溪洛渡水电站1号导流洞封堵闸门的三维有限元静力计算

刘天德，龙朝晖

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 门叶结构布置

闸门孔口尺寸为18m×20m(宽×高，下同)，第一次启门水头为18.98m，第二次下闸水头为12.67m，封堵挡水水头为36.43m，闸门总水压力为97 836kN。门槽采用II型门槽，门型为潜孔式平面滑动闸门，门叶结构主要材料为Q345B，下游止水，采用NL150滑道支承，闸门分为6节，其中2～5节门叶结构相同。为方便二次安装，节间采用螺栓连接。闸门由1台2×8000kN固定卷扬启闭机操作，扬程47m。门叶结构布置见图1。

图1 门叶结构布置

2 强度理论与允许应力

闸门应力分布为三向应力状态，闸门在常温、静载受力状况下，金属材料应按第四强度理论验算门叶强度。第四强度理论为：

按DL/T5039-95《水利水电工程钢闸门设计规范》，闸门构件允许应力[σ]见表1。其中面板允许应力=1.1×1.3[σ]=1.43[σ]，其他构件允许应力=0.9[σ]，1.1×1.3为考虑面板进入塑性的系数，0.9为应力折减系数。

表1 闸门构件允许应力 MPa

注： [σcd]为腹板局部承压应力，不乘调整系数0.9。

3 闸门有限元计算模型

闸门结构有限元计算程序采用国际通用的有限元程序ANSYSWORKBENCH V11。采用三维实体建模，除连接螺栓、侧轮、小筋板、焊缝未在模型中反映外，其他均按实体结构尺寸建模。模型中水封橡胶及节间橡胶垫按小变形线性材料处理，其他材料为结构钢。橡胶材料弹性模量E=6.5MPa，泊松比μ=0.49，密度ρ=1.5e-6kg/mm3；钢材弹性模量E=2.05e+5MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85e-6kg/mm3。

图2 闸门网格划分

考虑闸门对称性，取闸门一半进行计算。有限元模型共划分171 225个带中间节点的二次实体单元，320 914个节点，模型网络划分见图2。

4 闸门有限元静力计算

4.1 闸门最高挡水位工况

闸门在第二次下闸及施工堵头施工完并具备挡水时，闸门最高挡水水头为36.43m。顶侧水封压缩x=-4mm，滑块顶面位移x=0mm，边梁底面y=0mm。

4.1.1 各节门叶位移分布(见图3、4、5)

图3为第1节门叶位移图，最大位移13.9mm，z轴方向位移分布0.771～13.9mm。

图3 第1节门叶位移分布

第2～5节门叶结构相同，其中第5节门叶位移最大。图4为第5节门叶位移图，最大位移20.04mm，z方向位移分布1.93～20.04mm。

图4 第5节门叶位移分布

图5为第6节门叶位移图，最大位移19.4mm，z方向位移分布0.15～19.4mm。

4.1.2 各节门叶Mises 应力

图6为面板应力分布，最大值115.51MPa，面板强度富裕度较大。

图7为下游侧梁系后翼缘应力分布，最大值为261.6MPa，是面板滑块部位与边梁筋板局部承压应力，离开最大值后应力迅速降低至100MPa以下。图中100MPa以下显示为蓝色，171MPa以上为红色。其中第6节门叶第一根主梁后翼缘应力为145MPa 左右。

图8为第5节门叶下主梁腹板及前翼缘应力分布，最大值为204.3MPa，是滑块部位边梁后翼缘支承反力在主梁腹板产生的局部承压应力，离开最大值后应力迅速降至140MPa以下。

图9为门叶中心线处纵隔板腹板应力分布，最大值为107.9MPa，在主梁前后翼缘与主梁腹板交界处应力较大，是腹板产生的局部承压应力。

图10为边梁腹板应力分布，最大值为162.9MPa，在滑块部位边梁后翼缘与筋板交界处应力较大，是腹板产生的局部承压应力。

图11为小梁应力分布，最大值为91.7MPa，位于门叶中心附近。

图5 第6节门叶位移分布

图6 面板应力分布

图7 门叶后翼缘应力移分布

图8 面板应力分布

图9 门叶中心线处纵隔板腹板应力分布

图10 边梁腹板应力分布

图11 小梁应力分布

图12 顶节门叶结构及水封分布

图13 顶水封位移分布

名称滑块及水封受力HK1HK2HK3HK4HK5HK6HK7顶水封侧水封受力/ kN2 408.42 575.96 617.57 629.98 481.88 979.711 623263516.1平均线压强/N·mm-12 408.42 575.92 205.82 543.32 827.32 993.23 874.328.525.7

从顶至下各滑块及水封所受的静力荷载见表2。

各滑块受力总和的2倍∑F=96 632.4 kN (重力加速度取9 806.6mm/s2)，计算得总水压力P=97 776kN (重力加速度取10 000mm/s2)，相对误差0.8%。

4.2 闸门下闸工况

对于该工况主要关心顶水封压板在闸门即将下降至门楣时的变形情况。橡塑水封对不锈钢摩擦系数取0.2，NL150滑块对不锈钢摩擦系数取0.05。图12为该工况顶节门叶结构位移,图13为水封位移分布情况，最大值2.36mm，水封及压板位移均在1.7mm左右，不会发生因顶水封压板变形过大与门楣相碰的情况。

5 结 论

(1) 模型考虑了水封、滑道的约束，反映了原型的约束情况，对超弹材料橡胶在小变形情况下作为线弹性材料处理是可行的。

(2) 第5节门叶最大位移为20.6mm，按支承跨度19 400mm，主梁最大挠度1/942，小于规范1/750的规定。第5节门叶的小梁在门叶中心支承处位移分别为20.3mm、19.7mm，跨中20.2mm；边跨支承处5.5mm、1.7mm，跨中3.6mm。纵隔板位移基本上是随闸门位移的整体平移，自身变形较小。

(3) 面板等效应力较低，强度富裕度较大。

(4) 梁系各板等效应力均小于相应板厚的板件容许应力，腹板局部承压应力均小于相应的局部承压容许应力。

(5) 在闭门工况下，水封及压板位移均在1.7mm左右，不会发生因水封压板变形过大与门楣相碰的情况。