松花江大顶子山弧形钢闸门静力数值仿真

谢博群，崔洪斌，于泉海，姚德

(1.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001; 2.黑龙江水运建设发展有限公司，黑龙江 哈尔滨 150020)

松花江大顶子山弧形钢闸门静力数值仿真

谢博群1，崔洪斌1，于泉海2，姚德2

(1.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001; 2.黑龙江水运建设发展有限公司，黑龙江 哈尔滨 150020)

针对松花江大顶子山弧形钢闸门结构特点与承载特性，采用通用有限元分析软件ANSYS，建立有限元模型。根据该闸门的实际工作状态与当地水文资料确定正常运营情况下的极限工况组合并计算结构响应。根据结构响应分析弧形钢闸门结构强度、刚度以及稳定性，为闸门的使用和日常管理提供数据支持。计算结果表明，在正常运营情况下闸门的强度、刚度与稳定性均具有一定的安全冗余。

大顶子山；弧形钢闸门；ANSYS；数值仿真；

松花江是季节性冰冻河流，在冰冻河流上修建航电枢纽工程，无论在设计、施工以及运营管理方面均存在诸多难题。航电枢纽工程使河流的水文情势发生改变，水面变宽、流速变缓、江水易结冰。枢纽工程建成并投入使用后，冰冻环境又会影响泄洪闸闸门的使用，闸门在静冰挤压以及流冰撞击的作用下可能会发生变形，甚至影响闸门的安全使用，给航电枢纽的正常运行带来隐患。按照国内相关规范规定，水工钢闸门结构不允许承受冰载荷，故在冬季需要进行持续的破冰作业。若闸门强度足够大，可以考虑承受一定的冰载荷以提高经济性，故需要分析正常工况下闸门的强度。大顶子山水利枢纽泄洪闸门(如图1所示)宽度达20m，门板弧长超过11m，承压静水头可达10m。在正常情况下，为水力发电可持续进行，泄洪闸前水位一般维持在较高水平而闸门下游维持在较低水位，从而保持一定的水位差。

图1 大顶子山弧形钢闸门Fig.1 Steel arc gate in Dadingzi Mountain

1 正常运行情况下极限工况

弧形钢闸门在正常运行情况下，闸门正面(即靠上游处)止水，最大静水头接近10米，且水头有持续变化，但是变化幅度不大；闸门背面同样承受水压作用，但静水头较小。弧形钢闸门除承受静水压作用外，还承受动水压、波浪载荷以及闸门自重等载荷。在特殊情况下，闸门结构还可能承受地震载荷、流冰、水面漂浮物的撞击载荷。

为得到弧形钢闸门的强度、刚度和稳定性的裕度，在正常运营情况下确定极限载荷工况，即闸门上游承受最大静水压与动水压，下游不承受载荷作用，即单向最大承压状态。闸门上游承受的动水压以20%的静水压计入在总载荷中，此外，在有限元计算中计及闸门自重的影响。根据国内相关规范规定，闸门结构不允许承受静冰挤压力作用，故在此忽略冰压作用。

综合以上考虑，在正常运营情况下，闸门极限载荷工况为:闸门上游承受10m静水压头，下游无水压作用，动水压以20%的静水压计入总载荷，此外仍要考虑闸门自重的影响。

2 三维有限元模型

根据闸门结构图纸建立闸门的三维模型，如图2所示，在建立闸门结构三维模型的同时对闸门主要结构的尺寸进行测量以确保三维模型的准确性。

闸门主横梁为Q345钢焊接而成的箱型中空结构，闸门支臂通过与主横梁的连接支撑整个闸门结构；此外，沿门板弧长每0.7—1.15米设置有次横梁或小梁结构，次横梁或小梁结构为Q235工字钢或槽钢。此外，闸门结构背部每间隔1.475米或2.2米设置垂向加强结构。在整个闸门结构中仅有次横梁、小梁采用Q235钢，其余全为Q345钢。

图2 闸门三维结构图Fig.2 3-D plot for gate

图3 闸门结构有限元模型Fig.3 Finite element model of gate structure

为使有限元模型的计算结果更好地与实际相符，在保证三维模型精度的前提下采用壳体单元shell281对三维模型进行网格划分得到有限元模型，如图3所示。一般情况下，网格越精细，单元形状越是趋近于正方形，精度越高。该有限元模型单元总数达398918个，节点数达1190776个。

根据闸门结构实际工作情况确定有限元模型的边界条件:闸门的提起与下放依靠液压装置使闸门结构绕铰支座转动来实现，故在有限元模型中将闸门支臂尾端刚性固定于铰支点并约束铰支点所有线位移以及铰支点绕x轴与y轴的角位移。当闸门处于止水状态时，闸门底部坐落于混凝土地基上，不可沿垂向移动，故在有限元模型中约束掉闸门底部的垂向线位移。闸门有限元模型边界条件如图3所示。

3 闸门结构强度、刚度与稳定性评估

对于闸门的承载构件和连接件，应分析正应力和剪应力。在同时承受较大正应力和剪应力的作用处，还应分析折算应力，计算的最大应力值不应超过容许应力的5%。

由于该弧形钢闸门属于复杂焊接结构，焊缝处大多为结构突变处，在结构突变出易引起应力集中。由于焊缝的存在，很难得到焊缝处精确的三维模型，此外焊缝处的焊接热影响在一定程度上改变了母材的性能。在本文中，三维有限元分析并未计及焊缝的影响(包括焊缝形状影响、热影响)，所以其计算结果在焊缝处出现失真，故对焊缝处的应力水平不作分析。

