弧形钢闸门主梁翼缘宽厚比设计对静力与流场稳定性影响研究

2022-12-07李蕴升庄伟栋

广东水利水电 2022年11期

李蕴升，庄伟栋

(江苏省江都水利工程管理处，江苏扬州 225000)

1 概述

泵闸工程中包括有多种水工设施[1-2]，各水工设施既有独立运营，亦有协同工作，每一个水利结构“抱病”运营，对整个枢纽工程的运营效率均是损害。研究水利结构设计，不能仅仅研究水工建筑独立体系中安全稳定性，同样需要分析水工设计对整体枢纽运营状态的影响[3-4]，综合评价结构设计利弊性。物理模型试验乃是一种解决实际工程设计的室内研究方法，秦海杰[5]、谢先坤[6]、王蓓[7]基于原型工程设计下模型试验结果，分析不同方案中闸门、消能池等水利结构设计方案优劣性，从而为工程建设提供参照。针对于闸门这种水利结构，也可以采用三维流场计算方法[8-10]，评价闸门在运营工况中其流速、时均压强等水力特征，分析不同流量、不同开度下闸门运营安全可靠性，极大丰富了闸门设计研究成果。与之相对应，李炳阳等[11]、庞敏敏[12]采用了ANSYS、Abaqus等计算仿真方法，分析了闸门或水闸等水工建筑有限元模型的应力、位移特征，为结构体系静力荷载下安全运营评价提供依据。本文基于淮安二站泵闸枢纽工程改造下弧形钢闸门设计优化，采用COMSOL与Flow 3D联合计算方法，综合分析了闸门设计参数对结构应力、位移及流场特征影响，为工程最优化设计提供参考。

2 闸门设计仿真

2.1 工程概况

淮安二站是南水北调中线工程淮安水利枢纽的重要组成部分，承担着运河、淮河干流及各大中小型支流的水利调度、防洪排涝及灌溉等水利功能，在农业灌溉保证率为95%的情况下年可提供输水量达300 m3/s，同时控制下游白马湖、洪泽湖等调节水库水位，各梯级水库水位从30 m至10 m过渡，减少上游输水引起的水力势能过大，如洪泽湖蓄水期湖底水位稳定在10 m左右，蓄水位为3 m。淮安二站作为集泵站、输水设施、控水设施等综合水利功能为一体的枢纽工程，其控制流域面积超过300 km2，装机规模达240 m3/s，设计流量为150 m3/s。根据对淮安二站工程调查得知，该泵闸综合枢纽在输水期前池水位控制在5.2～5.35 m，最大限位为6.5 m，站上设计水位为9.13 m，最高水位为9.58 m，而站下设计水位与最高水位分别为5.23 m、6.5 m，作为输供水枢纽的一部分，二站供水期调水流量为120 m3/s。泵站所在主厂房尺寸为26.6 m×22.7 m×38.9 m，采用竖井式进水通道设计，其贯流泵装置三维体态如图1所示；泵站设计净扬程为4.8 m，最大、最小扬程分别为4.2 m、2 m；控制枢纽采用框架结构，安装有2台进水泵机，叶轮直径为4.5 m，分别在进水与出水段布设有节制闸，设计最大流量分别为150 m3/s、80 m3/s。根据淮安二站不同供水期，在考虑泵站水位的前提下，可选择采用快速门闸与小拍门闸的启动方式泵站两种典型启动方案三维建模如图2所示。

图1 贯流泵装置三维体态示意

图2 泵站启动方案三维建模示意

由于淮安二站泵闸工程投入运营使用超过20 a，部分水利设施运营效率降低，如快速门闸启动方式下，前池常出现水位涌动、紊流等现象，进水、出水渠段处翼墙也出现较多裂缝，特别的，在进水、出水渠段闸门出现控水失败等节制失效现象。工程管理部门认为，当上游来水流量过大时，极易出现泵闸的非稳定运营，严重时出现泵机厂房进水、溃闸等问题。从工程安全角度考虑，水利部门考虑先重点针对泵站的节制闸开展改造升级，现有闸门为平面钢闸门，触水面积较小，因而考虑设置有弧形钢闸门(如图3所示)，该闸门采用型钢结构，四压杆支撑体系，背水侧配备有横、纵等主次钢梁。由于工程设计考量，泵站在输水运营期较大流量下，闸门的可靠性是设计安全的重点，故而本文重点针对改造升级后节制闸门开展运营安全分析。

