平面钢闸门止水布置应力有限元分析

钦立峰

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

水工闸门是用于启闭或局部开启水工建筑物过水孔口的活动性装置，在调节水流、控制水位及保证水利工程顺利运行等方面发挥着重要作用。根据闸门功能及作用，其止水装置有不同布置，进而表现出不同的受水压力和结构影响，应当通过对结构应力分布程度的分析，选择适用的止水布置型式。水工闸门结构属于复杂的空间结构体系，现行相关规范将平面钢闸门划分成独立构件的做法无法准确反映出各构件之间的关联；而有限元法则将平面钢闸门视为整体性空间结构体系进行分析，便于得出水工闸门各组件实际应力应变，并能直观观察受力变形实际分布，分析结果也具有较强的空间效应，在水工闸门结构设计中具有广阔的应用前景。

1 工程概况

新疆阿克苏地区克孜尔水库泄洪洞闸门采用常规的潜孔式平面定轮钢闸门型式，该闸门宽×高为4.00 m×4.25 m，闸门底槛高程198 m，上游设计水位250.10 m，作用水头52.13 m，为便于进行描述与分析，工字型组合主横梁从上到下记为1#～4#，T形截面组合纵梁从左到右记为1#～3#，π形截面组合边梁从左到右记为1#～2#，14#工字型钢小横梁由上到下记为1#～6#。

2 有限元模型构建

2.1 模型构建

平面钢闸门是由主横梁、纵梁、次梁、面板及滑轮等构成的大型复杂空间薄壁结构系统，当前，采用以结构力学为理论依据的平面体系分析法进行结构构件设计的做法虽然较为常见，但也仅限于平面结构以内，对于水工闸门等空间结构则无法真实反映其实际的受力程度，所得出的计算结果也比真实结果低出20%～40%，部分关键部位分析结果缺乏安全裕度。而随着结构力学分析理论的不断完善和计算机技术的纵深应用，空间有限元法在复杂平面钢闸门结构设计中的应用日益广泛。文章主要采用与水工闸门实际工况更为接近、并能精确模拟水工闸门实际运行状态的完整空间薄壁结构进行平面钢闸门模型构建。

平面钢闸门面板、横梁、纵梁、边梁等均采用壳单元，通过ANSYS有限元软件的SHELL63单元进行模拟，滑轮则采用实体单元，通过SOLID45单元进行模拟。有限元模型离散模拟结果主要受单元形态的决定和影响，为此，必须保证网格划分结构的规整性，确保各相邻构件连接处具有相同节点，以加强形变控制；同时还应确保单元尺寸的合理性，若单元尺寸过大，会增大分析结果误差，无法真实反映结构变形程度和局部应力大小；相反，将无形中增加分析难度。

2.2 有限元模型及约束条件

为真实反映闸门实际运行状态，平面钢闸门各构件尺寸参照设计图，各构件板壳厚度均按现场蚀余厚度确定。克孜尔水库泄洪洞钢闸门使用Q235钢，弹性模量20.60万MPa，泊松比0.31，材料理论密度7 850 kg/m3。在所构建的克孜尔水库泄洪洞钢闸门有限元模型上下游面加设止水封条，以分析平面钢闸门在不同止水方式下闭门挡水工作特性；令x轴向代表平面闸门主横梁向，y轴向代表平面闸门铅垂向，z轴向代表平面钢闸门顺水流向。滑轮块和其余构件分别采用实体单元SOLID45和壳单元SHELL63，网格尺寸按50 mm设置，划分出的单元数27 420个，节点数16 804个。

考虑到平面钢闸门结构左右对称，故可通过ANSYS有限元软件对称建模，并在模型对称轴施加对称约束，以保证闸门滚轮支承约束能沿水流方向施加，y轴向竖直约束施加于闸门底端，主要起到限制闸门竖向移动的作用。将闸门宽度向的底面板中间节点位移设定为零，确保所构建的平面钢闸门模型具有不变的几何属性。

2.3 计算工况及加载

按照567.50 m的底槛高程和25.00 m的设计水头确定计算工况。克孜尔水库泄洪洞平面钢闸门在实际运行过程中受力情况复杂，同时受到结构自重、水压力、泥沙压力和波浪压力等的作用，为简化分析，此处仅考虑闸门结构自重和静水压力。前止水型式下闸门仅面板受水压力作用，而后止水型式下，闸门面板、顶梁腹板及边梁腹板等均受水压力作用。两种止水型式下平面钢闸门受水压力荷载面具体见图1。Q235钢极限屈服力为235 MPa，抗拉、抗压及抗弯应力允许值均为215 MPa，抗剪应力允许值为125 MPa，根据SL74-2013，水工平面钢闸门允许应力应按0.90～0.95的调整系数确定，而SL226-98规定，金属结构闸门强度验算时必须考虑0.90～0.95的使用年限调整系数，此工程系数均取0.92，则调整后的抗拉、抗压及抗弯应力值为182 MPa，抗剪应力值为105 MPa。

