郭昆偉

【摘 要】文章筆者以工程案例為依據(jù)，對(duì)鋼閘門面板進(jìn)行了計(jì)算比較，提出了一個(gè)更好的設(shè)計(jì)方法，可供參考。

【關(guān)鍵詞】鋼閘門；面板設(shè)計(jì)；計(jì)算；比較

1.計(jì)算方法比選

1.1面板按平面體系計(jì)算

平面體系設(shè)計(jì)不是把閘門看成一個(gè)整體，而是把面板和梁?jiǎn)为?dú)分開(kāi)來(lái)設(shè)計(jì)，大致有如下方法：巴赫（Bach）公式，它是根據(jù)小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)成果再輔以簡(jiǎn)單的理論分析（材料力學(xué)方法）得到的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式；德意志聯(lián)邦共和國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的方法和我國(guó)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL74-95）（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）制定的方法。前兩種設(shè)計(jì)方法把面板看成彈性薄板，而沒(méi)有考慮面板在產(chǎn)生較大變形后已進(jìn)入了彈塑性階段，這時(shí)再運(yùn)用彈性薄板理論就不太適宜了?！兑?guī)范》考慮到面板進(jìn)入彈塑性階段的強(qiáng)度儲(chǔ)備，適當(dāng)?shù)靥岣吡瞬牧系娜菰S力來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

1.1.1巴赫（Bach）公式

式中p為面板中心的平均水壓力強(qiáng)度（kg/cm2）；φ為板邊緣固定系數(shù)，對(duì)固定得很牢的邊緣φ=0.75，對(duì)自由放置的邊緣φ=1.0；D為面板的厚度（cm）。

1.1.2德意志聯(lián)邦共和國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的方法

按彈性薄板計(jì)算由水壓力所引起的局部彎曲應(yīng)力公式

式中p為面板中心的平均水壓力強(qiáng)度（kg/cm2）；k為系數(shù)，根據(jù)面板邊緣支承條件而不同，查相應(yīng)的表。

1.1.3《規(guī)范》制定的方法

面板的局部彎曲應(yīng)力

式中p為面板計(jì)算區(qū)格中心的水壓力強(qiáng)度（kg/cm2）；a為面板計(jì)算區(qū)格的短邊長(zhǎng)度（cm），由面板與梁格的連接焊縫算起；δ為面板厚度（cm）；k為彈性薄板支承邊中點(diǎn)的彎曲應(yīng)力系數(shù)，可查《規(guī)范》中表G1-G3。在初選面板厚度時(shí)，可按下式計(jì)算：

式中k為一般應(yīng)取長(zhǎng)邊中點(diǎn)的值；a為彈塑性調(diào)整系數(shù)，當(dāng)?3 時(shí)，取a=1.4；當(dāng)≤3時(shí)，取a=1.5。當(dāng)面板參與梁的翼緣工作時(shí)，驗(yàn)算面板強(qiáng)度應(yīng)將面板按局部彎曲求得的應(yīng)力σmx、σmy與作為梁的翼緣板求得的應(yīng)力σ0x（σ0y）相迭加，迭加后的折算應(yīng)力σzh應(yīng)滿足下列條件。

1.1.4實(shí)例設(shè)計(jì)比較

（1）不考慮面板參與梁的翼緣工作。

某電站進(jìn)水口閘門的設(shè)計(jì)水頭是40m，采用Q235鋼，拉、壓、彎應(yīng)力[σ]=160MPa，建筑物的重要性系數(shù)為1.0。根據(jù)閘門的布置，取一區(qū)格。面板區(qū)格的短邊長(zhǎng)度a=50cm，長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度b=80cm。

在滿足強(qiáng)度要求的條件下，初步選擇面板的厚度。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1面板厚度比較表

（2）考慮面板參與梁的翼緣工作。

巴赫（Bach）公式對(duì)面板參與梁的翼緣寬度沒(méi)有給出明確的概念；德意志聯(lián)邦共和國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的方法對(duì)面板參與梁的翼緣的有效寬度是根據(jù)梁的間距、跨度及彎矩圖形等通過(guò)查曲線確定的，準(zhǔn)確性較差?！兑?guī)范》制定的方法對(duì)面板參與梁格的有效寬度有詳細(xì)的計(jì)算公式，本實(shí)例采用《規(guī)范》制定的方法來(lái)計(jì)算面板和梁的應(yīng)力。

閘門支承跨度4.65m，止水中心至底板高度4.6m，側(cè)止水中心跨度（即止水寬度）3.6m，平均設(shè)計(jì)水頭H設(shè)=32.70m，平均校核水頭H設(shè)=35.50m，根據(jù)運(yùn)行的條件，閘門的動(dòng)載系數(shù)為1.1，總水壓力為P=5957kN，平均水壓強(qiáng)p=359.7kPa。根據(jù)閘門的布置采用《規(guī)范》制定的方法初選面板厚度 為14mm，次橫梁選擇工字鋼I25a，主橫梁選擇工字形焊接件，翼緣為250mm×14mm，腹板采用858Mm×14mm，應(yīng)力比較見(jiàn)表2。