图3 弧形钢闸门示意

2.2 仿真建模

为研究淮安二站泵闸工程改造后的弧形钢闸门运营安全，采用COMSOL仿真平台对该弧形钢闸门进行建模[13-14]，简化泵站进、出水口处其他结构形式，所建立的闸门模型如图4所示。该闸门模型包括有底部压杆支撑体系，也涵盖迎水面板，共有3根主梁与5根次纵梁，均为型钢结构体形。全模型经计算网格划分，获得了2 082 62个单元，186 248个节点数；模型X、Y、Z正向分别用泵站进水口水流方向、结构竖直上方向及泵站右翼墙方向；模型中所有微单元均采用壳单元与非线性接触壁面。

图4 闸门模型示意

作为闸门重要支撑结构，横、纵梁的设计状态决定了闸门运营稳定性，为此，本文以其中横梁结构代表为研究对象，图5a为该横梁结构型钢截面，位于闸门最底部。该横梁结构作为型钢材料，其腹板高厚比为45，而腹板间距为45 cm，截面翼缘厚度为30 cm，翼缘宽厚比决定了型钢截面宽度尺寸与翼缘厚度间关系，前期参数设计时出现不适配，故本文重点针对该翼缘宽厚比参数开展计算分析。

a 截面体型

为研究该翼缘宽厚比参数设计合理性与适配性，基于淮安二站泵闸工程实际，该参数最大限定在20以内，在对比方案中以每梯次3的递增顺序，设定有0～20共7个方案，每个方案中仅改变翼缘宽度，其厚度参数作为统一值固定，截面体型其他参数不变。本模型在考虑结构运营安全时，以静力稳定性为分析对象，而弧形钢闸门支撑体系参数的改变，对泵站运营状态也有影响，本文采用Flow 3D对其NX网格模型进行三维流场计算[15]，探讨不同设计方案下流场影响特征。模型计算工况设定泵站进水口流量为20 m3/s，静力稳定性时考虑闸门全闭状态，而三维流场计算时设定闸门为半开式状态。结构静力稳定性关键节点选取按照3根横梁与纵梁的交点，这也是闸门面板上极易出现失稳的区域(如图6所示)。

图6 横、纵梁的交点示意

3 闸门静力稳定性特征

3.1 应力特征

基于弧形钢闸门静力特征计算，获得闸门支撑钢梁关键节点处拉应力影响变化(如图7所示)。

图7 各交点最大拉应力影响变化特征示意

从各翼缘宽厚比方案计算可知，3个节点中张拉应力最大位于底部横、纵梁交点，7个方案中分布为1.56～4.3 MPa，而在顶部、中部两交点处张拉应力较前者分别减少了14.9%～33.3%、32.5%～54.8%。分析认为，底部横、纵梁交错区域存在较显著的静水压力，且在弧门全闭状态下呈流固耦合物理场，具有叠加荷载效应，因而该区域存在较大张拉应力。当翼缘宽厚比参数增大，3个节点的张拉应力均为递减变化，表明控制翼缘宽厚比，本质上为增大翼缘宽度，有助于减弱型钢结构受拉特性；实质上从受荷面积考虑，翼缘宽度的递增，截面体型增大，有助于削弱拉应力产生。在翼缘宽厚比参数为1的方案中，顶部横、纵梁交点处拉应力为2.9 MPa，随宽厚比参数每增大3，则其拉应力平均减少了20.1%，特别是在宽厚比参数1～13梯次内，拉应力的平均损耗达27.8%，当设计参数为16、19时，拉应力降幅最大为5.7%。与此类似，中部、底部横纵梁交点处拉应力变化一致，分别平均减少18.3%、15%，但设计参数1～13梯次内最大变幅分别分别达29.5%、25.8%，平均降幅为25.4%、21.4%。由此可知，虽持续增大翼缘宽厚比参数，有助于提升支撑结构受荷面，但同时也会增大型钢截面体型的跨度比，不利于结构抗弯剪特性[16]，因而控制翼缘宽厚比参数在合理区间即可；从本文计算结果看出，在翼缘宽厚比参数为1～13区间较为有效。

