趙鵬飛 劉鵬鵬 牛文龍

(1.江河機(jī)電裝備工程有限公司， 北京 100070；2.中國電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100024)

?

氣動(dòng)盾形閘門結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙鵬飛1劉鵬鵬2牛文龍1

(1.江河機(jī)電裝備工程有限公司， 北京 100070；2.中國電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100024)

氣動(dòng)盾形閘門作為一種新型水工鋼閘門，在中國已建成多座。在運(yùn)行中由于一些特殊原因，氣動(dòng)閘門會(huì)出現(xiàn)一定的變形，雖未影響正常使用，但在觀賞效果上有一定的影響。本文采用大型通用三維有限元軟件ANSYS Workbench，對(duì)擋水高度為2.5m的松花湖旺起人工濕地氣動(dòng)閘閘門結(jié)構(gòu)建立計(jì)算分析模型，通過理論計(jì)算，結(jié)合實(shí)際情況，分析導(dǎo)致其變形的原因，提出合理的解決方案，實(shí)現(xiàn)閘門的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為今后的氣動(dòng)閘設(shè)計(jì)提供必要參考。

氣動(dòng)盾形閘門； 閘門結(jié)構(gòu)； 三維有限元； 解決方案； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引 言

氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)是中國在引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合鋼閘門及橡膠壩的特點(diǎn)研發(fā)出來的一種大跨度閘門系統(tǒng)，兼有橡膠壩和鋼閘門的優(yōu)點(diǎn)。其主要組成部分有鋼閘門、氣袋、埋件、空氣壓縮系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，通過氣袋的充排氣實(shí)現(xiàn)閘門的升起與倒伏，在設(shè)計(jì)水位內(nèi)可以任意調(diào)整水位，且對(duì)河寬無限制。氣動(dòng)盾形閘門是一種先進(jìn)、高效、節(jié)能、環(huán)保的水利設(shè)施，隨著我國環(huán)保政策的推行及旅游事業(yè)的大力發(fā)展，其必將廣泛應(yīng)用于中國城鎮(zhèn)水環(huán)境治理及開發(fā)建設(shè)中。目前，中國國內(nèi)已建成并安全運(yùn)行的氣動(dòng)閘已多達(dá)十幾座[1]。

氣動(dòng)閘在運(yùn)行中由于一些特殊原因，閘門會(huì)出現(xiàn)一定的變形，雖未影響正常使用，但其作為景觀氣動(dòng)閘壩，在觀賞效果上有一定的影響。雖然中國已有多座氣動(dòng)閘的工程實(shí)例，但尚缺乏系統(tǒng)、完整、準(zhǔn)確的理論計(jì)算體系。目前氣動(dòng)閘常用的平面體系計(jì)算方法是將其簡化分解為若干基本部件，再按平面體系對(duì)每一部件進(jìn)行計(jì)算。然而，氣動(dòng)盾形閘門結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，按平面體系計(jì)算與實(shí)際空間結(jié)構(gòu)特性存在較大的差異。本文擬結(jié)合松花湖旺起人工濕地氣動(dòng)閘工程，通過大型有限元軟件ANSYS Workbench對(duì)閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元應(yīng)力變形計(jì)算，分析閘門的受力變形情況，根據(jù)變形結(jié)果提出較為合理的解決方案，減小閘門的實(shí)際變形量，從而達(dá)到優(yōu)化效果。

2 閘門結(jié)構(gòu)的邊界約束條件及材料模型

2.1 閘門結(jié)構(gòu)的邊界約束條件

對(duì)氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)的閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和有限元分析時(shí)，閘門結(jié)構(gòu)邊界約束條件的設(shè)定至關(guān)重要，對(duì)結(jié)果分析影響較大，而盾形氣動(dòng)閘閘門的支撐型式與傳統(tǒng)的閘門型式有較大區(qū)別，因此要確定合理的邊界約束條件就必須了解氣動(dòng)閘的工作原理[2]。

