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        高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)整體有限元仿真分析

        2017-05-06 03:46:27李廣一魏述和牛文龍范寶山
        水電站機(jī)電技術(shù) 2017年4期
        關(guān)鍵詞:氣袋錨栓閘門

        李廣一,魏述和,牛文龍,范寶山

        (1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,吉林長春130061;2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程試驗室,吉林長春130012;3.江河機(jī)電裝備工程有限公司,北京100070)

        高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)整體有限元仿真分析

        李廣一1,魏述和2,牛文龍3,范寶山1

        (1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,吉林長春130061;2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程試驗室,吉林長春130012;3.江河機(jī)電裝備工程有限公司,北京100070)

        氣動盾形閘門是綜合傳統(tǒng)鋼閘門及橡膠壩優(yōu)點的一種新型閘門,在我國正逐步得到廣泛的應(yīng)用,但我國針對高水頭的氣動盾形閘門系統(tǒng)的研究相對較少,尚未形成完整的理論體系。本文以旺起鎮(zhèn)6×20 m的高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)為典型案例,建立鋼門板-氣袋-主錨栓-水工混凝土基礎(chǔ)的整體有限元模型,對門體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、氣袋受力(安全)、主錨栓應(yīng)力狀態(tài)、水工基礎(chǔ)進(jìn)行有限元計算,研究分析高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的應(yīng)力變形分布情況,為今后高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和定性設(shè)計提供必要且可靠的理論支撐。

        氣動盾形閘門;高水頭;有限元計算;應(yīng)力變形

        0 引言

        氣動盾形閘門屬于大跨度水工閘門[1],目前擋水高度為0.5~4.0 m低水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的國產(chǎn)化工作已經(jīng)完成[2],而4~6 m氣動盾形閘門尚需利用美國專利技術(shù),我國缺乏相應(yīng)的理論設(shè)計體系,設(shè)計制造的成本費用高,因此,本文通過對典型高水頭氣動盾型閘門系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體有限元計算,深入研究并分析計算結(jié)果,總結(jié)高水頭氣動盾形閘門在實際運行中存在的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全問題。為推動高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的國產(chǎn)化和優(yōu)化設(shè)計提供必要的理論支撐,并促進(jìn)了我國新型水閘技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

        本文以旺起鎮(zhèn)擋水高度6 m的氣動盾形閘門系統(tǒng)為工程實例,開展高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的研究,借助大型有限元通用程序ADINA,建立氣動盾形閘門系統(tǒng)的整體分析模型,計算各種擋水工況下,閘門面板,氣袋、鉸鏈、錨固系統(tǒng)、混凝土基礎(chǔ)的變形和應(yīng)力響應(yīng)。

        1 工程概況

        旺起鎮(zhèn)氣動盾形閘門位于松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地,該水閘設(shè)置單個閘孔,閘孔寬度為20 m,設(shè)計擋水高度為6 m,校核洪水位265.3 m,用于洪水期泄洪,非洪水期擋水。底板高程257.00 m,閘頂高程263.00 m,閘墩墩頂高程265.00 m。氣動盾形閘門典型斷面圖見圖1所示。

        圖1 氣動盾形閘門典型斷面

        2 鋼閘門-氣袋-主錨栓-基礎(chǔ)混凝土有限單元模型建立

        氣動盾形閘門結(jié)構(gòu)系統(tǒng)計算分析存在諸多困難[3]:大位移大變形問題、材料非線性問題、接觸問題等。所以,為實現(xiàn)有限元整體模型的建立與分析,必須抓住主要矛盾,合理進(jìn)行簡化。依據(jù)吉林市旺起鎮(zhèn)6 m高水頭氣動盾形閘門實際尺寸,在ADINA程序中賦予模型部件相應(yīng)的幾何尺寸:包括閘門面板、氣袋、夾鑄具、錨栓、鉸鏈和基礎(chǔ)混凝土等。

        2.1 材料本構(gòu)關(guān)系選用

        鋼門板、夾鑄具、主錨栓和混凝土采用線彈性材料模型。模型分析中的關(guān)鍵部件——氣袋,是采用特殊橡膠材料制作而成的,其計算參數(shù)通過試驗[4]獲得。通過分析發(fā)現(xiàn),材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線在應(yīng)變30%以內(nèi)近直線變化。綜合考慮以下三點,氣袋采用線彈性本構(gòu)模型:

