中小型平面钢闸门设计参数影响程度研究

2021-09-28李建成

中国农村水利水电 2021年9期

李建成

（中工武大设计研究有限公司，武汉430000）

0 引言

钢闸门是由面板和位于其背部的梁系组成的挡水金属结构，在水利及交通运输行业有着广泛的用途。近些年来，在城市防洪排涝、农田灌溉方面，低水头中小型平面钢闸门的应用日益凸显。这类闸门结构简单，型式灵活多变，但相关标准规范未对其做出严格规定，设计人员在设计中秉持着“安全”角度，设计参数往往选择偏于保守，造成闸门厚重、启闭设备容量偏大，工程投资也相应增加。

关于钢闸门的研究有大量优秀成果。在闸门布置与结构优化方面，有关于闸门、启闭机系统布置与受水柱影响门体受力特性分析及结构优化的研究［1-3］；在闸门运行状态分析方面，有在闸门启闭、挡水过程中、在水流作用影响下“门-水”耦合系统振动模型试验及其特性研究［4-7］；在闸门部件设计方面，有止水橡皮泄露量预测、运动副摩擦材料性能研究及工字型主梁解析计算［8-10］。

论文将借助有限元分析方法，以中小型平面钢闸门为对象，从闸门整体机械性能和经济性能两个方面，对设计参数影响程度进行量化，并通过实例计算评价其重要程度，为门体结构设计及优化提供新的思路。

1 设计参数影响分析

钢闸门设计包括面板和梁系结构计算，其中面板计算模型为四边固定或铰接的区格，主梁、垂直次梁、边梁计算模型为两端固定或铰接的单跨或多跨梁，载荷根据实际情况进行等效分摊。

影响钢闸门机械性能的参数包括面板厚度、主梁高度、主梁布置、垂直次梁布置，各腹板、翼板、加强筋板的尺寸等等，除面板厚度、主梁高度、主梁布置外其他因素对闸门整体性能影响较小。

（1）面板厚度。面板是闸门的基础构件，也是水力直接作用部位。面板厚度的选择合适与否对钢闸门的性能影响效果明显。一方面，面板越厚，面板的强度、刚度越好；另一方面，面板厚度增加将直接带来闸门重量的增加，经济性能下降。

中小型平面钢闸门所用板厚为12 mm 居多，并根据闸门设计水头和运行条件适量增减。

（2）主梁高度。主梁计算模型可简化为受均布载荷的简支梁，主梁危险截面处产生的弯曲应力、剪应力、挠度均与主梁截面的惯性矩成反比，即与主梁高度的三次方成正比。主梁高度越大，其强度、刚度越好，但闸门重量增加。

此外，中小型闸门主梁多采用等截面布置形式，主梁高度变化还会引起门槽尺寸变化，进而影响门槽埋件及土建结构设置。

（3）主梁布置。主梁是闸门梁系结构的主要承载构件，其布置型式直接影响门体应力、变形的分布，主梁布置对闸门影响具体表现为：

①主梁的不同布置方式：等间距布置和等载荷布置。等间距布置方式优点是布置简单，易于实现参数化设计，缺点是各主梁受载不均，没有发挥上部主梁结构的承载能力，设计成果经济性不强；等载荷布置方式优点是各主梁等效作用载荷基本相同，充分利用了每根主梁结构，缺点是布置相对复杂，不易于实现参数化设计。

中小型平面钢闸门为实现快速设计出图，多采用等间距布置方式，论文也仅讨论此种布置方式。

②主梁间距变化造成主梁数量的增减。当主梁间距缩小一定程度后，其数量增加，各主梁分摊作用载荷减小，闸门强度、刚度相对提高；反之各主梁分摊作用载荷变大，闸门强度、刚度相对降低。

③主梁间距变化造成主梁数量的增减，同时会引起闸门重量变化，进而影响设计成果经济性。

2 参数影响程度量化指标

2.1 量化指标公式

为评价各参数（面板厚度、主梁高度、主梁间距）对中小型平面钢闸门设计成果的影响程度，同时兼顾闸门的机械性能（强度和刚度）和经济性能（重量），现引入如下公式：

式中：λ为参数影响程度系数；σ%、f%、Q%为应力、变形、重量变化百分比；z%为参数变化百分比；Δσ、Δf、ΔQ为应力、变形、重量变化量，与Δz符号相反；Δz为参数变化量；为设计范围中参数选值对应应力、变形、重量的均值；为设计范围中参数选值的均值；λ1、λ2、λ3为参数影响程度权值。

2.2 关于量化指标公式的探讨与简化。

（1）公式将各参数影响下闸门产生的应力、变形及门体重量纳入影响程度系数的量化指标中，并借助设计范围中参数变化率与量化指标的变化率的加权总和的比值，来衡量参数影响程度。λ值越大，表明该参数对闸门影响程度越大，调整该参数值效果明显，并应当优先考虑。

