大跨度桁架平面閘門靜動力特性分析

0 引言

近年來，隨著我國水利行業(yè)的蓬勃發(fā)展，水工鋼閘門正朝著高水頭、大跨度和大泄量的方向發(fā)展。而大跨度桁架平面鋼閘門由于其節(jié)約鋼材、剛度好和自重輕的特點(diǎn)在水利工程中得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)上對桁架平面鋼閘門多采用手工計算方法，基于現(xiàn)有理論體系對結(jié)構(gòu)、零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核，計算程序比較復(fù)雜，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，對水工鋼閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的技術(shù)也越來越成熟，因而本文根據(jù)工程實(shí)例，應(yīng)用有限元軟件對大跨度桁架平面閘門進(jìn)行靜動力特性分析。

1 閘門有限元模型

1.1 工程實(shí)例

本文以某調(diào)控樞紐擋洪閘為例，擋洪閘凈寬45m，設(shè)置1扇桁架平面鋼閘門為工作閘門，主要功能是在汛期下閘擋洪，平時常開且具有通航功能。閘門布置圖如圖1所示。

圖1 擋洪閘閘門布置圖

1.2 閘門有限元建模

應(yīng)用ANSYS軟件對閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，建模時基于板殼理論將閘門離散為板、梁單元。閘門面板、邊梁、水平主桁架、吊耳板及節(jié)點(diǎn)板等采用SHELL181單位進(jìn)行模擬，桁架腹桿采用BEAM188單元。在空間直角坐標(biāo)系下對閘門進(jìn)行計算，X軸沿主梁方向向右（垂直水流方向），Y軸沿豎直方向，Z軸指向上游。鋼材彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3。建立的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格（斜視）

1.3 計算工況及約束載荷設(shè)置

根據(jù)該閘門的在實(shí)際工程中的運(yùn)行情況，可分擋水工況、起吊工況和鎖定工況三種工況對該閘門進(jìn)行分析，進(jìn)而評估該閘門的安全狀況。各工況下對閘門的約束設(shè)置如下：

①擋水工況：閘門擋水時，門槽對閘門滑塊形成Z方向約束，門槽對閘門邊梁X方向進(jìn)行約束，閘門底檻處設(shè)置Y方向的位移位移。依據(jù)該閘門的運(yùn)行情況，最不利的工況組合為上游水位3.7m，下游水位2.9m，同時考慮波浪荷載對閘門結(jié)構(gòu)的影響。

②起吊工況：閘門起吊時，受到的最不利荷載組合為：向上的最大啟門力與向下的自重、摩擦力及卡阻力等平衡。故對閘門整體施加自重，對閘門吊點(diǎn)施加閘門啟門力荷載，并考慮閘門上下游0.1m水頭差的水壓力的影響。閘門的固定約束設(shè)置為對閘門滑塊Z方向約束，對閘門邊梁X方向進(jìn)行約束，對邊梁底部受Y方向約束。

③鎖定工況：對閘門在鎖定時的受力情況進(jìn)行分析，約束設(shè)置為門槽對閘門滑塊的Z方向約束，門槽對閘門邊梁沿X方向的約束，邊梁鎖定部位受Y方向約束。閘門荷載考慮自重和百年一遇的風(fēng)壓力荷載。

2 閘門靜力分析

閘門的靜力特性分析是對閘門安全分析的重要評估資料。基于ANSYS的分析結(jié)果，本文計算得到的三種工況下閘門Mises應(yīng)力計算云圖如圖3、圖4和圖5所示。在擋水工況下，閘門最大Mises應(yīng)力位置出現(xiàn)在水平主桁架后翼緣中部，大小為53.1MPa；在起吊工況時，由于啟閉力作用在閘門吊耳上，因而閘門最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在吊耳板上，大小為55.8MPa；在鎖定工況下，閘門最大Mises應(yīng)力發(fā)生在閘門底端水平主桁架后翼緣與邊梁后翼緣相交處，大小為42.1MPa。三種工況下閘門的最大Mises應(yīng)力均滿足閘門強(qiáng)度設(shè)置要求，其中在起吊時，閘門的Mises應(yīng)力最大，發(fā)生在閘門的吊耳板，因而在閘門設(shè)計和實(shí)際運(yùn)行時，應(yīng)注意吊耳板的受力情況。