氣動(dòng)盾形閘系統(tǒng)主要由盾形鋼閘門面板、氣袋、鉸鏈、主錨栓和混凝土基礎(chǔ)等組成，是在剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)的共同作用下，將上游來水荷載最終傳遞給基礎(chǔ)，研究分析氣動(dòng)盾形閘門受力及傳遞路徑，主要有兩條：?鋼閘門面板上游承受水推力作用，該力主要由門后充氣袋承受，然后傳遞給混凝土基礎(chǔ)；?水推力作用下，面板繞閘門底軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過鉸鏈將所受的荷載傳遞給主錨栓，繼而傳遞給混凝土基礎(chǔ)。通過分析氣動(dòng)閘的結(jié)構(gòu)組成及傳力過程，可以確定閘門的邊界約束條件，閘門面板內(nèi)緣受到氣袋的徑向約束，約束面尺寸按照氣袋與門板的實(shí)際接觸面積確定；閘門底部受到鉸鏈蓋板和氣袋的豎向約束。整體結(jié)構(gòu)型式見圖1。

圖1 氣動(dòng)盾形閘結(jié)構(gòu)組成

2.2 閘門結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型

氣動(dòng)盾形閘門的材料選型與普通鋼閘門所用材料沒有大的區(qū)別，在有限元分析中采用各向同性的線彈性模型作為本文閘門結(jié)構(gòu)分析的本構(gòu)模型[3]。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

松花湖旺起人工濕地氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)，閘門擋水寬度30m，擋水高度2.5m，用于洪水期泄洪、非洪水期擋水。底板高程262.50m，閘頂高程265.00m，閘墩墩頂高程265.50m，校核洪水位265.30m。盾形氣動(dòng)閘門橫斷面見圖2。

圖2 氣動(dòng)盾形閘門橫斷面

3.2 閘門材料的計(jì)算參數(shù)

該盾形鋼閘門結(jié)構(gòu)材料為Q345B，彈性模量E=2.1X1011Pa，泊松比ν=0.3，質(zhì)量密度ρ=7850kg/m3。

3.3 有限元模型

閘門與閘門之間是依靠間止封(橡膠件)柔性材

料連接止水的，因此僅需分析計(jì)算完整的一扇閘門即可。閘門板約束邊界條件依據(jù)2.1的論述施加。本文主要采用6面體20節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元總數(shù)為19699，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為31935。模型及單元?jiǎng)澐忠妶D3。

圖3 模型及單元?jiǎng)澐?/p>

3.4 計(jì)算工況及結(jié)果分析

計(jì)算工況：上游采用校核洪水位的靜水頭2.80m，下游無水。

閘門各部件的最大整體位移及最大折算應(yīng)力見圖4～圖9。

圖4 閘門整體位移云圖 (單位：m)

圖5 閘門整體應(yīng)力云圖(單位: pa)

圖6 面板整體位移云圖 (單位：m)

圖7 面板整體應(yīng)力云圖(單位: pa)

圖8 筋板整體位移云圖 (單位：m)

圖9 筋板整體應(yīng)力云圖(單位: pa)

部 件位 移/mm應(yīng) 力/MPa整體發(fā)生部位最大值發(fā)生部位面板81面板頂部兩端631面板底部跨中位置縱向筋板6兩端筋板頂部132筋板外邊緣底部

從表1計(jì)算結(jié)果可以看出，閘門結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在面板頂部兩端位置，最大位移為8.1mm。由于此處距最近筋板650mm，懸臂過長，因此位移較大。最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩端部筋板底部的外邊緣處，其應(yīng)力值為132MPa，小于材料的容許應(yīng)力值，強(qiáng)度滿足要求。

該氣動(dòng)盾形閘在實(shí)際運(yùn)行過程中，門葉面板出現(xiàn)了較大的變形現(xiàn)象，導(dǎo)致閘門頂部過水不均，影響閘壩的景觀效應(yīng)，因此需分析變形原因并提出解決方案。

3.5 閘門變形原因分析及解決方案

計(jì)算結(jié)果分析表明，閘門在水壓力的作用下會(huì)產(chǎn)生一定變形量，但這屬于閘門結(jié)構(gòu)本身無法克服的變形，門葉出現(xiàn)較大變形現(xiàn)象不僅與水壓力有關(guān)，而且是由多種因素共同引起的。分析認(rèn)為主要有五方面的原因：?氣袋無法使閘門門葉兩端底部得到有效的徑向支撐；?原設(shè)計(jì)閘門端部縱向加勁肋板距面板邊緣距離過大；?各閘門氣袋充氣量的誤差導(dǎo)致閘門開度不一致；?測(cè)量閘門開度用的傾斜儀安裝位置不合理；?安裝誤差。

針對(duì)閘門較大變形情況，經(jīng)分析計(jì)算，在閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上提出了以下三種解決方案：

