船闸扇形门静力数值分析

王 孟 胡友安

(河海大学机电工程学院,江苏常州 213022)

南通九圩船闸位于入江口4km处,按3级标准建设,船闸闸室有效尺寸为:长200 m、宽23 m,根据工程自身及扇形门动水中灵活启闭、可承受双向水头、适用潮汐影响的特点[1],上下闸首均采用了扇形闸门.闸门采用卧式液压启闭机,全水头动水启闭.由于闸门设计时采用了传统的平面体系的设计方法,未能全面正确反映闸门空间的受力情况,忽略了各构件的相互联系及整体协调性[2],因此,为确保闸门安全可靠的运行,借助于有限元分析软件对闸门静力特性进行计算研究,为闸门设计提供理论依据十分必要.

1 计算模型及计算工况

1.1 计算模型和计算参数

闸门采用空间网架结构,门体由面板、梁格、桁架、支臂网架、浮箱、立柱等组成.上闸首底槛高程1.93m、门顶高程13.42 m,下闸首底槛高程-1.13 m、门顶高程13.72m.扇形闸门中心角为70°,闸门面板所在圆弧半径12.39m,面板厚10mm,面板上设置了7根水平主梁、13根水平次梁、6根隔板、10根垂直次梁,均为T型截面梁,其腹板及翼缘厚度均小于等于12mm.浮箱各面板上也纵横布置了T型截面梁.

以有限元软件ANSYS为计算平台,建立下闸首模型.采用 Shell63单元模拟面板、浮箱及立柱, Beam188单元模拟梁格及支臂网架,下闸首整体划分为23630个单元,22910个节点.下闸首有限元网格如图1所示,建模时采用柱面坐标系,x轴为闸门径向方向,即垂直水流方向;y轴为闸门切向方向,其正方向指向挡水面板;z轴竖直向上,为闸门高度方向.

图1 有限元计算网格

闸门结构采用Q235钢,其钢材的弹性模量E= 2.06×1011Pa,泊松比 μ=0.3,同时考虑焊缝、加劲板等构件细部材料,取密度修正系数为1.2,将密度按ρ=1.2×7850=9420 kg/m3进行折算考虑[3].

1.2 计算工况及约束条件

根据闸门的实际运行情况,闸门运行时受自身重力和水压力作用,忽略风载,重力加速度g取9.8 m/ s2,表1为闸门4种不同运行工况下的计算水位.

表1 不同工况下的计算水位 (单位:m)

闸门不同运行工况下的约束条件为:顶枢施加水平面内的位移约束,底枢施加3个方向的位移约束,闸门中轴纵线处施加对称约束,闸门底部施加高度方向的位移约束.

2 强度评判标准

根据文献[4]的规定,确定各构件的容许应力,面板、浮箱、面板上的纵横梁及隔板,其厚度小于等于12mm(属钢材尺寸第1组),其材料容许应力[σ1]= 160MPa,[τ1]=95MPa.根据文献[5]规定,对于大中型工程的在役闸门结构强度进行验算时,取容许应力修正系数k=0.95×0.95=0.9025,修正后闸门材料的容许应力:[σ1]=144.4MPa,[τ1]=85.74 MPa,材料局部承压容许应力[σcd]=240MPa,计算的最大应力值不得超过容许应力的5%,即252MPa.

3 计算结果与分析

3.1 支座反力分析

表2为支座在防洪工况下的反力值,经ANSYS自动计算,闸门模型自重1287kN.由表2可知浮箱提供的浮力约为1287-963.0=324.0kN,浮箱的存在对于减小闸门底部埋设件的压力及闸门启闭力具有重要的实际意义.

