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)。
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?。┠硞€(gè)參數(shù)的值,會(huì)減?。ㄔ龃螅隙戎担厝粫?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。
2.1 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ANSYS軟件對(duì)屈曲的模擬以及現(xiàn)場試驗(yàn)的初步研究,可認(rèn)為上述4種規(guī)格的FRP閘門在使用過程中,撓跨比不超過表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)場示范工程,目前為止FRP閘門運(yùn)行良好,且監(jiān)測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)
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B
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)