3.1 闸门结构强度、刚度及稳定性评估标准

3.1.1 闸门强度评估依据

《水利水电工程钢闸门设计规范》给出了闸门结构件的容许应力，闸门结构板件的厚度从10mm至50mm不等，应按厚度分成2组分别确定其许用应力，具体如下:

(1)对于次横梁、小梁结构:[σ]=160,[τ]=95。

(2)对于闸门其他结构:[σ]=225,[τ]=135。

对于闸门结构物，分别按第四强度等效应力以及最大剪切应力分析其强度水平。对于闸门门板、主横梁、次横梁、垂梁、支臂等结构，其第四强度等效应力，即Von Mises应力为:

(1)

第三强度等效应力为:

σr3=σ1-σ3。

(2)

(3)

3.1.2 闸门刚度评估依据

《水利水电工程钢闸门设计规范》中明确指出受弯构件的最大挠度与计算跨度之比，因此各受弯构件最大挠度不应超过下列数值:

(1)露顶式工作闸门和事故闸门的主梁，L/600，L为主梁计算跨度，为13200mm，故:

(4)

(2)次梁，l/250，l为次梁计算跨度，次横梁沿水平方向共计10个跨度,共有两种计算跨度，靠近闸门中线的6个跨距的计算跨度l1为2200mm，靠近两侧的4个跨距的计算跨度l2为1475mm，所以:

(5)

3.1.3 闸门稳定性评估依据

由于该闸门结构复杂，应力分布呈现一定的复杂性，闸门支臂结构、次横梁翼板与腹板、垂梁翼板与腹板等结构受到较大压应力，可能会因此而失稳。对于该闸门结构，《水利水电工程钢闸门设计规范》并没有给出详细的评估方法，在此根据理想线弹性屈曲理论，通过ANSYS对其进行线性屈曲分析，给出特征系数，由此分析结构的稳定性。

3.2 闸门结构分析结果

3.2.1 闸门结构强度分析结果

通过有限元计算得到结构应力分布，在后处理中提取第四强度等效应力σr4，得到第四强度等效应力云图，如图4所示，同样可以得到第三强度等效应力云图，如图5所示。在强度评估中忽略掉焊缝处的应力集中。

图4 第四强度等效应力云图Fig.4 Stress nephogram of the forth strength

图5 第三强度等效应力云图Fig.5 Stress nephogram of the third strength

在ANSYS后处理中提取计算结果，若应力最大点位于结构发生突变的焊缝处，忽略此最大应力，详细结果如表1所示。

表1 闸门强度分析结果 单位:MPa

3.2.2 闸门结构刚度分析结果

在ANSYS后处理中提取闸门主梁、次梁节点位移向量，并以节点位移云图显示，如图6、图7所示。由上文可知，次横梁沿水平方向共计10个跨度，在次横梁的刚度评估中需要单独考虑每个跨度对应的次横梁最大位移量，根据跨距可以将次横梁分成2大类:次横梁-1跨距为2200mm,次横梁-2跨距为1475mm。将刚度分析结果汇总于表2。

图6主横梁位移云图Fig.6 Displacement nephogram of main beams

图7次横梁位移云图Fig.7 Displacement nephogram of sub-beams

结构最大计算挠度许用挠度评估结果主横梁9.8122满足规范要求次横梁-12.588.8满足规范要求次横梁-22.315.88满足规范要求

3.2.3 闸门结构稳定性评估结果

对闸门结构总体进行线性屈曲分析计算，得到其特征值系数为9.57，计算结果如图8所示:

图8 线性屈曲分析结果Fig.8 Analysis results of linear buckling

4 结语

1.通用有限元分析软件ANSYS建立了大顶子山弧形钢闸门的有限元模型，并根据闸门实际运营情况定义了闸门的边界条件。

2.结合大顶子山山弧形钢闸门实际运营情况与《水利水电工程钢闸门设计规范》确定了极限载荷工况:上游承受10m静水压头，下游无水压作用，动水压以20%的静水压计入总载荷，考虑闸门自重。

3.根据《水利水电工程钢闸门设计规范》分析了闸门的强度与刚度，强度与刚度均能满足规范要求。

4.针对此复杂结构的钢闸门，《水利水电工程钢闸门设计规范》并没有给出具体的结构稳定性计算方法。本文通过ANSYS对闸门结构进行线性屈曲分析，给出特征值系数，表明结构稳定性足够。

5.本文综合分析计算了闸门结构的强度、刚度以及稳定性，均满足规范要求并具有一定的安全冗余，可以考虑承受一定的冰载荷。

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Static numerical simulation of gate steel arc in Songhua River,Dadingzi Mountain

XIE Boqun1,CUI Hongbin1,YU Quanhai2,YAO De2

(1.College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University,Harbin 150001，China; 2.Heilongjiang Water Transportation Construction Development Co.,Ltd.,Harbin 150020,China)

According to the structural features and bearing characteristic of steel arc gate in Songhua River,Dadingzi Mountain,the finite element analysis software ANSYS was used as creating the finite element model.The extreme condition combination and calculated structural response under the normal situation were determined by the working condition of the gate and the local hydrological data.The calculated structural response could be used as assessing the structural strength,rigidity and stability of the gate and providing data to support their use and daily management.The calculation results indicated that the strength,rigidity and stability of the gate had safety redundancy to some extent.

Dadingzi Mountain ;steel arc gate;ANSYS;numerical simulation

1672-7010(2016)04-0076-06

2016-10-10

谢博群(1992-)，湖南邵阳人，男，硕士研究生，研究方向为船舶与海洋工程结构物疲劳与断裂

TV663

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