泄洪闸安装排架系统稳定性分析

李玉桥， 闫路明， 费文平

（1.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 401120；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065）

泄洪闸安装排架系统稳定性分析

李玉桥1，2， 闫路明1， 费文平2

（1.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 401120；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065）

文章以枕头坝一级水电站泄洪闸安装临时排架系统为依托，采用ANSYS有限元软件建立弧门安装排架系统的三维有限元分析模型。对弧门施工临时排架进行三维有限元计算，模拟在闸门运输工况和闸门安装工况下排架系统各构件的变形和应力分布规律，提出在闸门运输和安装过程中排架结构的内力状态及整体稳定性，为闸门安装工程的顺利进行提供保障。

闸门安装；排架系统；有限元；应力；变形

水工闸门广泛应用于水利工程中，是进行流量控制的重要结构，其作用主要表现为：排沙、航运、流量控制、泄洪、灌溉、发电等。水闸通常由闸室、上下游连接段构成，其中闸室作为其主体结构，由底板、闸墩、边墩、闸门、胸墙、工作桥、检修桥等部分构成。其中，闸门用于挡水以及控制水流。弧形闸门门叶轻、启闭力较小、运行速度快、运转较安全，且对闸墩高度厚度要求较小，自其问世以来便广受青睐。但是，对于大型弧形钢闸门，受其运输条件、场地限制等因素的制约，其安装施工极具挑战，且在安装过程中常常给闸坝稳定造成一定的安全隐患。

电站泄洪闸多具有闸门尺寸大、结构复杂，构件二次倒运困难，安装工作量大、工期短等特点，因此施工中常在闸坝顶部架设钢结构排架系统来吊运和安装弧形钢闸门。但由于闸门整体重量大，排架系统体型相对单薄且受力情况复杂，为确保排架结构的整体稳定性、可靠性和闸门安装工程的顺利进行，需对临时排架系统各构件进行应力和应变分析计算，复核结构的承载力及稳定性。因此，研究泄洪闸安装排架系统的整体稳定性具有非常重要的理论及工程实际意义。

本文以大渡河干流枕头坝一级水电站为依托，分析泄洪闸安装临时排架系统在闸门运输工况和闸门安装工况下各构件的变形和应力分布规律，复核排架系统整体稳定性，以期能为类似工程的施工临时措施提供一定的借鉴及参考。

1 工程概况

枕头坝一级水电站为大渡河干流水电梯级规划的其中一个梯级，位于四川省乐山市金口河区。电站开发任务主要为发电，兼顾下游用水。电站采用堤坝式开发，为河床式厂房，电站装机720MW，工程规模为大（2）型。

工程泄洪建筑物位于大坝右岸，5孔泄洪闸弧形工作闸门孔口尺寸为8m×16m（宽 ×高），设计水头39m。1#、2#泄洪闸弧门重500 t，闸门门叶纵向对称分两节，每节单重101t。3#～5#泄洪闸弧门重524 t，闸门门叶纵向分三节，左、右门叶单重89.9t；中间门叶单重34.6t。

泄洪闸闸墩顶部上游高程626.50m，下游高程622.50m，为了使桥架主梁能够在闸墩顶部平稳滑动，在闸墩顶部下游架设4m高的排架。排架系统主要由纵向钢梁（纵梁）、立柱、立柱间斜撑及立柱间缀条构成。

纵向钢梁采用钢板焊接的箱型结构，钢梁高0.7m，宽0.4m，横向钢板厚20mm，竖向钢板厚10mm。钢梁以4个立柱支承，柱间间距5.69m和6.22m。吊装闸门的桥机每侧为4个车轮，间距3m，轮子最大压力332.5kN。立柱高3.3m，由两个［28a槽钢组合而成，下端宽 0.6m，上端宽0.45m，下端底板以膨胀螺栓固定，上端垂直水流方向无约束，顺水流方向有钢梁支撑，为铰接固定。两槽钢间以角钢为缀条连接，角钢型号为∠40×40×4。立柱间设置斜支撑采用角钢∠75×75×6。立柱和钢梁、缀条和肢件以及斜撑和立柱之间采用焊接连接。

