韓仲凱，張立新，余建偉，陳 偉,劉 明

（1.山東省水利科學(xué)研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟(jì)南 250014；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

FRP矩形空心閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與定型研究

韓仲凱1，張立新1，余建偉2，陳 偉2,劉 明1

（1.山東省水利科學(xué)研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟(jì)南 250014；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

以控制FRP閘門在水荷載下的最大撓度以及體積分?jǐn)?shù)為主要指標(biāo)，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)FRP空心閘門的各項(xiàng)參數(shù)，如面板厚度、腹板厚度、腹板高度以及腹板數(shù)量數(shù)量等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并分析了各參數(shù)的影響效率。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，給出了FRP閘門的撓度設(shè)計(jì)限值，并給出了四種典型規(guī)格的FRP閘門的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，為FRP閘門的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

FRP閘門；參數(shù)優(yōu)化；撓度設(shè)計(jì)限值；典型規(guī)格設(shè)計(jì)

目前我國(guó)現(xiàn)有中小型閘門一般為鋼閘門、鋼筋混凝土和鑄鐵材料制作而成。鋼閘門具有材料強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)受荷明確，施工及養(yǎng)護(hù)易掌握等優(yōu)點(diǎn)，但鋼閘門容易銹蝕，需較頻繁的養(yǎng)護(hù)、檢修。鋼筋混凝土閘門，體積大且笨重，導(dǎo)致啟閉機(jī)的投資增加。鑄鐵閘門受制造工藝影響，孔口尺寸方面受到一定的限制，且材質(zhì)本身極易銹蝕，同時(shí)鑄鐵具有回收利用價(jià)值，所以地處偏僻位置鑄鐵閘門丟失嚴(yán)重。經(jīng)理論研究與實(shí)際試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)充分利用復(fù)合纖維材料輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗老化、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，用來(lái)制作水工閘門，將其在水利行業(yè)中推廣應(yīng)用，將能很好地解決普通閘門在使用中的一系列問(wèn)題。目前對(duì)FRP閘門相關(guān)的研究很少，且大多集中在纖維筋混凝土閘門上，純FRP閘的研究和應(yīng)用尚未發(fā)現(xiàn)。因此在真正應(yīng)用到工程實(shí)踐中之前，有必要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

1 參數(shù)優(yōu)化

筆者在參考鋼閘門設(shè)計(jì)方法后，采用ANSYS有限元軟件對(duì)FRP閘門進(jìn)行建模，并對(duì)FRP閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體參數(shù)主要包括以下 4 項(xiàng)：tf：面板的厚度；n：腹板的數(shù)量；tc：腹板的厚度；H0：腹板的高度，具體參數(shù)見(jiàn)圖1。本研究閘門跨度和高度規(guī)格有幾種，以2300×1800的規(guī)格來(lái)進(jìn)行下列優(yōu)化設(shè)計(jì)。

考察的性能指標(biāo)包括：

圖1 參數(shù)位置圖

1）最大撓度ωmax，該指標(biāo)反映FRP閘門是否滿足正常使用的要求。

2）體積分?jǐn)?shù)，即 V/(A×B)，其中 A 為閘門跨度，B為閘門高度。計(jì)算公式如下：

1.1 面板厚度

先固定其他3個(gè)參數(shù)，腹板的數(shù)量n=10，腹板的厚度tc=5 mm，腹板的高度H0=70 mm，以面板的厚度tf為變量，取值為10 mm、11 mm、12 mm、13 mm、14 mm、15 mm。 面板厚度 tf變化

對(duì)于實(shí)際工程，A×B的值是已經(jīng)給定的，該指標(biāo)反映FRP閘門材料的用量、最終質(zhì)量及造價(jià)。其值越大，表示所用材料越多，造價(jià)越高。

3）影響效率η，增大（減小）某個(gè)參數(shù)的值，會(huì)減小（增大）撓度值，必然會(huì)增大（減?。w積分?jǐn)?shù)，該指標(biāo)反映變化參數(shù)對(duì)FRP箱型閘門影響效率，其值越大，表明變化參數(shù)對(duì)閘門優(yōu)化越顯著。計(jì)算方式見(jiàn)式（2）。對(duì)ωmax的影響較小，由下面的曲線（圖2）可以看出，隨著面板厚度增大，變形減小，但隨厚度增加變形減小的程度有所變緩。在已測(cè)6點(diǎn)處的切線斜率很小，K值最大的為0.395，最小的為0.22，平均值為0.3，即平均面板厚度增加1 mm，最大撓度只能降低0.3 mm。

面板厚度tf變化對(duì)v的影響很大，由公式（1）得出，d v/dtf=2，可以看出v是隨tf線性變化，v=2tf+1.95。由上式可以看出，增加一個(gè)單位tf，能降低0.3個(gè)單位撓度，同時(shí)也會(huì)增加2個(gè)單位體積分?jǐn)?shù)，η=0.15。

圖2 面板厚度的影響

1.2 腹板數(shù)量

固定面板的厚度tf=10mm，腹板的厚度tc=5mm，腹板的高度H0=70 mm，以腹板的數(shù)量n為變量，取值為 6、7、8、9、10、11、12，腹板數(shù)量的影響見(jiàn)圖 3。

