FRP矩形空心闸门结构设计与定型研究

2017-10-18韩仲凯张立新余建伟

山东水利 2017年10期

关键词：腹板闸门限值

韩仲凯，张立新，余建伟，陈伟,刘明

（1.山东省水利科学研究院、山东水利岩土工程公司，山东济南 250014；2.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088）

FRP矩形空心闸门结构设计与定型研究

韩仲凯1，张立新1，余建伟2，陈伟2,刘明1

（1.山东省水利科学研究院、山东水利岩土工程公司，山东济南 250014；2.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088）

以控制FRP闸门在水荷载下的最大挠度以及体积分数为主要指标，通过ANSYS软件对FRP空心闸门的各项参数，如面板厚度、腹板厚度、腹板高度以及腹板数量数量等进行了优化设计，并分析了各参数的影响效率。同时结合现场试验，给出了FRP闸门的挠度设计限值，并给出了四种典型规格的FRP闸门的各项设计参数，为FRP闸门的设计和应用提供参考依据。

FRP闸门；参数优化；挠度设计限值；典型规格设计

目前我国现有中小型闸门一般为钢闸门、钢筋混凝土和铸铁材料制作而成。钢闸门具有材料强度高，结构受荷明确，施工及养护易掌握等优点，但钢闸门容易锈蚀，需较频繁的养护、检修。钢筋混凝土闸门，体积大且笨重，导致启闭机的投资增加。铸铁闸门受制造工艺影响，孔口尺寸方面受到一定的限制，且材质本身极易锈蚀，同时铸铁具有回收利用价值，所以地处偏僻位置铸铁闸门丢失严重。经理论研究与实际试验，发现充分利用复合纤维材料轻质高强、耐腐蚀、抗老化、可设计性强等优点，用来制作水工闸门，将其在水利行业中推广应用，将能很好地解决普通闸门在使用中的一系列问题。目前对FRP闸门相关的研究很少，且大多集中在纤维筋混凝土闸门上，纯FRP闸的研究和应用尚未发现。因此在真正应用到工程实践中之前，有必要进行合理的设计。

1 参数优化

笔者在参考钢闸门设计方法后，采用ANSYS有限元软件对FRP闸门进行建模，并对FRP闸门结构进行优化设计，具体参数主要包括以下 4 项：tf：面板的厚度；n：腹板的数量；tc：腹板的厚度；H0：腹板的高度，具体参数见图1。本研究闸门跨度和高度规格有几种，以2300×1800的规格来进行下列优化设计。

考察的性能指标包括：

图1 参数位置图

1）最大挠度ωmax，该指标反映FRP闸门是否满足正常使用的要求。

2）体积分数，即 V/(A×B)，其中 A 为闸门跨度，B为闸门高度。计算公式如下：

1.1 面板厚度

先固定其他3个参数，腹板的数量n=10，腹板的厚度tc=5 mm，腹板的高度H0=70 mm，以面板的厚度tf为变量，取值为10 mm、11 mm、12 mm、13 mm、14 mm、15 mm。面板厚度 tf变化

对于实际工程，A×B的值是已经给定的，该指标反映FRP闸门材料的用量、最终质量及造价。其值越大，表示所用材料越多，造价越高。

3）影响效率η，增大（减小）某个参数的值，会减小（增大）挠度值，必然会增大（减小）体积分数，该指标反映变化参数对FRP箱型闸门影响效率，其值越大，表明变化参数对闸门优化越显著。计算方式见式（2）。对ωmax的影响较小，由下面的曲线（图2）可以看出，随着面板厚度增大，变形减小，但随厚度增加变形减小的程度有所变缓。在已测6点处的切线斜率很小，K值最大的为0.395，最小的为0.22，平均值为0.3，即平均面板厚度增加1 mm，最大挠度只能降低0.3 mm。

面板厚度tf变化对v的影响很大，由公式（1）得出，d v/dtf=2，可以看出v是随tf线性变化，v=2tf+1.95。由上式可以看出，增加一个单位tf，能降低0.3个单位挠度，同时也会增加2个单位体积分数，η=0.15。