        (1)通過實際檢測分析發(fā)現(xiàn),氣袋應(yīng)變在10%以內(nèi);

        (2)氣袋材料應(yīng)變小于30%時應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似直線變化;

        (3)氣動盾形閘門有限單元整體模型較復(fù)雜,合理簡化材料本構(gòu)有助于提高模型整體的計算精度。

        故氣袋本構(gòu)關(guān)系采用線彈性模型,抑制帶和鉸鏈材料參數(shù)同氣袋材料參數(shù)。表1列出了各種材料參數(shù)。

        表1 氣動閘門整體有限元模型材料本構(gòu)參數(shù)

        2.2 荷載及邊界條件

        有限元分析主要是模擬自重條件下,上游擋水水頭6.0 m及其他的超設(shè)計工況時,氣動盾形閘門各組件按第四強(qiáng)度理論計算的等效應(yīng)力、位移分布及極值分析。

        由于閘門橫河向存在對稱性,根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中對稱結(jié)構(gòu)的求解原理,僅計算完整的一扇閘門對應(yīng)的閘門段。閘門段橫河向截斷邊界采用對稱約束條件;順河向上下游截斷邊界采用垂直約束邊界;其余構(gòu)件按照工程實際情況施加荷載和邊界條件。

        2.3 模型單元和網(wǎng)格劃分

        模型劃分全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,主要采用8節(jié)點等參單元,單元總數(shù)為70136,節(jié)點總數(shù)為82270。模型及單元劃分如圖2所示。

        圖2 模型及單元劃分

        3 計算工況與結(jié)果分析

        3.1 計算工況

        采用有限單元模型共計算三種工況。工況一:上游水深6.0 m(設(shè)計水頭)、氣袋采用直經(jīng)直緯四布五膠材料;工況二:上游水深6.0 m(設(shè)計水頭)、氣袋采用斜經(jīng)斜緯四布五膠材料;工況三:上游水深6.5 m(最高過流水頭)、氣袋采用直經(jīng)直緯四布五膠材料。三種工況下游均無水,幾何條件、邊界條件、網(wǎng)格劃分和重力都相同,氣袋充氣壓力均為0.2 MPa。

        3.2 結(jié)果分析

        本文僅列出工況一的變形和按第四強(qiáng)度理論換算的等效應(yīng)力云圖。

        圖3 氣動閘整體變形圖注:放大5倍,1為初始位置,2為變形位置)

        圖3顯示,在氣袋充氣壓力為0.2 MPa時,氣袋膨脹,閘門被頂起擋水,抑制帶拉緊。氣袋、抑制帶和閘門板發(fā)生相對較大位移(包括構(gòu)件剛體位移和轉(zhuǎn)動)。

        圖4 氣動閘整體位移云圖

        圖4氣動閘整體位移云圖說明氣動閘系統(tǒng)位移趨勢為:氣袋充氣膨脹,推動閘門板繞鉸鏈向上游方向轉(zhuǎn)動,抑制帶被拉緊,最大位移出現(xiàn)在閘門板頂部,大小為120.2 mm。此外,圖4中圓形標(biāo)注部位的混凝土產(chǎn)生了向下游和豎直向上的變形。

        圖5 氣動閘整體等效應(yīng)力云圖

        圖5氣動閘整體等效應(yīng)力云圖表明,氣袋、抑制帶、錨栓和基礎(chǔ)混凝土等效應(yīng)力水平不高,而閘門板等效應(yīng)力水平相對較高,最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在閘門板加勁肋上,其值為110.5 MPa,但遠(yuǎn)小于其鋼材的設(shè)計強(qiáng)度。圖5中圓形標(biāo)注區(qū)的混凝土出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,但相對于混凝土承載力較小。

        圖6 錨固系統(tǒng)變形云圖

        圖6錨固系統(tǒng)變形云圖顯示,夾鑄具下游側(cè)位移較大,上游側(cè)和主錨栓位移相對較小,錨固系統(tǒng)位移總體而言變形較??;位移最大值出現(xiàn)在夾鑄具下游側(cè)與鉸鏈接觸的端部,其值為0.12 mm。

