大跨度下卧式底枢翻板门的结构应力与变形分析

王振红，管义兵，赵开南，陈 华

(1.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215128；2.常州市武进区水利工程建设管理中心，江苏 常州 213000；3.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

苏南某运河江边枢纽由一座流量120m3/s泵站和一座净宽60m节制闸组成。因该枢纽紧邻开放式公园，为营造出良好的景观效果，要求节制闸单孔布置，可供选择的方案有大跨度下卧式底枢翻板门[1- 3]、大孔径双扉平面钢闸门等。本文对其中大跨度下卧式底枢翻板门[4- 5]方案进行研究，论证该方案技术上的可行性。

常规翻板门宽度一般在4～16m左右，该闸门跨度达60m，在国内外现役及在建工程中均属少见。因该闸门跨度大、受力复杂，为确保闸门结构设计的安全、经济及合理性，本文采用三维有限元空间应力分析与平面体系计算方法相对比[6- 7]，分析闸门在最不利工况下的应力、变形等情况，为闸门结构的优化设计提供技术支撑。

1 计算工况及相关参数

1.1 计算工况

以节制闸挡潮时的最不利工况为例，进行计算分析，即：长江侧水位(h1)7.96m(镇江吴淞高程，下同)；内河侧水位(h2)4.0m。

1.2 计算相关参数

水体密度ρ=1000kg/m3；闸门材料为Q345，由SL74—2013《水利水电工程钢闸门设计规范》[8]可知，其材料参数如下：弹性模量(E)为206GPa，泊松比(ν)为0.28，密度(ρ)为7850kg/m3；重力加速度(g)为9.8m/s2。

1.3 结构布置

闸门尺寸为63.6m×3.5m×9.37m(长×厚×高)，闸门为左右对称结构，水平方向从上至下分别布有顶梁和7根主梁，竖直方向则从一侧至中间依次布有边梁和11根纵向隔板，梁系均采用实腹式焊接组合钢梁。结构具体布置如图1所示。

2 空间体系有限元分析

2.1 有限元计算模型

为提高有限元计算结果的计算精度，在对闸门进行Ansys分析时，对于主要的面板结构采用高阶壳单元SHELL281建模，部分次梁则采用梁单元BEAM189[9- 11]。考虑到闸门结构及承担荷载的对称性，ANSYS静力分析时仅需建立一半的计算模型，建立的闸门模型如图2所示。

图2中所示坐标为总体笛卡尔坐标系，x方向为闸门跨度方向，y正方向为闸门高度方向；z正方向则由内河侧指向长江侧。此外，为了对底部滚轮位置施加转动约束，在滚轮所在轴心位置建立了局部柱坐标系(未在图中显示)，其中x方向为滚轮径向，y方向为滚轮转动方向，z方向则为闸门跨度方向。

2.2 模型载荷及约束条件

对于建立的有限元模型，结合闸门实际运行工况，其简化的约束荷载包括：底部滚轮所在位置的支撑约束和闸门跨度方向的移动约束，即局部坐标系下的x、z向约束；闸门侧止水和底止水位置施加的垂直闸门方向的约束，即总体坐标系下的z向约束；闸门对称面上的对称约束[12- 15]。

图1 闸门总体结构布置

图2 有限元计算模型

作用载荷包括：①闸门所受的重力作用，即总体坐标系下的y方向惯性力；②长江侧水位+7.96m；内河侧水位+4.00m。

计算时将水压力等效作用在靠近内河侧的挡水面板上且未考虑浮箱浮力对闸门的影响。

2.3 有限元计算结果

(1)挡水面板。图3为内河侧挡水面板的折算应力云图，由图知最大折算应力约为185MPa，满足规范要求。最大折算应力位于中间滚轮2处的横梁翼缘与内河侧挡水面板接触位置。

图3 挡水面板折算应力云图(单位：MPa)

(2)主梁。主梁的最大位移如图4所示，最大位移为10.54mm，位于闸门1号主梁中心，7号主梁(底部主梁)最大位移为7.1mm，均小于允许挠度[1/600]L=104.7mm，满足规范要求。

图4 主梁位移云图(单位：m)

