空间体系法在闸门结构设计中的应用

2023-02-21谢遵党张雪才陈丽晔

人民黄河 2023年2期

谢遵党，张雪才，陈丽晔

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南郑州 450003）

1 引言

我国水能资源开发利用程度尽管已达55.6%，但远低于发达国家80%的平均开发利用水平，要赶超发达国家、减少碳排放、实现碳中和，还需大力修建水利水电工程［1－2］。闸门作为水利水电工程的调节咽喉，在防洪、发电、水资源调配和减淤等方面具有重要作用。真实工作状态中闸门结构空间效应极强，我国闸门设计规范经六十年历多版［3－8］，其中对于闸门结构的分析一直采用平面体系法。平面体系法尽管具有力学概念明确、计算简便的优点，但不能考虑闸门结构的空间效应［9－10］。美国等国家规范［11－14］及科研进展［15－19］都明确指出可采用空间体系法（主要是有限元法）对闸门结构进行分析。随着科技进步、有限元理论及计算软件的不断成熟完善、《机械产品结构有限元分析通用规则》（GB／T 33582— 2017）［20］的颁布实施，采用空间体系法对闸门结构进行分析的时机已经成熟［21－24］。

生态保护理念的持续深入发展，对水利水电工程和水利枢纽工程的功能提出了新的要求，已建水利工程功能完善最便捷、最经济的措施是改变闸门的运行方式（即由设计时全关全开调整为局部开启）。为确保长服役期或改变运行方式的闸门结构安全，需要对其进行安全评价，以便及时发现安全隐患、了解闸门运行状态，从而制定应急措施。采用空间体系法进行闸门安全评价对确保其安全稳定运行具有重要意义，同时可弥补平面体系法的不足。

另外，闸门设计主要依据经大量工程实践持续验证的设计规范［7－8］和设计手册［25］，但在设计阶段仍存在不足：①闸门自重仍无高质量的计算方法。闸门自重不仅与自身造价、相配套启闭机容量及其造价密切相关，还关乎闸门自身结构的安全。②闸门重心位置仍按经验公式确定。闸门重心是影响启门力的重要因素，准确确定重心位置对结构安全设计和工程稳定运行具有重要影响。③启门力对闸门整体结构的影响还不清楚。为保证闸门实际运行过程中启闭安全，应在设计阶段就考虑启门力对闸门整体结构尤其是顶梁结构的影响，及时发现问题并采取相应措施。④配重块对平面闸门整体结构的影响仍未考虑。平面闸门通常需采用配重块辅助闭门，但在设计阶段往往不能考虑配重块的数量和位置，更不能考虑配重块对闸门整体结构尤其是主梁结构的影响。本文针对目前闸门安全评价及结构设计阶段存在的问题，采用空间体系法对其进行系统分析并给出具体可行且普适可重复的分析过程，为闸门结构更加准确分析与设计提供借鉴。

2 闸门整体结构的安全评价

2.1 安全评价的重要性

1949年以来，我国水利工程中应用了大量闸门结构，囿于其工作环境恶劣且当时防腐蚀措施落后，超过一定使用年限后，绝大多数闸门不同程度锈蚀、磨损和老化［26］。根据《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》（SL101— 2014）［27］和《水利水电工程金属结构报废标准》（SL226— 98）［28］的具体要求，应对闸门等金属结构进行安全评价。目前我国运行中的许多闸门已达到或超过折旧年限，这些闸门安全状况不佳，甚至存在重大安全隐患，需要及时进行安全评价。另外，闸门运行方式由设计时全关全开调整为局部开启，因设计时未考虑闸门局开运行工况且随闸门服役时间的延长，闸门结构力学性能出现不同程度的降低［29－30］，故直接开展闸门局开原型试验，可能造成闸门结构破坏，导致重大事故。为避免直接进行原型试验带来的风险，采用空间体系法对闸门结构进行局开工况分析，鉴定安全性后再进行原型试验。

综上，采用空间体系法分析闸门结构一方面可对长期服役闸门结构的安全状况进行综合评价，保障闸门长久安全稳定运行，另一方面可避免直接进行原型试验带来事故风险。

2.2 闸门安全评价的步骤

采用空间体系法进行闸门安全评价的步骤一般为：①充分了解闸门结构的设计资料、设计条件、运行记录、检修维护记录等；②对闸门进行外观评价、锈蚀评价、材料强度评价；③采用大型通用有限元软件AN⁃SYS根据设计图纸和锈蚀评价资料等直接建立闸门结构的几何模型；④根据闸门实际受载和支承情况，在有限元模型上恰当施加荷载和约束；⑤采用映射网格进行网格划分得到高质量网格模型和高精度分析结果；⑥分析并提取结果，根据闸门规范［7－8］进行安全评价。

以某水利枢纽工程弧形闸门的安全评价为例，采用空间体系法对闸门结构进行分析，得到闸门在不同工况下整体结构、面板结构、顶梁结构、底梁结构、横梁结构、纵梁结构、边梁结构、支臂结构等的应力和位移［30］，限于篇幅，仅给出整体结构的等效应力云图和位移云图（见图1、图 2）。

