沙阎路闸桥弧形闸门结构有限元分析

孙 逸，高 欢，陶柏辰，和 睿

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

1 工程概况

九江市八里湖与赛城湖在历史上曾是一个湖泊，与长江直接连通，被称为鹤问湖。后来由于围垦开发，鹤问湖被分为两个部分，即八里湖和赛城湖。目前八里湖和赛城湖各自独立控制运行，通过水闸和泵站与长江连通。八里湖通过新开河的八里湖闸和八里湖泵站与长江连通，赛城湖通过赛城湖闸与长江连通[1]。两湖中间的地带成为居民区和纵横的道路。

沙阎路生态化改造工程(以下简称道路工程)位于九江市八里湖新区，改造起点为沙阎路与八里湖北路交叉口处，途径长虹西大道，终点止于鹤问路现状26 m断面处。改造全长约为3 500 m，宽为50 m。在道路工程桩号K0+650至K1+050处跨越八里湖水域，根据《九江市八里湖新区沙阎路生态化改造工程可行性研究报告》，拟在该处修建1座5跨30 m预应力小箱梁桥，桥梁中心桩号为K0+900，桥长约为158 m。

现沙阎路生态化改造工程先于两湖正式连通前实施。考虑到两湖防洪水位相差较大的现状，为增强连通后整个八里湖水体的流动性和连通的可控性，并保证现阶段两湖的防洪功能，拟在两湖连通处增加节制闸进行控制。

2 金属结构布置

沙阎路闸桥弧形钢闸门，门宽为29 m，门高为8.05 m，由门叶、支臂和支铰组成。门叶为焊接钢结构，材料为Q355B。面板布置在长江侧，面板外缘弧面半径为 8 m，沿门叶高度方向布置若干主横梁，跨中最大梁高2.5 m。主横梁支承在闸门两侧的边梁上，边梁为箱形截面，顶部设置吊耳，与液压启闭机活塞杆相连。闸门开启时向上旋转90°，门顶高程为25.75 m，门底高程为23.25 m。

支臂为变截面箱形焊接结构，材料为Q345，支臂一端与边梁焊接，另一端用螺栓连接闸门支铰。支铰位于八里湖侧闸墩上，铰链和铰座采用铸钢，材料为ZG310-570。铰轴采用40Cr钢。直径∅360 mm。考虑到在八里湖高水位时，支铰浸没水下，故支铰设计成全密封结构并采用自润滑关节轴承，确保支铰可以在水下长期可靠工作。由于支铰设置在常水位之上，可以满足更换轴承和密封圈的需要。闸门每侧设两条L形橡皮作为侧水封，可以满足双向止水的要求。底水封采用条形橡皮。水封橡皮和闸门采用不锈钢螺栓连接。在闸门两侧，各设有两个侧轮，用于保证闸门平稳启闭。

在两侧闸墩上还设有液压穿销装置，当闸门全开时，液压穿销装置将闸门锁定。液压穿销装置通过液压启闭机的液压泵站控制。

液压泵站布置在管理房中，通过油管连接到液压启闭机上，同时电气控制也布置在管理房中。本阶段推荐使用弧门，在日常检修时需要将闸门上翻出水面进行检修，在闸门运行过程中局部开启时需要避开震动区域，以减低对闸门及启闭机的影响。

主孔闸门通过QHLY型液压启闭机[2]操作。液压启闭机容量为2×2 500 kN，行程为11 m。闸门侧水封采用双L形橡皮，底水封采用条形橡皮。水封橡皮和闸门采用不锈钢螺栓连接。在闸门两侧，各设有两个侧轮，用于保证闸门平稳启闭。闸门的支臂上设有锁定销孔，当闸门全开时，通过液压穿销装置将闸门锁定。液压穿销装置设置在闸墩上，通过液压启闭机的液压泵站控制。

由于沙阎路闸桥弧形闸门支臂为实腹式结构，其结构特性、边界条件较为复杂，传统的设计与校核仍然按照钢闸门设计规范采用平面受力计算的方法，难以顾及到结构空间作用，为此采用ANSYS12.0有限元方法对弧门结构进行设计。

3 上翻式弧门结构分析

上翻式弧形闸门由面板、主横梁、纵向次梁、支臂、支铰等部分组成，在进行设计计算的时候需要验算各主要部件在不同工况条件下的刚度和强度，判断是否满足规范要求[3]，经验算合格后方可制造安装。

3.1 模型建立

闸门叶片及支臂结构利用板单元[4]进行模拟；螺栓、工字梁均采用梁单元进行模拟；支绞处结构用实体单元进行模拟。闸门整体三维有限元模型[5]如图1所示。

图1 有限元模型示意

三维坐标轴由X，Y，Z表示，其中X方向为水流方向，正向指向水流方向，Y方向为垂直于水流的方向，Z方向为竖直方向。模型总单元数为102 705，节点数为110 735。模型中闸门叶片、支臂结构以及螺栓均取线弹性材料，弹性模量为2.11e5 MPa，弹性模量为0.3。