表2 支座反力 (单位:kN)

3.2 结构应力分析

闸门在荷载的作用下,应力分布情况极为复杂,按第四强度理论对闸门强度进行校核,折算应力为:

(1)面板及浮箱

防洪工况条件下,闸门所受水压力最大,面板最大折算应力148MPa,浮箱最大折算应力260MPa,位于面板与浮箱连接区域的焊缝处,出现局部应力集中现象(图2),浮箱其余区域应力值低于200MPa,但相对面板的较大.表3为4种工况下面板及浮箱的最大折算应力值.文献[4]规定,验算面板强度时,应考虑面板的局部弯应力与面板兼作主(次)梁翼缘的整体弯应力相叠加,叠加后的折算应力应小于1.1α[σ].其中[σ]为修正后的容许应力;α为弹塑性调整系数,与面板区格的划分有关,由于面板区格长边与短边的长度比小于3,故取α=1.5.得到最大折算应力值为238.2MPa.各工况下面板及浮箱整体满足强度要求,浮箱相对应力值较大,为提高闸门的安全性能,建议增加浮箱面板厚度或增加浮箱内 T型截面梁的腹板及翼缘厚度.为减小浮箱与面板连接区域应力集中现象,可在焊接区域增设加强筋.

图2 防洪工况下面板及浮箱的折算应力(单位:Pa)

表3 不同工况下面板及浮箱的最大折算应力值(单位:M Pa)

(2)主梁

表4为不同工况下主梁的最大折算应力,由表4可知,当长江侧水位较高时(反向通航及防洪工况),3号主梁应力值最大,当闸室水位较高时(其余两种工况),1号主梁(底主梁)的应力值最大,主梁应力值均小于材料的容许应力,满足强度要求.

表4 不同工况下主梁的最大折算应力 (单位:MPa)

(3)隔板

由于闸门及水压力均关于Y-Z平面对称,取闸门一侧隔板作为研究对象,表5为不同工况下隔板的最大折算应力.由表5可知,隔板应力值较小,满足强度要求.

表5 不同工况下隔板的最大折算应力 (单位:MPa)

3.3 刚度计算结果与分析

图3为闸门在防洪工况下的总体变形图,由图可以看出,沿水压方向的变形是闸门的主要变形,闸门挡水面板底部位置变形较大,为防止底止水漏水,应对此位置结构进行优化.闸门在各工况下的最大变形值见表6.对于受弯构件,应根据挠度计算结果对刚度进行校核,根据文献[4]规定,露顶式闸门其最大挠度应小于计算跨度的1/600,则闸门最大允许挠度为25.2mm,由表可知,闸门刚度满足设计要求.

图3 防洪工况下闸门整体变形图(单位:m)

表6 不同工况下闸门的最大位移 (单位:mm)

4 结 语

(1)采用ANSYS建立的闸门模型,在各种载荷作用下的变形及应力分布规律符合实际情况,所建模型合理,能够正确反映闸门的实际情况.

(2)计算结果表明,闸门整体满足设计要求,但仍存在以下问题:闸门浮箱相对强度较弱,应予以加强;浮箱与面板连接区域存在应力集中现象,应作强化处理;闸门挡水面板底部位置刚度相对较弱,为防止底止水漏水,应予以优化.

(3)本文所作研究为闸门的安全运行提供了一定的理论依据,可供同类型闸门的设计计算借鉴.

[1] 迟朝娜.船闸三角闸门结构的空间有限元分析[D].南京:河海大学,2007.

[2] 谢志雄,周建方.大型弧形闸门静力特性有限元分析[J].水利电力机械,2006,28(4):21-24.

[3] 朱怀淼,胡友安,任 超,等.可升卧式翻板闸门的静力数值分析[J].水电能源科学,2009,27(4):120-122.

[4] 水利部电力工业部东北勘测设计研究院.SL74-95水利水电工程钢闸门设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,1995.

[5] 水利部水工金属结构安全检测中心,水利部丹江口水利枢纽管理局.SL226-98水利水电工程金属结构报废标准[S].北京:机械工业出版社,1998.

[6] 周建方.材料力学[M].北京:机械工业出版社,2002.