图1 弧形闸门结构等效应力云图（Pa）

图2 弧形闸门结构等效位移云图（m）

3 闸门自重及重心的确定

3.1 闸门自重的确定

准确计算闸门自重是一项很复杂的工作，在初步设计阶段，因没有足够的时间进行全面研究，故往往采用规范［3－4］中公式或工程类比［31］方法来确定闸门质量，结果误差较大。闸门自重既影响自身工程造价，又与启闭机容量（或造价）直接相关［32］。采用平面体系法［7－8］设计闸门需要计算闸门各个部件的体积，然后得到结构总体积，再考虑材料密度即可得到总质量。采用平面体系法计算闸门质量工作量大且易漏考虑或重复考虑部分结构质量，造成闸门质量失真。

1995年前闸门自重一般根据规范计算，如1964年版规范［3］推荐采用苏联的经验公式，1978年版规范［4］推荐使用西北农学院根据600多例闸门提出的估算闸门自重的经验公式。因规范中闸门自重公式在实际运用中误差较大，故1995年版规范［5］删除了闸门自重估算的经验公式，此后2013年版［6］、2015年版［7］和2019年版［8］规范中均未将闸门自重估算公式列入。

一些学者对闸门自重也进行了研究。1956年刘当焱［33］详细介绍了苏联《水工结构》中有关平面闸门质量的估算公式。1985年王铁生［34］、1987年周克敏［35］分别介绍了英国《水力发电与坝工建设》中有关估算闸门质量的经验公式。1986年何运林［32］采用数理统计理论推导了估算各种船闸闸门和阀门质量的公式。1988年吴霁云［36］采用回归分析的方法给出了20世纪80年代前升卧式闸门、双扉闸门、舌瓣闸门和转动闸门的质量估算公式。1997年刘平［37］采用数理统计的方法给出了20世纪80年代以前表孔弧门的质量估算公式。2018年陈娇等［38］根据1990年之前的弧门质量数据，采用逐步筛选的方式对弧形闸门质量估算公式进行了优化。2020年劳海军等［39］对不同时期闸门质量估算公式进行了总结，并从中筛选出适合平面定轮闸门的质量估算公式。以上研究几乎都是采用概率统计方法针对特定时期特定闸门进行的，得到的闸门质量估算经验公式精度低、适用范围有限。为更好地解决闸门自重计算中存在的问题，弥补闸门自重经验公式的不足，采用空间体系法直接建立闸门空间模型，即可直接得到闸门整体结构的面积、体积和质量。

采用空间体系法准确计算闸门自重的前提是确保闸门空间模型的真实性。根据设计资料（如闸门类型、孔口尺寸、水头和运行工况等）即可采用空间体系法建立闸门模型，采用Asum命令即可得到闸门整体结构及各部分结构面积、体积及质量［30］。采用参数化程序语言建立弧形闸门几何模型和有限元模型，闸门各部件的质量统计见表1（各部件的密度均为7 850 kg／m3）。

表1 空间体系法统计弧门质量

由表1可知，采用空间体系法直接得出闸门总质量为389.20 t，实际建成后闸门总质量为398.40 t，误差仅为2.3%，可知采用空间体系法可快速准确给出闸门结构的质量。

3.2 闸门重心的确定

闸门重心在弧形闸门结构设计中具有重要作用，是影响启门力的重要因素。弧形闸门结构复杂，准确确定其重心位置较为困难。我国闸门设计规范［7－8］及设计手册［25］均只简单给出了弧形闸门启门力计算的表达式，其中重力矩采用自重与力臂之积表示，并没有给出弧形闸门重心的计算公式。一直以来，弧形闸门重心计算通常采用经验公式，即近似认为重心位于弧形闸门全关时总水压力作用线上距支铰中心0.80倍或0.85倍半径处，该取值范围综合考虑了弧形闸门实际外荷载和主框架合理刚度比并结合大量工程经验得到，在工程界得到了普遍的应用，但该取值未考虑弧形闸门设计时实际质量分布，亦不能体现弧形闸门设计过程中重心随结构形式的变化，存在较大误差。为较好地解决闸门重心确定中存在的问题，弥补现有闸门重心经验计算公式的不足，采用空间体系法直接建立闸门空间模型，即可直接得出闸门整体结构的重心［40］。