排架系统布置图见图1，排架系统结构型式及尺寸见表1。

图1 排架系统布置图

2 排架系统稳定性计算分析

2.1 计算条件

2.1.1 计算范围

水平方向取典型泄洪闸坝段、竖向地基方向的计算范围取坝高的1～1.5倍，计算边界上采用法向约束。计算坐标系原点取在典型闸坝段的坝踵处，X方向为沿水流方向从上游指向下游，Y方向为铅直向上方向，Z方向垂直于水流方向，由右手螺旋法则确定。三维有限元模型所取的计算范围为-6.25≤X≤60， -23≤Y≤41.5， -13≤Z≤5。建立泄洪闸坝段、弧门施工临时排架结构、下部地基的三维整体有限元计算模型。

2.1.2 有限元网格

排架系统采用三维梁单元来模拟，闸坝结构采用三维实体单元来模拟，进行排架系统的整体三维有限元分析。泄洪闸坝段及排架系统的三维有限元计算网格共17490个单元，20866个节点，计算中模型的四周的铅直面和底部施加法向约束，见图2。

2.1.3 计算工况

根据排架系统的运行工况和受力情况，排架系统计算闸门安装及闸门运输两种工况。工况一：集中荷载作用在中间跨段，模拟闸门安装的工况。工况二：集中荷载作用在边跨段，模拟闸门运输的工况。两种工况的荷载作用示意图见图3。

图2 泄洪闸坝段及排架系统有限元计算网格图

图3 排架系统各工况荷载作用示意图

2.1.4 材料模型

将坝体混凝土和钢结构排架视为线弹性材料，材料参数按表1取值。

表1 材料参数表

2.2 计算成果与分析

通过有限元分析计算，得到了排架系统纵向主梁、立柱、缀条和斜撑各构件在闸门安装及闸门运输两种工况下的应力和应变值，计算结果见表2。

表2 排架系统各构件有限元计算成果汇总表

2.2.1 纵向钢梁

排架纵向钢梁在闸门安装和闸门运输工况下的等效应力等值云图见图4。从图中可以看出，两种工况下，纵向钢梁的最大应力均出现在有荷载作用的跨段两端的上下边缘处，最小应力均出现在无荷载作用的跨段。其中，在集中荷载作用的部位有明显的应力集中现象，表现为应力等值线云图中颜色的突变。闸门安装工况下，应力场Von Mises等效应力最大值为110MPa，最小值49.9Pa；闸门运输工况下应力场 Von Mises等效应力最大值为111MPa，最小值363.8MPa。计算结果表明，应力场Von Mises等效应力最大值小于纵向钢梁的允许应力，满足规范要求。

图4 纵向钢梁等效应力等值云图（单位：Pa）

排架纵向钢梁在闸门安装和闸门运输工况下的位移矢量图见图5。从图中可以看出，两种工况下，纵向钢梁的最大位移均发生在有荷载作用的纵向钢梁的跨中部位，最小合位移均发生在纵向钢梁的两端。在闸门安装工况下，最大合位移为5.77mm，最小合位移为1.71mm。在闸门运输工况下最大合位移为5.86mm，最小合位移为1.62mm。通过计算成果分析判断，纵向钢梁以起吊荷载和自重引起的竖向变形为主，但最大位移值较小，不影响结构的正常使用。

图5 纵向钢梁位移矢量图（单位：m）

2.2.2 立柱

立柱在闸门安装和闸门运输工况下的等效应力等值云图见图6。从图中可以看出，闸门安装工况下立柱的最大应力出现在中跨立柱的顶部，最大应力值为75.4MPa，立柱的最小应力出现在边跨立柱顶部，最小应力值为4.97MPa。在闸门运输工况下立柱的最大应力出现在有荷载作用的边跨立柱的顶部，最大应力值为78.6MPa，立柱的最小应力出现在无荷载作用的边跨立柱顶部，最小应力值为0.60MPa。通过计算成果分析判断，立柱Von Mises等效应力最大值小于立柱的允许应力，满足规范要求。

图6 立柱等效应力等值云图（单位：Pa）

立柱在闸门安装和闸门运输工况下的位移矢量图见图7。从图中可以看出，闸门安装工况下立柱的最大位移发生在中跨立柱顶部，最大合位移为3.12mm，最小合位移发生在边跨立柱底部，最小合位移为1.59mm。在闸门运输工况下立柱的最大位移发生在有荷载作用的边跨立柱顶部，最大合位移为3.26mm，最小合位移发生在无荷载作用的边跨立柱底部，最小合位移为1.58mm。通过计算成果分析判断，立柱以起吊荷载和自重引起的竖向变形为主，但最大位移值较小，不影响结构的正常使用。