圖3 腹板數(shù)量的影響

由圖3可以看出，腹板數(shù)量的影響腹板個(gè)數(shù)n變化對(duì)ωmax的影響是先快后慢，最后幾乎是一條斜率很小的直線。當(dāng)n≤8時(shí)，斜率為1.703；當(dāng)n≥8時(shí)，斜率為 0.119。

腹板的數(shù)量n對(duì)v的影響較小，由公式（1），v=0.19n+20。 當(dāng) n≤8 時(shí)，η=8.96，當(dāng) n≥8時(shí)，η=0.626。

1.3 腹板厚度

固定面板的厚度tf=10 mm，腹板的數(shù)量n=10，腹板的高度H0=70 mm，以腹板的厚度tc為變量，取值為 3 mm，4 mm，5 mm，6 mm，7 mm，8 mm。腹板厚度tc變化對(duì)ωmax的影響較大，由下面的曲線（圖 4）可以看出，?2ω/?t2＜0，隨著腹板厚度的增加，最大撓度減小速度變緩；腹板厚度變化對(duì)v的影響比較大，由公式（1）得出，v=0.39tc+20；腹板厚度變化對(duì)η的影響比較大，η=0.76。

圖4 腹板厚度的影響

1.4 腹板高度

固定面板厚度tf=10 mm，腹板的數(shù)量n=10，腹板的厚度tc=5 mm，以腹板的高度H0為變量，取值為 4 cm，5 cm，6 cm，7 cm，8 cm，9 cm。 由曲線（圖5）可以看出，腹板高度H0變化對(duì)ωmax的影響很大；腹板高度H0變化對(duì)v的影響比較小，由公式（1）得出，v ＝0．23H0＋20；腹板高度 H0變化對(duì)η 的影響比較大，η＝3.57。

圖5 腹板高度的影響

由以上分析可知，在對(duì)FRP閘門進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，保證腹板數(shù)量足夠。只有足夠的腹板數(shù)量，前后面板才能夠協(xié)調(diào)工作。當(dāng)腹板數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，再增大腹板數(shù)量則意義不大。由以上分析可以看出，沿閘門高度每隔300～500 mm設(shè)置一個(gè)腹板比較合適。

2 撓度設(shè)計(jì)和規(guī)格設(shè)計(jì)

2.1 撓度限值設(shè)計(jì)

為便于實(shí)際工程中的應(yīng)用，結(jié)合上述有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)論，并考慮FRP材料的性能，筆者設(shè)計(jì)了4種規(guī)格的FRP中小型閘門，規(guī)格分別為0.5 m×0.5 m （FG-500-500）、1 m×1 m （FG-1000-1000）、1.5 m×0.8 m（FG-1500-800）、2 m×1.5 m（FG-2000-1500）。對(duì)FRP中小型閘門進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的考慮因素即為最大撓度限值。最大撓度與計(jì)算跨度之比，不應(yīng)超過(guò)下列數(shù)值：1）潛孔式工作閘門和事故閘門的主梁1/750；2）露頂式工作閘門和事故閘門的主梁1/600；3）檢修閘門和攔污柵的主梁1/500；4）次梁1/250。

本文設(shè)計(jì)的FRP空心閘門較鋼閘門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其最大撓度限值可對(duì)比露頂式工作閘門主梁，即1/600?？紤]到FRP材料延性較鋼材好，其最大撓度限值可適當(dāng)放寬。通過(guò)ANSYS軟件對(duì)屈曲的模擬以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的初步研究，可認(rèn)為上述4種規(guī)格的FRP閘門在使用過(guò)程中，撓跨比不超過(guò)表2數(shù)值時(shí)，閘門能正常使用。

表2 四種FRP閘門撓跨比

2.2 典型規(guī)格設(shè)計(jì)

結(jié)合上述參數(shù)優(yōu)化分析，并考慮表2中得到的各典型規(guī)格FRP閘門的撓跨比限值，可以對(duì)4種典型規(guī)格的FRP閘門進(jìn)行定型設(shè)計(jì)，確定其參數(shù)選擇范圍。腹板厚度對(duì)閘門性能影響較小，需要最后考慮，一般取5~10 mm。此外，結(jié)合確定的撓跨比限值，通過(guò)有限元計(jì)算可確定面板厚度范圍。綜合上述分析，將選定的4種典型規(guī)格的FRP閘門參數(shù)設(shè)計(jì)要求列表如表3。

表3 四種FRP閘門參數(shù)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)表3給出的設(shè)計(jì)參數(shù)，筆者在山東省魚臺(tái)縣進(jìn)行了一系列FRP閘門現(xiàn)場(chǎng)示范工程，目前為止FRP閘門運(yùn)行良好，且監(jiān)測(cè)所得撓度限值均在給出的限值范圍內(nèi)，表明本文所提及的設(shè)計(jì)理論有著較好的指導(dǎo)價(jià)值。

[1] 秦毅，顧群.全國(guó)病險(xiǎn)水閘成因分析及加固的必要性[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2010,02:25-26+38+55.

（責(zé)任編輯崔春梅）

TV664.1

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1009-6159（2017）-10-0061-03

韓仲凱（1979—），男，工程師

山東省省級(jí)水利科研與技術(shù)推廣項(xiàng)目（SDSLKY201407）