方案一，在面板頂部下游側(cè)安裝方形空心型鋼，長度與單節(jié)門葉寬度相同。

方案二，單節(jié)門葉兩端部各增加一塊加勁肋，距面板邊緣100mm。

方案三，將上述兩種方案綜合考慮。

三種方案的有限元計(jì)算結(jié)果見圖10～圖15。

圖10 方案一閘門位移云圖 (單位：m)

圖11 方案一閘門應(yīng)力云圖(單位: pa)

圖12 方案二閘門位移云圖 (單位：m)

圖13 方案二閘門應(yīng)力云圖(單位: pa)

圖14 方案三閘門位移云圖 (單位：m)

圖15 方案三閘門位移云圖(單位: pa)

部 件變 形原方案方案一增量方案二增量方案三增量閘門整體整體位移/mm81405-50%512-368%25-691%折算應(yīng)力/MPa132140564%137642%1647248%面板整體位移/mm81405-50%512-368%25-691%折算應(yīng)力/MPa631545-136%84634%486-23%縱向加勁板整體位移/mm6375-375%504-16%246-59%折算應(yīng)力/MPa132140564%137642%1647248%

由圖10～圖15及計(jì)算結(jié)果表2可知，更改后閘門整體位移減小，其中方案三中的橫向方形空心型鋼和增設(shè)加勁肋對(duì)閘門整體位移影響最大，位移減小69.1%，其次是方案一變形量減小50%；三個(gè)方案對(duì)閘門整體折算應(yīng)力影響較小，折算應(yīng)力分別增加6.4%、4.2%和24.8%。

4 結(jié) 論

a.閘門在正常承受水壓條件下，門葉結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)類似于“拱形”的變形情況，每節(jié)閘門頂部兩端變形較大，計(jì)算結(jié)果與閘門實(shí)際變形相吻合，這也是閘門本身無法克服的變形。

b.引起氣動(dòng)盾形閘閘門變形的原因很多，主要有閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣袋制造誤差及充氣量不一致、傾斜儀安裝不合理、閘門安裝誤差。

c.針對(duì)閘門的變形情況，提出三種解決方案，三種方案能不同程度地減小閘門的整體變形量，影響最大的方案是在面板頂部增設(shè)橫向方形空心型鋼和在單節(jié)門葉兩端增設(shè)肋板，雖然該方案能較好地減小門葉整體位移，但鑒于閘門已安裝完畢且已蓄水運(yùn)行，無法對(duì)閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大改動(dòng)，因此，采用增設(shè)橫向方形空心型鋼較為合理。

d.三種方案對(duì)閘門整體折算應(yīng)力影響較小，且均在允許應(yīng)力范圍內(nèi)。

e.從有限元計(jì)算結(jié)果和氣動(dòng)閘整體美觀效果來看，在今后的氣動(dòng)閘閘門設(shè)計(jì)時(shí)采用在單節(jié)門葉兩端增設(shè)肋板方案較為合理、美觀。

[1] 王惠萍，周志華，李玉臣.清河氣動(dòng)盾形閘門頂溢流不均問題的分析處理[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2013(3)：48-50.

[2] 張鵬.橡膠壩靜動(dòng)力特性有限元分析[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 胡俊鋒.基于有限元分析的大跨度平面閘門設(shè)計(jì)研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2012(8)：110-111.

Optimized design of pneumatic shield gate structure

ZHAO Pengfei1, LIU Pengpeng2, NIU Wenlong1

(1.JMEEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100070,China;2.PowerChinaBeijingEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100024,China)

Many pneumatic shield gates have been constructed in China as a kind of novel hydraulic steel gates. Pneumatic shield gates may suffer from certain deformation in operation due to some special reasons. Though normal use is not affected, certain influence is produced on the ornamental effect. In the paper, large general 3D finite element software ANSYS Workbench is adopted. Calculation analysis model is established for the pneumatic gate structure of Songhua Lake Wangqi Constructed Wetland with water-retaining height of 2.5m. Practical condition is combined for analyzing deformation causes through theoretical calculation. Reasonable solutions are proposed to achieve the optimal design of the gate, thereby providing necessary reference for pneumatic gate design in the future.

pneumatic shield gate; gate structure; 3D finite element; solution; optimized design

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.01.008

TV663

A

1005-4774(2017)01- 0027- 05