船閘三角閘門(mén)靜力仿真研究

嵇旭紅，杜彩霞，周詳，史常龍，張慧中，蔡建國(guó)，戴振華

（1.常州市港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 常州 213022；2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014；3.東南大學(xué)，江蘇 南京 211189）

船閘三角閘門(mén)具有能承受雙向水頭，而且能在閘門(mén)上、下游有一定的水位差時(shí)啟閉，使用靈活等特點(diǎn)，特別對(duì)于受潮汐影響的船閘使用三角閘門(mén)比較適用[1,2]。魏村船閘工程采用弧面三角閘門(mén)，相比平板閘門(mén)，弧面三角閘門(mén)具有較強(qiáng)的空間性，因此使用平面分析方法或?qū)㈤l門(mén)組件單獨(dú)進(jìn)行受力分析都無(wú)法反映弧面三角閘門(mén)的實(shí)際受力情況[3]。因此，本文使用空間有限元計(jì)算方法對(duì)三角閘門(mén)進(jìn)行有限元分析，使用有限元分析軟件ABAQUS 對(duì)船閘在不同工況下的受力情況進(jìn)行了計(jì)算，為閘門(mén)的安全使用及優(yōu)化提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型與計(jì)算工況

1.1 閘門(mén)基本參數(shù)與有限元模型

三角閘門(mén)的主體結(jié)構(gòu)由端柱、主支臂、空間聯(lián)系剛架和面板梁格系組成。面板厚為10mm,閘門(mén)高11.6m。防撞部分使用工字形梁、箱型梁及雙槽鋼，浮箱梁則采用T 形梁，對(duì)于空間桁架構(gòu)件及支臂則采用空心鋼管，使用空心焊接球?qū)臻g桁架鋼管進(jìn)行連接。閘門(mén)結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1 所示。

圖1 三角閘門(mén)幾何模型

由于三角閘門(mén)兩扇閘門(mén)在載荷、約束、結(jié)構(gòu)布置等方面均對(duì)稱，因此本文取一扇閘門(mén)進(jìn)行靜力分析。由于三角閘門(mén)在受力時(shí)有較強(qiáng)的空間特征，為了得到閘門(mén)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)和整體特征，同時(shí)考慮閘門(mén)各構(gòu)件之間的連接方式對(duì)受力的影響，在建模過(guò)程中采用不同的空間三維單元，閘門(mén)不同組件采用的網(wǎng)格單元如表1 所示。

表1 閘門(mén)不同組件的網(wǎng)格單元類型

閘門(mén)采用的鋼材為CCSB 和Q355 鋼材，鋼材密度取7850kg/m3，泊松比為0.3，鋼材的彈性模量E 為2.06×105MPa，初估閘門(mén)總重為92.85t，重力加速度取9.8m/s2。在分析中考慮浮箱的作用，取等效重力加速度為5.79 m/s2。由于三角閘門(mén)整體有限元模型建立時(shí)不可避免地會(huì)對(duì)閘門(mén)實(shí)際結(jié)構(gòu)細(xì)部和構(gòu)造部件如加勁肋、節(jié)點(diǎn)板、焊縫等一些細(xì)部的材料等做必要的簡(jiǎn)化，考慮上述因素，計(jì)算自重時(shí)將鋼材的密度乘以一個(gè)大于1 的系數(shù)1.1 予以放大，取=1.1×7850=8365 kg/m3，以考慮上述因素對(duì)閘門(mén)自重荷載的影響。

1.2 計(jì)算工況及約束條件

三角閘門(mén)的約束情況和實(shí)際工作情況均比較復(fù)雜，考慮閘門(mén)實(shí)際運(yùn)行時(shí)受水壓力會(huì)隨通航條件改變，組合得到兩種設(shè)計(jì)工況及約束條件，如表2 所示。

表2 不同工況下的計(jì)算水位和約束條件

2 強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的判定標(biāo)準(zhǔn)

參考《船閘閘閥門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]的規(guī)定，鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)采用容許應(yīng)力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度需要取容許應(yīng)力，根據(jù)厚度的不同，鋼材的容許應(yīng)力分為兩組，該工程所采用的鋼材厚度范圍均小于16mm。同時(shí)根據(jù)規(guī)范規(guī)定，容許應(yīng)力應(yīng)乘相應(yīng)的系數(shù)0.9-0.95，本文按照閘門(mén)等級(jí)1 級(jí)取調(diào)整系數(shù)為0.90。

本工程應(yīng)用的鋼材為Q355B 和CCSB 船板，按照Q345 進(jìn)行計(jì)算，因此設(shè)計(jì)容許應(yīng)力為230×0.90=207.0 N/mm2。