2.2.3 缀条

立柱间缀条在闸门安装和闸门运输工况下的等效应力等值云图见图8。从图中可以看出，在闸门安装工况下缀条的最大应力出现在中跨缀条的顶部，最大应力值为30.4MPa，缀条的最小应力出现在边跨缀条顶部，最小应力值为0.0017MPa。在闸门运输工况下缀条的最大应力出现在边跨缀条的顶部，最大应力值为31.2MPa，缀条的最小应力出现在中跨缀条底部，最小应力值为0.004MPa。通过计算成果分析判断，缀条Von Mises等效应力最大值小于缀条的允许应力，满足规范要求。

图7 立柱位移矢量图（单位：m）

图8 立柱间缀条等效应力等值云图（单位：Pa）

立柱间缀条在闸门安装和闸门运输工况下的位移矢量图见图9。从图中可以看出，在闸门安装工况下缀条的最大位移发生在中跨缀条顶部，最大合位移为2.81mm，最小合位移发生在边跨缀条底部，最小合位移为1.61mm。在闸门运输工况下缀条的最大位移发生在有荷载作用的边跨缀条顶部，最大合位移为2.93mm，最小合位移发生在无荷载作用的边跨缀条底部，最小合位移为1.59mm。通过计算成果分析判断，缀条以起吊荷载和自重引起的竖向变形为主，但最大位移值较小，不影响结构的正常使用。

图9 立柱间缀条位移矢量图（单位：m）

2.2.4 斜撑

立柱间斜撑在闸门安装和闸门运输工况下的等效应力等值云图见图10。从图中可以看出，在闸门安装工况下斜撑的最大应力出现在斜撑的底部，最大应力值为55.8MPa，斜撑的最小应力出现在斜撑的底部，最小应力值为0.9637MPa。在闸门运输工况下斜撑的最大应力出现在斜撑的底部，最大应力值为47.3MPa，斜撑的最小应力出现在斜撑的中部，最小应力值为0.0154MPa。通过计算成果分析判断，斜撑的最大应力和最小应力均出现在斜撑的底部附近，斜撑Von Mises等效应力最大值小于斜撑的允许应力，满足规范要求。

图10 立柱间斜撑等效应力等值云图（单位：Pa）

立柱间斜撑在闸门安装和闸门运输工况下的位移矢量图见图11。从图中可以看出，两种工况下，斜撑的最大位移均发生在斜撑中部，最小位移均发生在斜撑底部。在闸门安装工况下最大合位移为8.17mm，最小合位移为1.67mm。在闸门运输工况下最大合位移为8.17mm，最小合位移为1.63mm。通过计算成果分析判断，斜撑以起吊荷载和自重引起的竖向变形为主，但最大位移值较小，不影响结构的正常使用。

图11 立柱间斜撑位移矢量图（单位：m）

3 结语

本文结合枕头坝一级水电站工程实际，对泄洪闸安装排架系统进行了有限元数值模拟，充分模拟了排架系统结构，采用三维有限元方法分别计算排架系统纵向钢梁、立柱、缀条、斜撑等构件在闸门安装和闸门运输两种工况下的应力及变形特性，得到以下结论：

（1）通过三维有限元法分析计算，排架系统纵向钢梁、立柱、缀条、斜撑等构 件在闸门安装和闸门运输两种工况下Von Mises等效应力最大值均小于规范的允许应力，满足规范要求。排架系统纵向钢梁、立柱、缀条、斜撑等构件在闸门安装和闸门运输两种工况下的位移均以竖向变位为主，但最大位移值均较小，不影响结构的正常使用。

（2）排架系统采用钢结构焊接，钢结构截面尺寸的合理选择是确保排架系统运行可靠和经济合理的关键。

（3）在排架系统承受弯矩最大的钢梁立柱之间设置斜撑可有效减小钢梁变形和改善应力分布，有利于结构的整体稳定。

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TV34

B

1672-2469（2017）10-0144-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.041

2017-04-20

李玉桥（1981年-），男，高级工程师。