虽型钢结构抗压能力较强，但关注结构最大压应力，有助于全面了解结构运营荷载下应力安全性，图8为7个翼缘宽厚比参数方案下3个关键节点的最大压应力变化特征。

分析图8中压应力变化可知，压应力最大区域同样位于底部横、纵梁交点处，该区域受结构自重影响，分布有较大压应力，7个方案中最大压应力分布为8.5～14.1 MPa。当翼缘宽厚比参数增大时，3个交点处压应力均呈增大变化，此与翼缘宽厚比增大，会影响结构自重。在翼缘宽厚比参数为1方案内，顶、中、底3个横、纵梁交点处的最大压应力分别为6.2 MPa、7.3 MPa、8.5 MPa，而在宽厚比参数每增大3的梯次内，则最大压应力分别平均增长了9.8%、8.7%、9%；特别的，与拉应力影响变化有所类似，均在宽厚比13方案后，出现最大压应力的陡增期，3个交点在宽厚比13～19方案内，增幅均较大，平均增幅分别达24.6%、19.8%、16.7%，而宽厚比低于13的梯次内，压应力的平均增幅分别仅为2.4%、3.2%、5.2%。分析表明，当翼缘宽厚比参数过大时，受荷面过于集中，导致了结构承载自重超过体系允许范畴，因而最大压应力呈现快速增长态势。从结构设计优化考虑，拉应力在宽厚比1～13梯次内处于较安全状态，而压应力在该区间内同样具有较好表现，而从设计“性价比”评价，翼缘宽厚比参数为13时最为有利。

图8 各交点最大压应力影响变化特征示意

3.2 位移特征

位移特征是结构体系中静力特征重要反映，图9为基于不同宽厚比参数计算获得的横、纵梁结构三向位移变化特征。

观察图9中位移表现可知，Y向位移为结构体系中最大位移值，在各方案中分布为3.8～10.1 mm，而X、Z向位移较前者分别减少了37.3%～51.9%、15.1%～32.9%，此也与结构体系与自重应力占较大比重有关。当翼缘宽厚比参数增大，三向位移均呈先减后增变化，位移最低值位于宽厚比13方案，X～Z向位移分别为1.85 mm、3.8 mm、2.57 mm，而在宽厚比低于13梯次内，各向位移均为递减变化，如X向位移在宽厚比7、13方案内时相比宽厚比4方案内分别减少了26.1%、52.7%，在宽厚比1～13区间内平均降低了25.1%，而Y、Z向位移同样分别降低了21.6%、25.7%。而在宽厚比超过13后，三向位移均为递增，分别具有平均增幅68.5%、49.2%、62.5%。笔者认为，当宽厚比低于13时，型钢结构截面体型位移的产生根源为拉应力，而在宽厚比超过13后，拉应力处于较弱，而压应力出现增长趋势，较大的压应力对结构位移产生了促进效果。在应力适配宽厚比参数方案时，宽厚比13为较优方案，同样该方案下位移值也处于最合理。

图9 各向位移值影响变化特征示意

4 泵站前池流场特征

闸门作为控流、挡水设施，当改变支撑结构设计参数，对泵站前池流场会有所影响，本文以前池沿程断面上的流速参数为流场分析对象(如图10所示)。

图10 前池流速影响变化特征示意

依据流速变化可知，翼缘宽厚比与流速水平量值关联性较小，整体上具有正相关关系，如在翼缘宽厚比1方案内沿程断面平均流速为0.23 m/s，而宽厚比7、13、19方案内的平均流速较前者分别提高了28.8%、60.3%、92.8%；整体上流速水平受翼缘宽厚比影响较小，每梯次宽厚比增大3，则引起沿程断面平均流速增长11.6%。翼缘宽厚比的改变，对流速的影响最大为其稳定性，在翼缘宽厚比超过16、19方案内，流速波动性显著，特别是在上游进水口处，受翼缘宽厚比对闸门支撑结构的改变，导致进水口流态差异[17]，进而影响该区段内流速呈波动性变化，两方案分别具有最大变幅16.4%、17.2%，同时两方案在接近池尾处也具有一定波幅，整体上此两翼缘设计方案流场稳定性欠佳，不利于泵站输供水。当翼缘宽厚比为1～13时，流速波幅较小，各断面间具有的最大波幅不超过3.7%，乃是宽厚比为4方案；特别在宽厚比10、13方案内，流速稳定性较佳，平均流速分别为0.33m/s、0.37m/s，最大波幅未超过1%。从静力结构的设计遴选来看，翼缘宽厚比为13的方案池内流场综合技术优势最显著，选择该方案最为合理。