2種材料的參數設置見表2。

表2 實體材料參數

設置冰與閘門、冰與門槽底部、冰與門槽兩側接觸面為CZM模型。閘門與門槽接觸面為“Frictional”連接模式，摩擦系數為0.2。分區域劃分網格，水閘整體單元尺寸0.05m，覆冰單元尺寸0.025m，共劃分網格單元31768個。

3.3 載荷條件

當閘門關閉時，閘門與門槽閉合處于混凝土地基上，門槽不可移動，設置門槽底面為“固定支撐”。閘門帶冰提升時，為觀察水閘結構和應力特征的改變，門槽兩側沒有施加約束，忽略了混凝土支撐的作用。依據項目設計，閘門頂部垂直方向施加提升載荷F=50kN。

由SL 74—2019可知閘門結構板件厚度(≤16mm)對應的抗拉、抗壓、抗彎和抗剪許用應力為：[σ]=160MPa，[τ]=95MPa，按照第四強度理論分析水閘結構強度。

4 分析結果

經有限元計算水閘結構應力分布，提取第四強度等效應力云圖，如圖4所示。在門槽底部靠近覆冰區域存在應力集中，最大應力約6.03MPa，小于設計規范要求，閘門結構安全。閘門與覆冰間作用應力約為1.34～2.01MPa，大于分界面剝離應力限度，覆冰開裂脫落。

圖4 水閘結構應力云圖

門槽產生應力集中的原因與結冰附著力有關。如圖5所示，在閘門提升瞬間，因覆冰黏附阻滯閘門豎向提升運動，提升力F相對積冰附著點形成如圖5所示的傾覆力矩T，在其作用下閘門向覆冰區傾斜。導致門槽和閘門間擠壓作用增強，提升摩擦力增大，引起門槽和水閘結構變形，產生應力集中。因應力集中幅度僅占門槽強度極限的3.7%，所以帶冰提升不會直接破壞水閘結構。

圖5 覆冰作用下閘門提升傾覆示意

從圖6水閘結構變形圖中可以看出，水閘頂部位置偏移了約0.12mm，而底部應力集中區域變形不大。這是由于門槽頂部相對底部在豎直方向，存在變形放大現象，底部應力集中產生的小角度變形，會引起頂部相對較大的位置偏移，但其絕對偏移量較小，不會影響水閘的結構穩定。閘門在提升載荷和覆冰附著力作用下存在微弱變形。

圖6 水閘結構變形

綜合應力和變形特征分析可知，因凝凍覆冰厚度遠小于河道冰凍結冰，由冰附著力產生的脫冰載荷不會對水閘結構造成直接危害。在極端天氣冰凍災害發生時，若情況緊急，除冰條件不足，可臨時強行提閘運行。但是在云貴高原，凝凍天氣持續時間較長，頻繁帶冰提閘在應力集中區容易產生疲勞破壞，且門槽頂部安裝的啟閉機等設備隨門槽位置偏移，會加劇底部應力集中。因此，應采取必要的防除冰措施，避免采用帶冰提閘的運行方式，保護水閘的長期安全可靠。

5 結論

項目研究通過ANSYS有限元分析軟件，基于CZM黏附模型，建立了水閘覆冰的有限元模型，模擬研究了底部積冰時提閘運行的受力特征，研究發現：

(1)積冰阻滯水閘提升，使啟門力相對覆冰區形成傾覆轉矩，導致閘門傾斜，與門槽發生擠壓，增大了提升阻力，在門槽底部形成應力集中。應力集中上限值相比門槽結構強度較小，不會造成結構的直接破壞，引起的變形幅度很小，不會危害結構的穩定性。

(2)水閘積冰使局部應力增大，打破了水閘運行原本穩定的應力環境，雖不能造成直接結構破壞，但是在凝凍高發地區，水閘頻繁帶冰提升，引起周期性應力集中，會在門槽底部產生疲勞破壞，危害水閘的長期穩定運行。