（2）强度、刚度、门体重量作为研究参数设计成效的考核点需同等对待（即λ1=λ2=λ3=1），其变化的敏感性最终反映在λ值的大小上，因此式（1）可简化为式（2）：

3 基于ANSYS workbench 的闸门有限元模型

有限元分析方法在金属结构静力学和动力学分析与建模具有广泛应用。中小型平面钢闸门有限元分析与建模分为以下几步：

（1）几何模型建立。钢闸门的门体结构为焊接件。在建立几何模型时，忽略门体次要结构，例如工艺孔（泄水孔、螺栓孔）、加强筋等，重点表达面板、主梁、垂直次梁、边梁的尺寸及位置关系。

（2）单元选择及划分。梁系结构有限元分析中常用的单元有薄板单元、梁单元、正四面体单元，闸门有限元模型采用正四面体单元，该单元通用性好，适用性强。

在门体划分单元时，焊接部位采取刚性处理，即不考虑板间的位移，也不考虑焊接缺陷影响。

（3）材料、载荷、边界约束选择。钢闸门材料一般选择为Q235 或Q355，其弹性模量2.0×1011Pa，泊松比0.3。作用于闸门上载荷主要包括静水压、重力等，应根据设计工况组合确定。为保证闸门处于静定或超静定状态，模型在3 个方向上施加约束，即在边梁腹板，底主梁腹板，边梁翼板上同时限制闸门位移。

（4）ANSYS workbench 平台上应用。ANSYS workbench 是ANSYS 的中插件，除具备有限元分析功能外，能够实现对分析项目的动态管理。借助ANSYS workbench平台进行有限元计算时，按照几何建模、材料选择、单元划分、施加载荷和约束、确定求解结果步骤进行。

4 实例计算及结果分析

本实例为某挡潮闸检修门，孔口尺寸6.0 m×3.0 m，设计水头2.7 m，是典型的中小型水利水电平面钢闸门。其面板厚度12 mm，主梁等间距布置，间距为600 mm，主梁高度300 mm，垂直次梁间距1 040 mm，材料为Q235B。闸门抗弯应力许用值［σ］为160 MPa，变形许用值［f］为闸门跨度的1/600，即10 mm。

（1）实例计算结果如图1、2所示，其中图1 为闸门按照第四强度理论得出应力分布图，去除非关键部位产生的集中应力，其最大应力为85.3 MPa，位置在闸门跨中底部；图2为闸门变形分布图，最大变形为0.93 mm，位置在闸门跨中底部。

图1 应力分布图Fig.1 Stress distribution of the steel gate

图2 变形分布图Fig.2 Deformation distribution of the steel gate

（2）面板厚度、主梁高度、主梁间距的影响程度系数计算。现以本实例中设计参数（将面板厚度、主梁高度、主梁间距）数值为基准，抽取基准附近变化数值点，即将：①面板厚度分为10、12、14 mm 三组；②主梁高度分为250、300、350 mm 三组；③主梁间距分为450 mm（6 根主梁）、600 mm（5 根主梁）、750 mm（4根主梁）三组。

每组参数各抽取一项数据进行工况组合，计算出闸门门体的强度（MPa）、变形（mm），并统计出门体总量（kg），并将计算结果汇总于表1～3。

表1 面板厚度10 mm统计表Tab.1 Statistics when the panel thickness is 10 mm

表2 面板厚度12 mm统计表Tab.2 Statistics when the panel thickness is 12 mm

表3 面板厚度14 mm统计表Tab.3 Statistics when the panel thickness is 14 mm

从表1～3可得出应力均值为87.5 MPa，变形均值为1.0 mm，重量均值为5 259.1 kg，并按照式（1）计算出面板厚度的影响程度系数为-0.14，主梁高度的影响程度系数为2.66，主梁间距的影响程度系数为-0.59。

（1）在所列参数变动范围内，闸门面厚度为10 mm、主梁高度350 mm、主梁间距450 mm 时，外载荷产生的应力值最小为53.4 MPa；闸门面厚度为14 mm、主梁高度350 mm、主梁间距450 mm 时，外载荷产生的变形值最小为0.60 mm；闸门面厚度为10 mm、主梁高度250 mm、主梁间距750 mm 时，闸门门体重量最小为4 336.0 kg。

（2）从参数影响程度系数计算结果看出，主梁高度程度系数为正值，表示在一定范围内调整主梁高度，更容易优化闸门机械性能和经济性；面板厚度、主梁间距程度系数为负值，表示在一定范围内调整面板厚度、主梁间距，并不容易改善闸门机械性能和经济性③参数影响程度系数：主梁高度›面板厚度›主梁间距，因此在闸门结构设计及优化中应采取以调节主梁高度为主，以调节面板厚度、主梁间距为辅的策略。