表2應(yīng)力比較表

1.1.5分析比較

從上述計(jì)算可知，巴赫（Bach）公式，形式簡(jiǎn)單，但它是半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，給不出面板內(nèi)應(yīng)力分布的圖形，對(duì)面板在閘門結(jié)構(gòu)中的作用、參與梁格的狀態(tài)和潛力，以及面板的強(qiáng)度條件等均沒(méi)有一個(gè)明確的概念；德意志聯(lián)邦共和國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的方法則是根據(jù)彈性薄板理論得到的，沒(méi)有考慮面板較大變形后進(jìn)入彈塑性階段的強(qiáng)度增長(zhǎng)，故計(jì)算出的面板厚度較大。同時(shí)該方法對(duì)面板參與梁的翼緣的有效寬度是根據(jù)梁的間距、跨度及彎矩圖形等通過(guò)查曲線來(lái)確定的，計(jì)算出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差些；《規(guī)范》制定的方法考慮了面板進(jìn)入彈塑性階段后的強(qiáng)度儲(chǔ)備，可以給出面板內(nèi)應(yīng)力分布的圖形，對(duì)面板參與梁格的有效寬度有詳細(xì)的計(jì)算公式。通過(guò)實(shí)例計(jì)算可以看出考慮面板參與橫梁作用，在面板的厚度不增加的情況下，面板的應(yīng)力是滿足要求的，同時(shí)考慮面板參與主、次梁作用時(shí)梁的最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力要比不考慮面板參與主、次梁作用時(shí)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力要小?！兑?guī)范》制定的方法比較符合面板的工作狀態(tài)，與前兩種設(shè)計(jì)方法相比較，它具有較高可靠性和較經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

1.2面板按空間體系計(jì)算

閘門結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)比較復(fù)雜的空間體系，可以采用有限元法來(lái)分析。國(guó)內(nèi)外較多使用電子計(jì)算機(jī)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論進(jìn)行閘門選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中有代表性的商品化的大型通用結(jié)構(gòu)分析軟件有Nastran、Sap等以及我國(guó)自行研制的Jigfex，Hajif、Feps等。這些軟件有豐富的單元庫(kù)、材料庫(kù)和荷載、邊界條件的處理能力、多種分析功能、解題規(guī)模大、計(jì)算效率高，能適應(yīng)廣泛的工程領(lǐng)域。盡管有限元方法有許多優(yōu)越之處，但目前還不能作為閘門結(jié)構(gòu)分析的主要手段，一般只用作校核和研究之用，這是因?yàn)橛邢拊治鲋写嬖谙铝袉?wèn)題：數(shù)據(jù)的前后處理工作量大；邊界和應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力計(jì)算精度較低；計(jì)算精度的預(yù)測(cè)和評(píng)估較困難；熟練地掌握程序使用，用戶需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

1.3兩種體系計(jì)算結(jié)果的比較

某電站裝機(jī)容量400MW，大壩溢洪道設(shè)有3扇12m×18m-23.15m（寬×高-水頭）潛孔平面定輪閘門，總水壓力31700kN。橫梁與面板及下翼緣構(gòu)成的一個(gè)箱形截面的組合梁，面板板厚14mm，主橫梁腹板板厚20mm，邊梁腹板板厚20mm，縱隔板腹板板厚14mm，主梁、邊梁和縱隔板翼緣厚度均為25mm，閘門結(jié)構(gòu)的材質(zhì)均為Q345（原16Mn），a[σ]=230MPa。按有限元法和平面體系中《規(guī)范》制定的方法計(jì)算應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表3。

表3閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比

1.4數(shù)據(jù)的分析比較

有限元法是采用國(guó)際著名的大型通用有限元軟件“SuperSAP”進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。根據(jù)該平板閘門的具體特點(diǎn)，將閘門劃分為2026個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1750，每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度，去掉約束后的方程總數(shù)是10469個(gè)。平面體系計(jì)算方法是采用《規(guī)范》制定的方法，考慮面板參與梁的翼緣工作。面板強(qiáng)度是將面板按局部彎曲求得的應(yīng)力與作為梁的翼緣板求得的應(yīng)力相迭加，迭加后的折算應(yīng)力小于容許應(yīng)力。從表3的數(shù)據(jù)分析來(lái)看，兩種計(jì)算方法得到的最大應(yīng)力雖然所處的位置不同，但均小于材料的容許應(yīng)力，均滿足強(qiáng)度條件。盡管平面體系的計(jì)算結(jié)果與三維空間有限元的計(jì)算結(jié)果在數(shù)值和局部應(yīng)力狀態(tài)上有差別，但面板、翼緣的最大應(yīng)力都是在中部，兩邊的應(yīng)力較小，呈現(xiàn)兩邊小中間大的規(guī)律。對(duì)于空間效果不強(qiáng)或結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的閘門，它們的計(jì)算結(jié)果會(huì)比較接近，特別是平面體系方法的計(jì)算工作量小。所以平面體系計(jì)算方法仍然是水工鋼閘門設(shè)計(jì)中目前最為簡(jiǎn)單有效的手段之一。根據(jù)《規(guī)范》的說(shuō)明，空間體系和平面體系的計(jì)算結(jié)果相差10%～15%。這說(shuō)明平面鋼閘門利用《規(guī)范》制定的方法進(jìn)行平面鋼閘門面板的設(shè)計(jì)具有安全、可靠、簡(jiǎn)便和實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。

2.結(jié)論

運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行面板設(shè)計(jì)，需要處理的數(shù)據(jù)較多，對(duì)閘門來(lái)說(shuō)方法過(guò)于繁瑣。面板按平面體系進(jìn)行計(jì)算的幾種方法均較簡(jiǎn)便、快速。

【參考文獻(xiàn)】

[1]SL74-95，水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]DL/T5039-95，水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范[S].