弧形钢闸门有限元分析及安全性评价

邓 伦，王占华

（1.中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133；2.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南 郑州 450000）

0 引言

某电站泄洪坝段共分为23 个土建坝段[1]，每坝段中部设置1 个深孔，每个孔道末端设置弧形工作闸门，孔口尺寸7 m×9 m，设计水位为175 m，从安装至今，深孔弧形工作闸门长期服役超过20 年。鉴于深孔弧形钢闸门所处干湿交替的环境，长期服役导致构件发生低周疲劳等原因，闸门结构的安全性会有所降低，为确保深孔弧形钢闸门的安全稳定运行，某电站每年会根据《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》[2]的要求，依据《水利水电工程钢闸门设计规范》[3]对弧形钢闸门进行在役安全性评价。

弧形闸门的安全性评价方法有原型观测试验、水弹性模型试验、数值分析或三者结合的方法[4]。原型观测试验是指在工程现场对工程及相关影响因素进行的观察、监测和分析的活动[5]，但是由于工程条件的限制和原型观测试验技术标准的不统一[6]，部分弧形闸门无法开展原型观测试验或者试验数据准确性存疑；水弹性模型试验法是通过建立水弹性模型来研究弧形闸门的动力特性参数[7]，但由于水弹性模型试验周期长、成本较高且往往所测节点数量较少，至今还无法实现真正完全水弹性相似模拟试验[4]；数值分析法则按空间结构体系建立弧形闸门有限元模型，不仅能充分体现出闸门较强的空间效应，而且能准确地计算出各构件的内力、应力及变形[8]。文中采用有限元对某电站泄洪深孔弧形钢闸门的强度和刚度进行分析，依据《水利水电工程钢闸门设计规范》[3]对弧形钢闸门进行在役安全性评价，并将有限元结果与现场实测数据相对比，进一步验证闸门的安全性。

1 分析模型

1.1 有限元模型及材料特性

根据深孔弧形工作闸门结构图纸，在SolidWorks软件中建立闸门三维实体模型（图1 所示），并将三维模型导入ANSYS Workbench 中，采用实体单元对闸门进行网格划分，选择4 节点四面体单元（Solid187 element)和8 节点六面体单元（Solid185 element)。网格划分时，使用扫掠网格对几何形状规则的构件进行划分，采用自动网格对几何形状复杂的构件进行划分，如图1 所示，共划分单元150 642 个，节点310 302 个。弧形工作闸门为钢板焊接结构，闸门门叶及支腿主要结构材料为Q345 钢，弹性模量E=206 000 MPa，剪切模量G=79 000 MPa，泊松比μ=0.30，密度ρ=7.85×10-6kg/mm3，重力加速度g=9 800 mm/s2。

图1 弧形钢闸门几何模型和网格划分

1.2 有限元边界条件的建立

挡水状态即闸门正常关闭状态下，设计水位为175 m，计算载荷主要考虑作用在闸门上的静水压力和闸门的自重，闸门动水启闭工况下，设计水位为175 m，除考虑作用在闸门上的静水压力和闸门的自重，还需要考虑启闭机的启闭力4 000 kN。实际工程中弧形闸门在关闭挡水时，其面板底部在水压力作用下相当于直接与闸底板接触，有限元分析时设置面板底部无摩擦约束；闸门支铰处不允许有线位移，约束3 个方向的线位移和2 个方向的角位移，仅放松可绕支铰转动的角位移。

2 闸门强度和刚度评价标准

某电站深孔弧形工作闸门建成于1999 年，工作时间22 年，参照《水利水电工程钢闸门设计规范》[3]和《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》[2]，时间系数取0.95，闸门调整系数取0.95，综合许用应力调整系数为0.95×0.95=0.9。闸门容许应力如表1 所示。

表1 闸门调整容许应力

3 分析结果及安全性评价

3.1 整体结构强度和刚度

设计水位下，深孔弧形闸门全关时整体结构的有限元计算结果如图2、图3 所示，闸门整体等效应力绝大部分在165.08 MPa 以下，最大等效应力为247.62 MPa，位于支腿与主梁连接的部位，其值小于材料的容许应力310.5 MPa，闸门的强度满足规范要求。闸门整体最大位移8.559 mm，位于闸门支腿支撑板处，闸门整体刚度满足要求。