3.2 荷载及约束施加

闸门处于挡水工况下，面板两侧承受水压力作用，底槛高程为13.5 m，设计水头为21.06 m/16.5 m。闸门静水压力载荷如图2所示。

图2 静水压力示意

闸门的计算工况见表1所示，本次计算采用正向设计水位组合1作为最不利工况。

表1 计算工况 m

φ1=24.440 6°，φ2=32.09°，φ=56.530 6°β1=8.989 3°，β=23.100 7°，Hs=7.56 m，Hx=3.0 m，B=27 m，γ=10 kN/m3Ps-Px=6 982.271 kN，Vs-Vx=1 379.397 kN，P=7 117.222 kN。

总水压力与水平线夹角为11.1752°。

模拟过程中，根据实际情况，约束闸门支座处的X、Y、Z三向位移以及绕X、Z轴的转动，放松绕Y轴的转动以模拟支铰作用。为了有效模拟闸门支臂与支座的作用，在支臂连接板与支座板之间设置接触对模拟其接触作用，螺栓上施加预应力模拟螺栓力的作用。

3.3 整体结构分析

三维有限元结构分析计算主要目的是研究闸门在双向挡水、局开、启闭过程中的应力、变形分布情况。重点研究各工况下闸门各部件[6]的应力、变形和约束反力，关键连接部位的受力情况，如门叶和支臂连接焊缝、支臂与铰链以及铰座与基础螺栓的受力等。最后对闸门结构布置提出优化建议[7]。

分析闸门处于全关位置挡水时，闸门在正向设计水位组合1的工况下，门叶和支臂结构的应力、应变值及分布情况；铰座和铰链的应力和分布以及约束反力。

闸门处于全关位置挡水时，闸门主要承受自重应力与内外江水作用。有限元分析中，通过对闸门单元施加重力及静水压力来模拟外荷载作用。在闸门底部约束竖向位移。闸门支绞的作用通过对支绞处节点约束位移，释放弯矩来实现。

对设计工况1进行有限元分析[8]，得到闸门的变形及应力分布云示意(见图3～图18)。

图3 整体位移云示意

图4 整体应力云示意

图5 面板位移云示意

图6 面板应力云示意

图7 纵梁位移云示意

图8 纵梁应力云示意

图9 主梁腹板位移云示意

图10 主梁腹板应力云示意

图11 主梁后翼缘位移云示意

图12 主梁后翼缘应力云示意

图13 支臂劲板位移云示意

图14 支臂劲板应力云示意

图15 支臂位移云示意

图16 支臂应力云示意

图17 支铰位移云示意

图18 支铰应力云示意

1) 由位移云图可见：闸门整体的顺水流方向最大变形为17.02 mm，方向指向闸门外侧；面板的最大变形为17.02 mm；纵隔板的最大变形量为15 mm；主梁腹板最大变形量为15 mm；主梁后翼缘最大变形量为15 mm；支臂劲板结构最大变形量为2 mm；支臂腹板结构最大变形量为2 mm；支铰处最大变形量为0.8 mm。

由上述结果可知：闸门最大变形量位于面板处，闸门刚度满足设计规范要求。

2) 由应力分布云图可见：闸门整体结构最大应力为142 MPa；面板的最大应力为86 MPa；纵隔板的最大应力为60 MPa；主梁腹板最大应力为86 MPa；主梁后翼缘最大应力为69 MPa；支臂劲板结构最大应力为130 MPa；支臂腹板结构最大应力为142 MPa；支铰处最大应力为140 MPa。

由上述结果可知：闸门叶片与支臂结构连接处发生应力集中[9-14]，最大拉应力位于支臂内侧，最大压应力位于支臂外侧；闸门外侧面板的最大拉应力位于闸门中部，最大压应力位于闸门底部；纵梁应力较小，其最大拉、压应力均出现在孔洞边缘处；计算结果显示，闸门强度满足设计规范要求。

4 启闭力计算

4.1 操作工况

如表2所示，闸门操作水位选择最不利工况(上游水位21.06 m/下游16.50 m)进行计算。

表2 操作工况 m

4.2 启闭力计算

闸门重心计算见图19。

图19 闸门重心位置计算示意

由图19可知，闸门结构重心位置(X，Y，Z)=(5 988.8，-152.46，0)；闸门结构支铰点位置分别为(0，0，13 500)、(0，0，-13 500)；闸门门叶吊耳重心位置(-5 374，5 374，13 500)、(-5 374，5 374，-13 500)。

① 闸门自重为250 t，闸门自重产生的力矩M=2 500×5.988=15 000 kN·m。

② 启闭机启门力为2×2 500 kN，启闭机在启门时可以提供的力矩M=5 000×5.374=26 800 kN·m。

③ 闸门水封摩阻力距相对自重产生的力矩较小，可以忽略。

故选用2×2 500 kN，启闭机行程11 m。

5 结语

本文对沙阎路闸桥弧形闸门进行了有限元分析计算，分别从闸门面板、纵梁、支臂、支铰等主要部件的强度和刚度进行分析，并与整体模型的计算结果进行比较，得到了较为可信的数据，数据显示，闸门在使用过程中，纵梁板、横梁腹板受力均较小，因此是比较安全的；闸门两侧面板中间位置受力较大，而横梁腹板及闸门叶片与支臂焊缝处容易发生应力集中，因此需要格外关注，并进行一定的加固措施。

本文为实腹式弧形闸门的结构设计提供了一个可供选择的算法，设计人员还可通过有限元分析法深化研究闸门的抗风抗震性能、自震频率分析、不均匀沉降分析等，更为经济、安全可靠地设计弧形闸门，较利用传统的计算方法更为迅速简易。