主梁主要承受弯矩和剪力作用，其应力计算结果如图5所示。其中最大弯曲应力为148MPa，位于中间滚轮2附近的底横梁上；主梁最大剪应力为40.1MPa，均满足规范要求。

图5 主梁正应力云图(单位：MPa)

3 平面体系计算

3.1 计算模型

根据SL 74—2013，本工程闸门承受的水平荷载有静水压力、动水压力、浪压力等；竖向荷载主要有结构自重、启闭力等。内力计算时将平面钢闸门分为面板、主梁、次梁等构件分别进行计算。其中面板简化为四边固支的双向板、主梁简化为支承在门槽上简支梁、次梁简化为支承在主梁上的连续简支梁进行计算。材料的容许应力参照SL 74—2013[8]中采用。

据节制闸挡潮时最不利工况对进行闸门平面体系计算，即采用规范中的相关计算方法对主要结构分别进行计算复核。经计算可得闸门承受的静水压力为13971kN。

3.2 平面体系计算结果

3.2.1面板

计算公式为：

(1)

式中，δ—初选面板厚度，mm；Ky—弹塑性薄板支承长边中点弯应力系数；α—弹塑性调整系数；q—面板计算区中心的水压力强度，MPa；a、b—面板计算区格的短边和长边长度，mm；[σ]—钢材的抗弯容许应力，MPa。

根据闸门梁格布置情况，面板被分为7个不同的区段，根据计算结果，闸门面板计算最大厚度为10.34mm，本闸门为超大型闸门，综合考虑面板参与主梁作用、焊接制作变形、预留锈蚀余量等因素，初选面板厚度为20mm。

3.2.2主梁

采用7根主梁间隔1200mm结构布置，主梁采用焊接工字钢结构型式，闸门面板兼作主梁上下翼缘，同时上下翼缘加装16mm×300mm钢板，主梁腹板采用16mm×3428mm钢板。

对各主梁进行计算，最底部7号主梁所受水压力最大，考虑不均匀系数计算7号主梁所受水压力为2210kN，下翼缘受压应力为135.5N/mm2，上翼缘受拉应力为135.5N/mm2，面板折算应力按第四强度理论计算得到216.3N/mm2，均满足规范要求。主梁最大挠度为38.4mm，小于允许挠度[1/600]L=104.7mm。本工程节制闸闸门跨度大，梁截面高，为防止整体失稳和局部失稳，采用横向和纵向加小横梁、加劲板的方式满足稳定性要求。

4 二种结构计算方法结果对比与分析

采用空间体系有限元分析及平面体系规范公式对大跨度下卧式底枢翻板门的内力变形进行计算，面板、主梁计算的成果详见表1。

由表1可见，2种算法所得应力变形等均能满足规范要求。此外，采用空间体系有限元分析7号主梁最大变形为7.1mm，采用平面体系简化计算7号主梁变形为38.4mm，二者计算结果相差较大。究其原因为本闸门底部设置了6个滚轮底枢，闸门的实际受力状况更接近于“三边支承”的框架体系[4]，但平面体系计算时，将主梁简化为“两边简支”梁来计算，因此所得变形结果较大。

表1 大跨度下卧式底枢翻板门二种体系计算结果对比

5 结语

(1)通过计算可知，本工程60m大跨度底枢翻板门方案在技术上是可行的，闸门所设计的梁系和选定的截面是合理的。

(2)平面体系计算闸门应力及变形时，需将闸门简化成梁、板等便于计算的受力模型，不能真实地反映闸门实际的受力状况，结果偏安全；空间体系有限元分析法，可以全面系统地反映闸门各部分的受力状况，应力、应变分布规律与平面体系基本吻合，但数值上还有些差别。有限元计算结果受其模型精度的影响较大，因此，在目前的计算机水平下，还需与平面体系计算结果分析对比后取用。

(3)对于规模小、结构简单的闸门，平面体系计算成果能够满足工程设计要求；但对于像本工程这样的大跨度、型式新、结构复杂的闸门，可结合空间体系有限元分析成果，必要时还需进行物理模型试验来指导并优化闸门结构设计。