圖3 擋水工況

圖4 起吊工況

圖5 鎖定工況

三種工況下的閘門水平主桁架腹桿、下翼緣豎向桁架腹桿和主桁架聯(lián)系桿的拉壓應(yīng)力計算結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可知，在擋水工況下，閘門水平主桁架是主要受力構(gòu)件，主桁架腹桿最大應(yīng)力為47.7MPa；在起吊工況和 鎖定工況時，閘門下翼緣豎向桁架為主要受力構(gòu)件，在鎖定工況時，豎向桁架腹桿最大應(yīng)力為45.2MPa，三種工況下閘門桁架構(gòu)件均滿足強(qiáng)度要求。大跨度桁架結(jié)構(gòu)閘門在不同的工況下，閘門主要受力桁架是不同的，這就要求在設(shè)計大跨度桁架結(jié)構(gòu)閘門時應(yīng)考慮閘門不同工況下的受力情況。

表1 三種工況閘門桁架應(yīng)力計算結(jié)果 單位：MPa

3 穩(wěn)定性分析

大跨度桁架平面閘門屬于大跨薄壁結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)的極限承載力主要取決于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載能力，因而進(jìn)行穩(wěn)定性分析是非常必要的。本文主要應(yīng)用特征值屈曲分析方法對閘門擋水、起吊與鎖定三種工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析，求出其特征值，亦即閘門的安全系數(shù)。

計算得到的三種工況下閘門前6階失穩(wěn)模態(tài)的特征值如表2所示，從表中數(shù)據(jù)可知，三種工況下最小穩(wěn)定系數(shù)分別為5.6283、9.8765及9.2556，閘門在擋水工況時最容易發(fā)生面板失穩(wěn)破壞的事故。鋼閘門的設(shè)計規(guī)范雖然沒有相關(guān)的閘門整體穩(wěn)定性的條例，但根據(jù)容許應(yīng)力法的規(guī)則，可推斷閘門的安全系數(shù)為2.0～3.0，閘門穩(wěn)定性是滿足要求的。

表2 三種工況下閘門前6階失穩(wěn)模態(tài)的特征值

4 振動分析

研究閘門自振特性可以在設(shè)計過程中減少對閘門自振頻率的激勵，防止產(chǎn)生共振破壞。閘門一般都會部分或全部淹沒在水體中，因此，閘門結(jié)構(gòu)與水體之間的耦合作用會對閘門的自由振動產(chǎn)生影響，在對閘門進(jìn)行振動分析時，必須考慮動水壓力對閘門振動的影響。本文中對閘門進(jìn)行三維有限元建模的同時，對作用在閘門上的部分水體進(jìn)行建模，并模擬閘門與水體之間的相互作用。以便得到閘門的濕模態(tài)。

根據(jù)閘門在實(shí)際工程中的運(yùn)行情況，本文對閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動分析時分三種工況：一是閘門全關(guān)位上下游無水的干模態(tài)；二是閘門全關(guān)位上游有水、下游無水時的濕模態(tài)；三是全關(guān)位上、下游都有水時的濕模態(tài)。三種工況下閘門前5階自振頻率如表3所示，從表中計算結(jié)果可知，全關(guān)位上游有水、下游無水時頻率相比干模態(tài)下降明顯，與實(shí)際規(guī)律一致，即水體與閘門的耦合所特有的附加質(zhì)量效應(yīng)。而全關(guān)位上、下游有水時頻率上升明顯，這是因為，雖然閘門的附加質(zhì)量增大了，但上下游水體對閘門的約束增強(qiáng)了，因而表現(xiàn)出閘門的振動頻率增加，反而削弱了共振幾率。

表3 不同工況下閘門各階頻率計算結(jié)果

5 結(jié)論與分析

本文通過對大跨度桁架平面閘門進(jìn)行靜力分析、穩(wěn)定性分析和振動分析，得到了三種工況下大跨度桁架平面閘門的靜動力特性結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

①大跨度桁架平面閘門在不同的工況下主要受力桁架是不同的，在閘門擋水工況時，閘門的水平桁架結(jié)構(gòu)主要受力；在閘門鎖定和起吊工況時，閘門的豎向桁架主要受力，這就需要在閘門設(shè)計時應(yīng)考慮不同的工況進(jìn)行分析。

②通過應(yīng)用ANSYS的穩(wěn)定性分析方法對該閘門進(jìn)行分析，該閘門前六階失穩(wěn)模態(tài)均是面板首先失穩(wěn)，在擋水工況時，閘門最小穩(wěn)定系數(shù)為5.6283，此時，最容易發(fā)生閘門面板失穩(wěn)破壞的事故。根據(jù)計算結(jié)果可推斷閘門的安全系數(shù)為2.0～3.0，閘門穩(wěn)定性是滿足要求的。

③通過對該閘門進(jìn)行振動分析，可計算得到該閘門前5階振動頻率，計算發(fā)現(xiàn)，閘門單向擋水時的振動頻率較無水狀態(tài)下降明顯，而閘門雙向擋水時，閘門的振動頻率是明顯上升的。