图2 面板厚度的影响

1.2 腹板数量

固定面板的厚度tf=10mm，腹板的厚度tc=5mm，腹板的高度H0=70 mm，以腹板的数量n为变量，取值为 6、7、8、9、10、11、12，腹板数量的影响见图 3。

图3 腹板数量的影响

由图3可以看出，腹板数量的影响腹板个数n变化对ωmax的影响是先快后慢，最后几乎是一条斜率很小的直线。当n≤8时，斜率为1.703；当n≥8时，斜率为 0.119。

腹板的数量n对v的影响较小，由公式（1），v=0.19n+20。当 n≤8 时，η=8.96，当 n≥8时，η=0.626。

1.3 腹板厚度

固定面板的厚度tf=10 mm，腹板的数量n=10，腹板的高度H0=70 mm，以腹板的厚度tc为变量，取值为 3 mm，4 mm，5 mm，6 mm，7 mm，8 mm。腹板厚度tc变化对ωmax的影响较大，由下面的曲线（图 4）可以看出，∂2ω/∂t2＜0，随着腹板厚度的增加，最大挠度减小速度变缓；腹板厚度变化对v的影响比较大，由公式（1）得出，v=0.39tc+20；腹板厚度变化对η的影响比较大，η=0.76。

图4 腹板厚度的影响

1.4 腹板高度

固定面板厚度tf=10 mm，腹板的数量n=10，腹板的厚度tc=5 mm，以腹板的高度H0为变量，取值为 4 cm，5 cm，6 cm，7 cm，8 cm，9 cm。由曲线（图5）可以看出，腹板高度H0变化对ωmax的影响很大；腹板高度H0变化对v的影响比较小，由公式（1）得出，v ＝0．23H0＋20；腹板高度 H0变化对η 的影响比较大，η＝3.57。

图5 腹板高度的影响

由以上分析可知，在对FRP闸门进行设计时，保证腹板数量足够。只有足够的腹板数量，前后面板才能够协调工作。当腹板数量达到一定数量时，再增大腹板数量则意义不大。由以上分析可以看出，沿闸门高度每隔300～500 mm设置一个腹板比较合适。

2 挠度设计和规格设计

2.1 挠度限值设计

为便于实际工程中的应用，结合上述有限元优化设计结论，并考虑FRP材料的性能，笔者设计了4种规格的FRP中小型闸门，规格分别为0.5 m×0.5 m （FG-500-500）、1 m×1 m （FG-1000-1000）、1.5 m×0.8 m（FG-1500-800）、2 m×1.5 m（FG-2000-1500）。对FRP中小型闸门进行设计时，最重要的考虑因素即为最大挠度限值。最大挠度与计算跨度之比，不应超过下列数值：1）潜孔式工作闸门和事故闸门的主梁1/750；2）露顶式工作闸门和事故闸门的主梁1/600；3）检修闸门和拦污栅的主梁1/500；4）次梁1/250。

本文设计的FRP空心闸门较钢闸门结构简单，其最大挠度限值可对比露顶式工作闸门主梁，即1/600。考虑到FRP材料延性较钢材好，其最大挠度限值可适当放宽。通过ANSYS软件对屈曲的模拟以及现场试验的初步研究，可认为上述4种规格的FRP闸门在使用过程中，挠跨比不超过表2数值时，闸门能正常使用。

表2 四种FRP闸门挠跨比

2.2 典型规格设计

结合上述参数优化分析，并考虑表2中得到的各典型规格FRP闸门的挠跨比限值，可以对4种典型规格的FRP闸门进行定型设计，确定其参数选择范围。腹板厚度对闸门性能影响较小，需要最后考虑，一般取5~10 mm。此外，结合确定的挠跨比限值，通过有限元计算可确定面板厚度范围。综合上述分析，将选定的4种典型规格的FRP闸门参数设计要求列表如表3。