        圖7 錨固系統(tǒng)等效應(yīng)力云圖

        圖7錨固系統(tǒng)等效應(yīng)力云圖顯示,錨固系統(tǒng)(包括夾鑄具和主錨栓等)大部分區(qū)域等效應(yīng)力小于5.0MPa,相對高等效應(yīng)力區(qū)是基礎(chǔ)混凝土的主錨栓部分,最大值為19.5 MPa,遠(yuǎn)小于主錨栓的設(shè)計強(qiáng)度。

        表2 氣動盾形閘門位移及等效應(yīng)力表

        從表2可以看出,相比于工況一,工況二將氣袋材料由直經(jīng)直緯四布五膠改為斜經(jīng)斜緯四布五膠材料,其彈性模量增大,閘門板、氣袋和錨固系統(tǒng)的位移變小,其值減小幅度分別為19.88%、17.09%、8.33%;而等效應(yīng)力降低幅度不大,其中錨固系統(tǒng)降低幅度最大,但未超過7.00%。相比于工況一,工況三擋水高度由6.0 m增加為6.5 m,閘門板和氣袋位移變大,增大幅度分別為7.07%和9.36%,錨固系統(tǒng)位移變化可忽略,而等效應(yīng)力增長幅度均未超過9.00%。

        4 結(jié)論

        基于所建立的鋼門板-氣袋-主錨栓-基礎(chǔ)混凝土整體有限元模型,以旺起鎮(zhèn)氣動盾形閘門為工程原型,進(jìn)行了不同氣袋材料、擋水壓力等多種工況的有限元數(shù)值模擬,研究得到以下結(jié)論:

        (1)閘門板最大等效應(yīng)力都出現(xiàn)在加勁肋上,位置在門板1/3高程處,大小在110 MPa左右,遠(yuǎn)小于鋼材的設(shè)計強(qiáng)度;氣袋等效應(yīng)力為8.7 MPa左右,對應(yīng)的應(yīng)變均小于9.0%,遠(yuǎn)低于氣袋材料試驗中30%~35%的“彈性極限”狀態(tài);

        (2)混凝土基礎(chǔ)位移變形較小,絕大部分區(qū)域小于0.02 mm。氣袋根部處的混凝土在氣袋擠壓力作用下,產(chǎn)生向下游和豎直向上的變形;由于變坡,抑制帶壓板上游變坡處的混凝土出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,等效應(yīng)力出現(xiàn)相對較大值,最大值為2.5 MPa左右,考慮混凝土處于受壓狀態(tài),且氣袋根部處有鋼埋件的設(shè)置,實際中這種變形趨勢會削弱。在施工中應(yīng)注意混凝土的施工工藝,保證該處的混凝土質(zhì)量。

        (3)在各種工況下,鋼門板應(yīng)力和位移的安全系數(shù)均在3.0左右,滿足正常使用和極限承載要求。

        通過對典型高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的有限元計算分析,將高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的研究上升至理論分析階段,從根本上掌握了高水頭氣動盾形閘門各部件在實際運行中的應(yīng)力變形分布情況,為今后高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和定型設(shè)計提供了可靠的理論借鑒。

        [1]于鋒.氣動盾形閘門系統(tǒng)[J].中國水利,2008(22):70.

        [2]胡榮金,劉振.氣動盾形閘門系統(tǒng)在前湖水綜合整治工程中的應(yīng)用[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報,2015,34(6):34-36.

        [3]冀振亞,高國柱,孫云峰.氣動盾形閘門系統(tǒng)力學(xué)模型的建立與分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2013,11:50-53.

        [4]陳爾凡.高水頭橡膠壩體材料技術(shù)及性能研究總結(jié)報告[R],沈陽化大高分子材料研發(fā)中心有限公司,2016.12.

        TV663

        A

        1672-5387(2017)04-0039-04

        10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.011

        2017-02-22

        李廣一(1983-),男,高級工程師,從事水力學(xué)模型試驗、數(shù)值模擬計算分析、河道生態(tài)水力學(xué)研究工作。

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