大跨度桁架平面闸门静动力特性分析

0 引言

近年来，随着我国水利行业的蓬勃发展，水工钢闸门正朝着高水头、大跨度和大泄量的方向发展。而大跨度桁架平面钢闸门由于其节约钢材、刚度好和自重轻的特点在水利工程中得到了广泛应用。传统上对桁架平面钢闸门多采用手工计算方法，基于现有理论体系对结构、零部件进行强度、刚度校核，计算程序比较复杂，随着有限元技术的发展，对水工钢闸门结构进行有限元分析的技术也越来越成熟，因而本文根据工程实例，应用有限元软件对大跨度桁架平面闸门进行静动力特性分析。

1 闸门有限元模型

1.1 工程实例

本文以某调控枢纽挡洪闸为例，挡洪闸净宽45m，设置1扇桁架平面钢闸门为工作闸门，主要功能是在汛期下闸挡洪，平时常开且具有通航功能。闸门布置图如图1所示。

图1 挡洪闸闸门布置图

1.2 闸门有限元建模

应用ANSYS软件对闸门结构进行建模，建模时基于板壳理论将闸门离散为板、梁单元。闸门面板、边梁、水平主桁架、吊耳板及节点板等采用SHELL181单位进行模拟，桁架腹杆采用BEAM188单元。在空间直角坐标系下对闸门进行计算，X轴沿主梁方向向右（垂直水流方向），Y轴沿竖直方向，Z轴指向上游。钢材弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3。建立的有限元网格模型如图2所示。

图2 有限元网格（斜视）

1.3 计算工况及约束载荷设置

根据该闸门的在实际工程中的运行情况，可分挡水工况、起吊工况和锁定工况三种工况对该闸门进行分析，进而评估该闸门的安全状况。各工况下对闸门的约束设置如下：

①挡水工况：闸门挡水时，门槽对闸门滑块形成Z方向约束，门槽对闸门边梁X方向进行约束，闸门底槛处设置Y方向的位移位移。依据该闸门的运行情况，最不利的工况组合为上游水位3.7m，下游水位2.9m，同时考虑波浪荷载对闸门结构的影响。

②起吊工况：闸门起吊时，受到的最不利荷载组合为：向上的最大启门力与向下的自重、摩擦力及卡阻力等平衡。故对闸门整体施加自重，对闸门吊点施加闸门启门力荷载，并考虑闸门上下游0.1m水头差的水压力的影响。闸门的固定约束设置为对闸门滑块Z方向约束，对闸门边梁X方向进行约束，对边梁底部受Y方向约束。

③锁定工况：对闸门在锁定时的受力情况进行分析，约束设置为门槽对闸门滑块的Z方向约束，门槽对闸门边梁沿X方向的约束，边梁锁定部位受Y方向约束。闸门荷载考虑自重和百年一遇的风压力荷载。

2 闸门静力分析

闸门的静力特性分析是对闸门安全分析的重要评估资料。基于ANSYS的分析结果，本文计算得到的三种工况下闸门Mises应力计算云图如图3、图4和图5所示。在挡水工况下，闸门最大Mises应力位置出现在水平主桁架后翼缘中部，大小为53.1MPa；在起吊工况时，由于启闭力作用在闸门吊耳上，因而闸门最大Mises应力出现在吊耳板上，大小为55.8MPa；在锁定工况下，闸门最大Mises应力发生在闸门底端水平主桁架后翼缘与边梁后翼缘相交处，大小为42.1MPa。三种工况下闸门的最大Mises应力均满足闸门强度设置要求，其中在起吊时，闸门的Mises应力最大，发生在闸门的吊耳板，因而在闸门设计和实际运行时，应注意吊耳板的受力情况。

图3 挡水工况

图4 起吊工况

图5 锁定工况

三种工况下的闸门水平主桁架腹杆、下翼缘竖向桁架腹杆和主桁架联系杆的拉压应力计算结果如表1所示。从表中数据可知，在挡水工况下，闸门水平主桁架是主要受力构件，主桁架腹杆最大应力为47.7MPa；在起吊工况和 锁定工况时，闸门下翼缘竖向桁架为主要受力构件，在锁定工况时，竖向桁架腹杆最大应力为45.2MPa，三种工况下闸门桁架构件均满足强度要求。大跨度桁架结构闸门在不同的工况下，闸门主要受力桁架是不同的，这就要求在设计大跨度桁架结构闸门时应考虑闸门不同工况下的受力情况。

表1 三种工况闸门桁架应力计算结果 单位：MPa

3 稳定性分析

大跨度桁架平面闸门属于大跨薄壁结构，这类结构的极限承载力主要取决于结构的稳定承载能力，因而进行稳定性分析是非常必要的。本文主要应用特征值屈曲分析方法对闸门挡水、起吊与锁定三种工况进行稳定性分析，求出其特征值，亦即闸门的安全系数。

计算得到的三种工况下闸门前6阶失稳模态的特征值如表2所示，从表中数据可知，三种工况下最小稳定系数分别为5.6283、9.8765及9.2556，闸门在挡水工况时最容易发生面板失稳破坏的事故。钢闸门的设计规范虽然没有相关的闸门整体稳定性的条例，但根据容许应力法的规则，可推断闸门的安全系数为2.0～3.0，闸门稳定性是满足要求的。

表2 三种工况下闸门前6阶失稳模态的特征值

4 振动分析

研究闸门自振特性可以在设计过程中减少对闸门自振频率的激励，防止产生共振破坏。闸门一般都会部分或全部淹没在水体中，因此，闸门结构与水体之间的耦合作用会对闸门的自由振动产生影响，在对闸门进行振动分析时，必须考虑动水压力对闸门振动的影响。本文中对闸门进行三维有限元建模的同时，对作用在闸门上的部分水体进行建模，并模拟闸门与水体之间的相互作用。以便得到闸门的湿模态。

根据闸门在实际工程中的运行情况，本文对闸门结构进行振动分析时分三种工况：一是闸门全关位上下游无水的干模态；二是闸门全关位上游有水、下游无水时的湿模态；三是全关位上、下游都有水时的湿模态。三种工况下闸门前5阶自振频率如表3所示，从表中计算结果可知，全关位上游有水、下游无水时频率相比干模态下降明显，与实际规律一致，即水体与闸门的耦合所特有的附加质量效应。而全关位上、下游有水时频率上升明显，这是因为，虽然闸门的附加质量增大了，但上下游水体对闸门的约束增强了，因而表现出闸门的振动频率增加，反而削弱了共振几率。

表3 不同工况下闸门各阶频率计算结果

5 结论与分析

本文通过对大跨度桁架平面闸门进行静力分析、稳定性分析和振动分析，得到了三种工况下大跨度桁架平面闸门的静动力特性结果，可得到如下结论：

①大跨度桁架平面闸门在不同的工况下主要受力桁架是不同的，在闸门挡水工况时，闸门的水平桁架结构主要受力；在闸门锁定和起吊工况时，闸门的竖向桁架主要受力，这就需要在闸门设计时应考虑不同的工况进行分析。

②通过应用ANSYS的稳定性分析方法对该闸门进行分析，该闸门前六阶失稳模态均是面板首先失稳，在挡水工况时，闸门最小稳定系数为5.6283，此时，最容易发生闸门面板失稳破坏的事故。根据计算结果可推断闸门的安全系数为2.0～3.0，闸门稳定性是满足要求的。

③通过对该闸门进行振动分析，可计算得到该闸门前5阶振动频率，计算发现，闸门单向挡水时的振动频率较无水状态下降明显，而闸门双向挡水时，闸门的振动频率是明显上升的。