图2 闸门整体应力云图

图3 闸门整体变形云图

3.2 面板结构强度和刚度

设计水位下，深孔弧形闸门全关时面板结构的有限元计算结果如图4、图5 所示，面板绝大部分区域的等效应力在84.63 MPa 以下，面板最大等效应力出现在面板中上部，达到94.99 MPa，小于材料的容许应力310.5 MPa，面板的强度满足规范要求。面板最大位移约为5.76 mm，处于面板顶部，面板的刚度满足要求。

图4 闸门面板应力云图

图5 闸门面板位移云图

3.3 支腿结构强度和刚度

设计水位下，深孔弧形闸门全关时支腿结构的有限元计算结果如图6、图7 所示，支腿绝大部分区域的等效应力在192.61MPa 以下，其最大等效应力为247.62 MPa，处于支臂与门叶连接处，小于容许应力310.5 MPa，支腿强度满足要求。支腿最大位移为8.59 mm，位于支腿支撑板处，支腿刚度满足要求。

图6 闸门支腿应力云图

图7 闸门支腿位移云图

3.4 主梁结构强度和刚度

设计水位下，深孔弧形闸门全关时主梁结构的有限元计算结果如图8、图9 所示，主梁结构绝大部分区域的等效应力在190.18 MPa 以下，最大等效应力244.07 MPa，位于腹板与翼板连接处，小于容许应力310.5 MPa，强度满足要求。最大位移为3.63 mm，位于中部主梁跨中处，小于规范值9.19 mm，满足刚度要求。

图8 闸门主梁应力云图

图9 闸门主梁位移云图

3.5 纵梁结构强度和刚度

设计水位下，深孔弧形闸门全关时纵梁结构的有限元计算结果如图10、图11 所示，纵梁绝大部分区域的等效应力在185.21 MPa 以下，最大等效应力238.09 MPa，位于纵梁腹板与主梁连接位置，小于容许应力310.5 MPa，纵梁强度满足要求。纵梁最大位移5.36 mm，位于纵梁顶部，小于规范值15.64 mm，满足刚度要求。

图10 闸门纵梁应力云图

图11 闸门纵梁位移云图

4 有限元结果与实测结果对比

当实际水位接近于设计水位时，采用无线动态应变测试仪（仪器型号DH5908L），仪器不确定度＜0.5%±3 με，零点漂移2 με/h，测试采样频率200 Hz，灵敏系数2，在事故闸门挡水，工作闸门全关且门前无水的工况下，取应力零位，待事故闸门与工作闸门之间充满水平压后，进行静态应力测试。选取应力测试点分别位于左上支臂翼板、右下支臂翼板、下主横梁腹板和面板，布置测试点后的应变力图如图12～图17 所示。

图12 下主横梁腹板

图13 右下支臂腹板

图14 右下支臂翼板

图15 左上支臂腹板

图16 左上支臂翼板

图17 面板

统计由实测点测得的静应力值与有限元计算的应力值对比，如表2 所示。

表2 实测结果与有限元分析对比单位：MPa

由表2 可知，弧形钢闸门在挡水时的所测6 个部位的实测应力值均处于有限元的应力分析计算的极限值范围内，结果验证了有限元分析计算的可靠性，对后期设备的安全评价及设备维护有一定的意义。

5 结论

采用有限元对弧形钢闸门的强度和刚度进行分析，依据《水利水电工程钢闸门设计规范》[3]对弧形钢闸门进行在役安全性评价，并将有限元结果与现场实测数据相对比，得到以下结论：

（1）根据弧形工作门三维有限元分析计算结果表明，弧形工作门的强度和刚度满足《水利水电工程钢闸门设计规范》对弧形闸门强度和刚度的校核要求；

（2）通过有限元方法计算得到的弧形闸门各结构应力分布以及吊耳的应力变形情况，有助于设备管理部门开展更具针对性的监测，对后期设备维护具有一定的指导意义；

（3）通过有限元法计算结果与实测结果对比，验证了有限元仿真计算的可靠性，为钢闸门安全评价提供了切实可行的分析方法，同时也对钢闸门的设计有一定的指导意义。