以某实际工程中弧形闸门为例，弧门宽度为2.5 m、高度为2.5 m、半径为5.0 m，采用空间体系法建立的空间结构模型见图3，整体坐标系坐标原点在左支铰处，X轴正方向沿水流方向，Y轴正方向竖直向上，Z轴与XY平面垂直（向右为正）。图4中：O为闸门支铰中心；R5000表示弧形闸门半径为5.0 m；G1为空间体系法确定的闸门重心位置，采用Asum命令直接输出该弧形闸门结构的重心为Xc1＝－3.341、Yc1＝－1.652、Zc1＝1.250；G2为根据设计手册［25］中经验法确定的闸门重心位置，一般位于闸门面板处合力作用线处，距O点为0.8倍半径处，即Xc2＝－3.445、Yc2＝－2.033、Zc2＝1.250。可知，弧形闸门重心实际上并不完全位于全关时总水压力作用线上，但两者差别不大。此外，采用空间体系法还可得出任意开度下闸门的重心位置，为准确确定启门力奠定基础。

图3 空间结构模型

图4 重心位置（mm）

4 启门力对闸门结构的影响

启门力可根据闸门设计规范［7－8］或试验确定，同时设计规范在荷载组合中明确规定要考虑启门力，但在实际设计过程中很少考虑启门力对闸门结构的影响，仅凭工程经验加厚吊耳板来考虑启门力的影响。为探究启门力对闸门结构的影响，采用空间体系法对闸门结构进行分析。以某水利枢纽工程弧形闸门为例［40］，闸门尺寸为2.5 m×2.5 m，水头为83.0 m，弧门半径为5.0 m。采用空间体系法分别对闸门在设计水位下全关和设计水位下瞬开（施加启门力）两种工况进行分析，对比启门力对闸门结构的影响。限于篇幅，仅给出整体结构等效应力和位移在两种工况下分析结果，见图5和图6，具体对比结果见表2。

表2 闸门结构等效应力和位移分析结果

图5 设计水位弧门全关时的应力和位移

图6 设计水位弧门瞬开时的应力和位移

由图5可知，设计水位下结构的最大等效应力为132.0 MPa，位于主梁与支臂的连接处，整体结构满足要求（考虑闸门类型和使用年限后允许应力为182.23 MPa）；结构的最大位移位于顶梁与第一根次横梁之间靠近跨中的梁格处，为1.70 mm，整体结构满足要求（规范位移允许值为3.33 mm）。

由图6可知，设计水位瞬开工况下结构的最大等效应力为144.0 MPa，位于吊耳处，整体结构满足强度要求；结构的最大位移位于顶梁与第一根次横梁之间靠近跨中的梁格处，为1.84 mm，整体结构满足刚度要求。

由表2可知：①弧形闸门在设计水位下瞬间开启时，闸门结构的等效应力和位移均满足设计规范［7－8］的要求。②设计水位瞬间开启工况与设计水位全关工况相比弧形闸门结构的等效应力和位移都有所增加，其中结构的等效应力增加9.09%，位移增加8.24%；面板结构的等效应力变化不大，位移增加8.24%；次横梁结构的等效应力增加13.73%，位移增加9.60%；主横梁结构的等效应力增加7.58%，位移增加4.59%；顶梁和吊耳板结构的等效应力增加160.87%，位移增加18.24%；支臂结构等效应力增加4.72%，位移几乎不变。③顶梁结构的等效应力增幅最大，其次是靠近顶梁结构的次横梁结构和上主横梁结构。弧形闸门全关工况和瞬开工况结构等效应力和位移发生变化的最根本原因是启门力的直接作用对顶梁结构、次横梁和上主梁结构的等效应力和位移产生影响，并且对顶梁和上主横梁的影响尤其明显。

5 配重对闸门结构的影响

在上游侧的闸门设计中，采用式（1）计算闭门力时，如果FW值为正，表示闸门不能靠自重闭门，需要采用加重块、水柱或者机械下压力才能正常闭门；反之，则闸门可依靠自重闭门。

式中：FW为闸门闭门力；nT为摩擦阻力安全系数；Tzd为支承摩阻力；Tzs为止水摩阻力；nG为计算闭门力用的闸门自重修正系数；G为闸门自重；Pt为上托力。

因使用配重块比较经济和方便，故实际工程中应用较为普遍。采用平面体系法［7－8］无法考虑配重块对闸门整体结构尤其是主横梁腹板结构强度和刚度的影响。因弧形钢闸门多采用液压启闭机进行启闭，不需要采用额外配重来辅助闭门，故以常用平面闸门为例进行分析。该闸门孔口宽度4.0 m，高度9.0 m，设计水头90.43 m；共布置6根主横梁、11根次横梁、1根顶梁、1根底梁、2根边梁；根据主梁的跨度，布置3根纵向隔板，纵向隔板兼作垂直次梁，与主横梁等高，其下翼缘与各主横梁下翼缘内部平齐连接；梁格采用同层等高布置，水平次梁穿过纵向隔板，并支承在纵向隔板上，水平次梁为连续梁，中间水平次梁采用等间距布置，该闸门动水闭门时需要采用配重块配重1 100 kN，平均摆放在6个主梁梁格内。采用有限元软件建立闸门几何模型和有限元模型（见图 7），其中网格划分均采用映射网格，节点数33 419个、单元数33 992个。综合分析配重块对闸门面板结构、主横梁结构、纵梁和边梁等结构的影响，见图8～图13。