图1 平面钢闸门受水压力荷载面

3 应力计算结果

3.1 结构应力计算结果

3.1.1 面板

在前止水和后止水两种不同的止水布置形式下，该水工平面钢闸门面板区域应力位相似分布形式，在前止水布置时，面板连接边梁内腹板并与1#、2#、5#、6#小横梁相交处应力集中现象比较凸显；而后止水布置时，面板应力分布比较均匀且运行稳定。比较结果见表1。

表1 平面钢闸门面板最大等效应力结果比较表

3.1.2 主横梁

1#主横梁腹板在前止水型式下应力分布两头大中间小，后止水型式下应力分布分散，但止水位置应力值较大；2#～4#主横梁腹板应力在两种止水型式下均为两头大中间小。两种止水布置下主横梁腹板及后翼缘应力呈两头小中间大的相似分布，具体见表2。根据比较，1#主横梁后止水布置下腹板折算应力最大值出现在腹板接近前翼缘位置，且比前止水布置大146%，主要原因在于后止水型式下1#主横梁直接受到水压的影响而应力值较大，但其折算应力最大值仍比屈服强度小。2#～4#主横梁在两种止水布置下折算应力最大值分别出现在闸门跨中靠近前翼缘处以及腹板、边梁筏板及后翼缘交界处。总之，除1#主横梁后翼缘受力复杂、主横梁直接承受水压而前止水应力折算值大于后止水外，前止水型式下翼缘折算应力普遍高出后止水型式。

表2 主横梁腹板及后翼缘最大应力折算值比较表（单位：MPa）

3.1.3 纵梁

根据对有限元模型的分析，两种止水型式下，纵梁腹板应力分布基本一致，且1#、3#纵梁应力略微大于2#纵梁；纵梁后翼缘应力分布也较为接近。不同止水布置下纵梁应力最大值比较结果详见表3。后翼缘剪应力很小，且对平面闸门性能无较大影响，故忽略不计；通过表中结果比较可以看出，两种止水型式下腹板和后翼缘等效应力、正应力及剪应力值均较为接近，止水布置对纵梁应力分布影响不大。

表3 纵梁应力最大值比较表（单位：MPa）

3.1.4 边梁

所构建的平面钢闸门模型左右对称，故只分析2#边梁受力情况。两种止水布置下边梁内腹板应力远远超出外腹板；边梁后翼缘应力分布基本一致，均因存在定轮缺口而引发局部应力集中。为进行2#边梁腹板应力分布情况的准确描述，将其划分为成8个区域。根据有限元分析结果，平面钢闸门边梁内腹板应力差异主要存在于区域1、3、4，在前止水型式下，区域1、3因设置有定轮故边梁腹板和轮轴连接处应力较为集中，最大应力值达到157 MPa；后止水型式下，区域1、3、4为直接的水压承压区域，应力值较大，区域2因在边梁腹板和轮轴连接处设置有加强版，故应力较小。区域6附近外腹板应力分布存在较大差别：前止水布置时不承压，无应力集中，应力值最大仅为12 MPa；后止水布置时因直接承受水压力和结构承重传递力而应力较大，最大达到118 MPa。后止水型式下边梁腹板折算应力最大值小于前止水型式，且两种止水布置下折算应力最大值均未超出应力允许值。

3.2 变形计算结果

主横梁是克孜尔水库泄洪洞平面钢闸门主要受力构件，一旦钢闸门主横梁发生较大变形并超出限定值，则钢板平面会发生弯曲形变，门槽止水也会随之失效，造成闸门起吊困难。为此还必须进行平面钢闸门主横梁变形分析。主横梁挠度形变有限元分析结果详见表4。根据分析可知，在前止水布置型式下，平面钢闸门主横梁挠度形变最大值出现在4#主横梁跨中，为3.16 mm，且1#～4#主横梁挠度形变呈增大趋势；后止水设置下，主横梁挠度形变最大值出现在1#主横梁腹板位置，为2.65 mm，2#～4#主横梁挠度形变呈增大趋势，但均小于1#主横梁。显然，后止水型式下主横梁挠度形变较前止水型式小；且两种止水方式下主横梁挠度形变均未超出设计值。

表4 主横梁挠度形变有限元分析结果表（单位：mm）

4 结论

综上所述，克孜尔水库泄洪洞平面钢闸门在前后两种止水布置型式下，所分析到的水工钢闸门不同构件的实际强度均满足规范要求，仅有某些构件交叉重叠区域和定轮位置处存在局部性应力集中问题，为保证水工钢闸门受力均衡及稳定运行，必须及时加固处理；止水布置型式对水工钢闸门纵梁及小横梁影响较小，可忽略不计。该水库泄洪洞潜孔式平面钢闸门采用后止水布置型式时面板受力较为均匀，无应力集中现象；主横梁所具有的抗形变效果也较为优良；边梁折算应力的最大值比前止水布置型式下的这算应力最大值要小。在后止水布置型式下，水压力直接作用于1#主横梁和边梁腹板，故主横梁应按照变截面设计，边梁应加设隔板，以保证钢闸门应力分布更加均匀合理。