构皮滩升船机钢渡槽结构有限元分析

仪 彤 胡一亮 金 辽

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

1 概述

升船机项目的闸首通常为混凝土结构，在构皮滩水电站升船机项目中，部分闸首采用了不同以往的一体化钢结构闸首(以下简称“钢闸首”)。

钢闸首用于船厢与中间渠道的对接，并将常规设置在船厢厢头上的一些设备如间隙密封机构、间隙充泄水系统、防撞装置、液压泵站、电控装置等一并融入钢闸首之中，以此简化厢头结构。

钢渡槽[1]是钢闸首的主要承重结构，为槽型薄壁焊接结构，结构内设有工作门门槽、防撞梁槽及机舱结构。钢渡槽由两侧塔柱之间的混凝土梁支承，通过钢渡槽两侧的支臂与塔柱混凝土牛腿的上下游及底部顶紧，以传递钢渡槽承受的正反向水压力、密封机构的反推力和浮力。考虑到钢渡槽结构的复杂性，本文采用有限元方法(ANSYS软件[2-4])对其进行强度、刚度和稳定性分析。

2 有限元分析

2.1 钢渡槽结构特征

选择最为复杂的第一级下闸首钢渡槽作为分析对象。钢渡槽的外形尺寸为：5.85 m×16.0 m×8.5 m(长×宽×高)，其中底铺板以上高4.5 m，底铺板以下高4.0 m，钢渡槽有效水域尺寸为：5.85 m×12 m×4.5 m。底板高程为631.1 m，底铺板高程为634.5 m，通航水位为637.0 m，校核洪水位为638.36 m。钢渡槽为槽型薄壁焊接结构，主要由主纵梁、底铺板、底板、小纵梁、横梁、支臂结构等组成。主纵梁采用箱形结构，并用竖隔板与角钢加强结构的稳定性。底铺板与底板焊接在两侧主纵梁上，端部端板封闭形成封闭空腔，以放置泵站等设备，小纵梁与T型横梁将底铺板和底板划分为小区格以承受水载。钢渡槽通过主纵梁下部的滑块支撑于连接两侧塔柱混凝土梁上，通过主纵梁两侧的支臂与塔柱上伸出的混凝土牛腿的上下游及底部顶紧，以传递钢渡槽结构受到的正反向水压力和密封机构的反推力和浮力。钢渡槽主要材料采用Q345B和Q235B，材料容许应力及结构容许刚度如表1所示[5]。

2.2 有限元模型

将钢渡槽各部件离散为板单元，有限元模型采用Shell181单元。模型共有41 557个节点，46 356个单元。钢渡槽整体结构和有限元模型如图1所示。X向为水流方向，Y向为垂直水流方向，Z为竖直方向。

2.3 运行工况与荷载

2.3.1运行工况

1)正常运行工况(LC1)：a.非对接时正常运行工况：槽内水深(2.5±0.1)m；b.与船厢正常对接工况：间隙密封装置工作，槽内水深(2.5±0.1)m。

2)事故工况(LC2)：船只撞击防撞梁工况：船只撞击防撞梁，槽内水深(2.5±0.1)m。

3)校核工况(LC3)：遇校核洪水位638.36 m工况：要求钢闸首不被洪水移动，可修复。

2.3.2设计荷载

1)钢渡槽自重：钢渡槽自重包括渡槽结构和止水设备、密封框机构、充泄水系统、防撞梁设备等设备的重量，取重力加速度g=15 N/kg；

2)工作门自重：将工作门门体自重(共150 kN)作为集中力施加在门槽内底铺板上对应支承点上；

3)槽内水荷载：渡槽内水深为2.5 m，作用在主纵梁内腹板上；

4)工作门水压：工作门上作用的静水压力通过闸门支撑点作为集中力传到门槽结构上，共380 kN;

5)防撞梁撞击力：防撞梁撞击力为1 000 kN，作用在防撞梁槽上；

6)密封框水平推力：密封框的推力通过11个油缸支座传至钢渡槽的腹板和底板上，各对应点上施加150 kN集中力；

7)浮力：在校核洪水位638.36 m时，底板承受向上的7.27 m水头压力，主纵梁下翼缘承受向上的7.86 m水头压力，纵梁外腹板及上下游端板上承受三角形荷载。底铺板上承受3.86 m水头压力。

2.3.3各运行工况对应的载荷组合与边界条件

LC1(与船厢正常对接工况)：钢渡槽承受的载荷为：①+②+③+④+⑥；边界条件为：主纵梁底部四个支座UZ=0，两侧支臂UX=0。

LC2：钢渡槽承受的载荷为：①+②+③+④+⑤；边界条件同LC1。

LC3：钢渡槽承受的载荷为：①+②+⑦；边界条件同LC1。

2.4 有限元结构分析

采用ANSYS对钢渡槽结构进行静力与弹性屈曲分析。提取各运行工况下钢渡槽整体的Mises等效应力云图和位移变形图如图2～图4所示。将各部件的有限元分析结果列于表2～表4。

表2 钢渡槽各部位在各计算工况下最大Mises应力值

MPa

表3 钢渡槽各部位在各计算工况下最大Z向位移值 mm

表4 钢渡槽在各计算工况下弹性屈曲计算结果

2.5 结果分析

通过计算，计算结果如下所述：

1)正常运行工况下，钢渡槽整体最大Z向变形发生在底铺板上，为8.4 mm，最大Mises应力发生在门槽受力点，为82.67 MPa。主纵梁等部件的最大变形和应力也都在容许范围内。钢渡槽产生局部失稳的最小临界荷载与实际荷载的比值为4.12。可见该钢渡槽在正常运行工况下满足强度、刚度及稳定性要求。

2)事故工况下，钢渡槽整体最大Z向变形发生在底铺板上，为8.17 mm，最大Mises应力发生在门槽受力点，为89.12 MPa。主纵梁等部件的最大变形和应力也都在容许范围内。钢渡槽产生局部失稳的最小临界荷载与实际荷载的比值为3.76。可见该钢渡槽在事故工况下满足强度、刚度及稳定性要求。

3)校核工况下，钢渡槽整体最大Z向变形发生在底铺板上，为8.68 mm，最大Mises应力发生在中心处小纵梁上，为204.92 MPa。主纵梁等部件的最大变形和应力也都在容许范围内。钢渡槽产生局部失稳的最小临界荷载与实际荷载的比值为1.7。可见该钢渡槽在校核工况下满足强度、刚度及稳定性要求。

3 结语

构皮滩升船机钢渡槽结构复杂，结合ANSYS软件对其进行设计和有限元分析必要且可靠。有限元分析结果明确表示，该钢渡槽结构的强度、刚度、稳定性满足设计和规范要求；钢渡槽的结构薄弱部位亦在计算图形中明确给出，对其制造、安装及运行维护皆有一定的指导意义。