根據(jù)《船閘閘閥門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]的規(guī)定，受彎構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件應(yīng)驗(yàn)算其撓度。閘門(mén)主梁及次梁應(yīng)滿足的最大撓度限值如表3 所示，l 為構(gòu)件長(zhǎng)度。

表3 主、次梁最大撓度限值

根據(jù)《船閘閘閥門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5]規(guī)定：三角閘門(mén)的受壓、受彎及壓彎構(gòu)件均需進(jìn)行整體穩(wěn)定驗(yàn)算。空間桁架腹桿主要受到彎矩和軸力的作用，由于桁架腹桿兩端彎矩較小，可近似視為軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，軸心受壓構(gòu)件應(yīng)滿足以下公式：

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 閘門(mén)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

本文考慮水壓力與船閘自身重力作為主要荷載，閘門(mén)的強(qiáng)度檢驗(yàn)采用第四強(qiáng)度理論，強(qiáng)度校核公式為：

對(duì)比兩種工況，正向水位差為3.81m 大于反向水位差3.21m，正向設(shè)計(jì)組合情況下，閘門(mén)受的水壓力更大，因此正向設(shè)計(jì)組合為兩種工況條件下更為危險(xiǎn)的工況條件。計(jì)算得到，在正向設(shè)計(jì)組合的工況條件下，閘門(mén)面板最大折算應(yīng)力為150.7MPa，梁格最大折算應(yīng)力為145.5MPa，依照《船閘閘閥門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]的規(guī)定，對(duì)兩種工況條件下面板、梁格、主體桿件、防撞桿件及支臂進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，結(jié)果如表4 所示。由表4 可知，計(jì)算的兩種工況，弧面三角閘門(mén)各組件強(qiáng)度均滿足要求。

表4 閘門(mén)各構(gòu)件在不同工況下受到的最大折算應(yīng)力（MPa）

閘門(mén)在正向設(shè)計(jì)組合下的面板、底主梁應(yīng)力云圖如圖2 所示，面板應(yīng)力自上而下逐漸增大，在面板左右兩端存在局部應(yīng)力集中，底主梁最大折算應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。

圖2 工況一面板應(yīng)力云圖（單位：MPa）

3.2 閘門(mén)結(jié)構(gòu)剛度分析

對(duì)于剛度驗(yàn)算，考慮梁格的徑向位移，圖3 表示了兩種工況條件下梁格徑向位移云圖。從梁格的位移云圖可以看出，主梁的最大徑向位移均出現(xiàn)在靠近底部浮箱處，另一方面，閘門(mén)的位移從上往下也不斷增大，主要由于底部所受的荷載較大。在兩種工況條件下，主梁的最大撓度分別為3.02mm、2.34mm，次梁的最大撓度分別為3.01mm、2.32mm，均小于最大允許撓度，故剛度滿足要求。

圖3 不同工況下梁格位移云圖

3.3 閘門(mén)空間桁架桿穩(wěn)定性分析

在閘門(mén)實(shí)際受力中，桿件主要受拉力和壓力作用，對(duì)于受壓桿件，為避免由于桿件失穩(wěn)導(dǎo)致閘門(mén)結(jié)構(gòu)破壞，需要對(duì)空間桁架桿件的穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)，表5 列出了在兩種工況下，桁架桿受到的最大壓力。桿件均按軸心受壓桿件考慮進(jìn)行穩(wěn)定性分析。對(duì)于軸心受壓桿件，按公式（1）驗(yàn)算其穩(wěn)定性，桿件最小半徑為51mm，按a 類截面考慮，其最小穩(wěn)定系數(shù)取0.886，同時(shí)桿件受最大軸力為-1kN，代入式（1）：

表5 空間桁架桿件在不同工況條件下受到的最大軸壓力（kN）

因此穩(wěn)定性滿足要求。

4 結(jié)論

（1）運(yùn)用有限元法，使用ABAQUS 對(duì)三角閘門(mén)進(jìn)行靜力數(shù)值分析，得到不同工況條件下，三角閘門(mén)的應(yīng)力與變形情況，分析船閘在不同工況下的受力情況。

（2）根據(jù)計(jì)算得到的應(yīng)力及位移結(jié)果，對(duì)閘門(mén)整體及局部進(jìn)行強(qiáng)度與剛度的校核。結(jié)果表明，三角閘門(mén)整體及局部的強(qiáng)度與剛度均滿足要求。

（3）對(duì)不同工況條件下，空間桁架桿件穩(wěn)定性進(jìn)行分析，在兩種工況條件下，桿件的受壓、受拉發(fā)生改變，分析結(jié)果表明，不同工況條件下，桿件穩(wěn)定性滿足要求。