李廣一,魏述和,牛文龍,范寶山
(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林長(zhǎng)春130061;2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程試驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春130012;3.江河機(jī)電裝備工程有限公司,北京100070)
高水頭氣動(dòng)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(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林長(zhǎng)春130061;2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程試驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春130012;3.江河機(jī)電裝備工程有限公司,北京100070)
氣動(dòng)盾形閘門是綜合傳統(tǒng)鋼閘門及橡膠壩優(yōu)點(diǎn)的一種新型閘門,在我國(guó)正逐步得到廣泛的應(yīng)用,但我國(guó)針對(duì)高水頭的氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)的研究相對(duì)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(dòng)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(duì)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(jì)算,研究分析高水頭氣動(dòng)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(dòng)盾形閘門系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和定性設(shè)計(jì)提供必要且可靠的理論支撐。
氣動(dòng)盾形閘門;高水頭;有限元計(jì)算;應(yīng)力變形
氣動(dòng)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(dòng)盾形閘門系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化工作已經(jīng)完成[2],而4~6 m氣動(dòng)盾形閘門尚需利用美國(guó)專利技術(shù),我國(guó)缺乏相應(yīng)的理論設(shè)計(jì)體系,設(shè)計(jì)制造的成本費(fèi)用高,因此,本文通過對(duì)典型高水頭氣動(dòng)盾型閘門系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體有限元計(jì)算,深入研究并分析計(jì)算結(jié)果,總結(jié)高水頭氣動(dòng)盾形閘門在實(shí)際運(yùn)行中存在的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全問題。為推動(dòng)高水頭氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的理論支撐,并促進(jìn)了我國(guó)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(dòng)盾形閘門系統(tǒng)為工程實(shí)例,開展高水頭氣動(dòng)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(dòng)盾形閘門系統(tǒng)的整體分析模型,計(jì)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)。
旺起鎮(zhèn)氣動(dòng)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(gè)閘孔,閘孔寬度為20 m,設(shè)計(jì)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(dòng)盾形閘門典型斷面圖見圖1所示。
圖1 氣動(dòng)盾形閘門典型斷面
氣動(dòng)盾形閘門結(jié)構(gòu)系統(tǒng)計(jì)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(shí)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(jiǎn)化。依據(jù)吉林市旺起鎮(zhèn)6 m高水頭氣動(dòng)盾形閘門實(shí)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——?dú)獯?,是采用特殊橡膠材料制作而成的,其計(jì)算參數(shù)通過試驗(yàn)[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(diǎn),氣袋采用線彈性本構(gòu)模型:
(1)通過實(shí)際檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn),氣袋應(yīng)變?cè)?0%以內(nèi);
(2)氣袋材料應(yīng)變小于30%時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似直線變化;
(3)氣動(dòng)盾形閘門有限單元整體模型較復(fù)雜,合理簡(jiǎn)化材料本構(gòu)有助于提高模型整體的計(jì)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(dòng)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(jì)工況時(shí),氣動(dòng)盾形閘門各組件按第四強(qiáng)度理論計(jì)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(duì)稱性,根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中對(duì)稱結(jié)構(gòu)的求解原理,僅計(jì)算完整的一扇閘門對(duì)應(yīng)的閘門段。閘門段橫河向截?cái)噙吔绮捎脤?duì)稱約束條件;順河向上下游截?cái)噙吔绮捎么怪奔s束邊界;其余構(gòu)件按照工程實(shí)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(diǎn)等參單元,單元總數(shù)為70136,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為82270。模型及單元?jiǎng)澐秩鐖D2所示。
圖2 模型及單元?jiǎng)澐?/p>
3.1 計(jì)算工況
采用有限單元模型共計(jì)算三種工況。工況一:上游水深6.0 m(設(shè)計(jì)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(jì)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(wú)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(dòng)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(shí),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(duì)較大位移(包括構(gòu)件剛體位移和轉(zhuǎn)動(dòng))。
圖4 氣動(dòng)閘整體位移云圖
圖4氣動(dòng)閘整體位移云圖說(shuō)明氣動(dòng)閘系統(tǒng)位移趨勢(shì)為:氣袋充氣膨脹,推動(dòng)閘門板繞鉸鏈向上游方向轉(zhuǎn)動(dòng),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(dòng)閘整體等效應(yīng)力云圖
圖5氣動(dòng)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(duì)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(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jì)強(qiáng)度。
表2 氣動(dòng)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(zhǎng)幅度均未超過9.00%。
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(dòng)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(jì)強(qiáng)度;氣袋等效應(yīng)力為8.7 MPa左右,對(duì)應(yīng)的應(yīng)變均小于9.0%,遠(yuǎn)低于氣袋材料試驗(yàn)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(duì)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(shí)際中這種變形趨勢(shì)會(huì)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(duì)典型高水頭氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算分析,將高水頭氣動(dòng)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(dòng)盾形閘門各部件在實(shí)際運(yùn)行中的應(yīng)力變形分布情況,為今后高水頭氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和定型設(shè)計(jì)提供了可靠的理論借鑒。
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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(jí)工程師,從事水力學(xué)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算分析、河道生態(tài)水力學(xué)研究工作。