劉麗

（遼寧省水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督中心站，遼寧沈陽 110003）

1 概述

鋼閘門是水利工程中一種典型的金屬結(jié)構(gòu)，起到關(guān)閉、開啟或局部開機(jī)水工建筑物過水口的作用。滾動(dòng)型平面鋼閘門是鋼閘門中常見的一種型式，其閘門門葉支承部分為滾動(dòng)支承。滾動(dòng)支承是裝在門葉邊梁上的輪子，其在門槽軌道上作滾動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)，滾輪支承摩擦阻力小，因此所需的閘門啟門力也小。閘門門葉結(jié)構(gòu)包括面板、主梁、次梁、縱梁、邊梁和滾輪等構(gòu)件，在設(shè)計(jì)制造和安裝前需對鋼閘門主要構(gòu)件的受力特性進(jìn)行計(jì)算分析。

《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中規(guī)定，平面鋼閘門應(yīng)按平面結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，將鋼閘門拆分成單獨(dú)的構(gòu)件，同時(shí)主要構(gòu)件采用桿件、剛架、梁等平面系統(tǒng)和板殼模型進(jìn)行計(jì)算，不能準(zhǔn)確描述各構(gòu)件間的聯(lián)系和鋼閘門空間受力的實(shí)際情況[2]。有限元方法是一種應(yīng)用廣泛且高效實(shí)用的數(shù)值計(jì)算方法，在結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算領(lǐng)域中優(yōu)勢明顯，近年來采用有限元方法對鋼閘門進(jìn)行計(jì)算模擬的研究日漸增多[3-12]，在計(jì)算構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變方面取得一定成果。但目前該領(lǐng)域的研究在對鋼閘門進(jìn)行模擬時(shí)大部分對其進(jìn)行一定簡化，使計(jì)算成果不能完全客觀地體現(xiàn)工程實(shí)際。尤其是在對滾動(dòng)型平面鋼閘門模擬時(shí)，相關(guān)研究為簡化模型將其滾輪結(jié)構(gòu)刪除，同時(shí)將原來滾輪與滑道的線接觸改為邊梁與滑道的面接觸，使得鋼閘門整體的受力情況發(fā)生變化，所得計(jì)算結(jié)果偏于保守，而且在容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的滾輪軸與門葉固定部位未予以考慮。

ANSYS作為一種大型通用的有限元分析軟件，提供廣泛的工程仿真解決方案。在ANSYS 7.0版本開始加入了新一代協(xié)同仿真環(huán)境，在該環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)幾何建模、網(wǎng)格劃分、模型計(jì)算和數(shù)據(jù)處理功能等功能，實(shí)現(xiàn)前后處理和求解計(jì)算的集成，對工程實(shí)際仿真模擬高效便捷。本文以某水利工程滾動(dòng)型平面鋼閘門為例，對其主要構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，并對滾輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)模擬，為鋼閘門的安全檢測和評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

2 幾何建模

滾動(dòng)型平面鋼閘門寬6.210 m、高5.200 m，閘門作用水頭3 m。鋼閘門的梁系結(jié)構(gòu)采用同一層布置，主橫梁采用工字梁形式，前翼板與面板焊接，自下至上依次編號(hào)為1～4號(hào)；橫向次梁采用槽鋼18號(hào)a，自下至上依次編號(hào)為1～6號(hào)；邊梁采用T字梁形式，腹板與面板焊接，豎向次梁自左至右依次編號(hào)為1～7號(hào)；滾輪由于結(jié)構(gòu)模型和受力的對稱性，只對左側(cè)滾輪進(jìn)行研究，自下而上依次編號(hào)1號(hào)、2號(hào)。所建立的三維模型以及滾輪細(xì)部模型如圖1、圖2所示。

3 網(wǎng)格劃分及荷載約束布置

圖1 三維實(shí)體建模

圖2 滾輪細(xì)部模型

通常對鋼閘門仿真分析的單元類型選擇時(shí)有2種：一種是三維片體有限元模型，使用shell63單元體，優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量較小，缺點(diǎn)是無法體現(xiàn)細(xì)節(jié)部分的受力情況；一種是三維實(shí)體有限元模型，使用solid45單元體，優(yōu)點(diǎn)是模型細(xì)節(jié)體現(xiàn)較好，缺點(diǎn)計(jì)算量較大，適合計(jì)算復(fù)雜空間幾何體。為提高分析精度，該閘門仿真分析選擇三維實(shí)體有限元模型，采用solid45單元體。在網(wǎng)格劃分過程中，考慮網(wǎng)格劃分效率，對形體簡單的構(gòu)件使用掃掠網(wǎng)格劃分，對由多個(gè)形體簡單部分組成的構(gòu)件采用多域掃掠型網(wǎng)格劃分，對形體復(fù)雜的構(gòu)件采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分。有限元網(wǎng)格劃分單元數(shù)40 628，節(jié)點(diǎn)數(shù)295 481。

在材料屬性取值上，根據(jù)鋼閘門主要構(gòu)件的材料為Q235A普通低碳鋼，材料彈性模量取E=2.06×1011Pa，泊松比取 μ =0.30，容重取 γ =78.5 kN/m3；滾輪結(jié)構(gòu)采用ZG270-500中碳鑄鋼，材料彈性模量取 E=2.02×1011Pa，泊松比取 μ=0.30，容重取容重取γ=78.5 kN/m3。

荷載約束根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行布置：計(jì)算荷載主要考慮作用于鋼閘門自重和靜水壓力，靜水壓力作用于鋼閘門面板側(cè)；鋼閘門底部受垂向（z方向）約束，鋼閘門因滑道的作用在滾輪與滑道接觸處受水流方向（y方向）的約束。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 強(qiáng)度校核

根據(jù)鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范[1]，鋼材的容許應(yīng)力由鋼材的厚度決定，由于閘門主要構(gòu)件厚度均小于等于16 mm，屬于Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼中第一組，屈服強(qiáng)度[σ]=235 MPa。對于大中型工程的鋼閘門，應(yīng)在原容許應(yīng)力基礎(chǔ)上乘以調(diào)整系數(shù)0.90～0.95，對于該工程取用0.90，所以調(diào)整后的容許應(yīng)力為[σ] ′=0.90×235 MPa=211.5 MPa。滾輪結(jié)構(gòu)采用ZG270-500中碳鑄鋼，屈服強(qiáng)度[σ]=270 MPa。經(jīng)計(jì)算所得的鋼閘門整體受力如圖3所示。

圖3 鋼閘門整體受力云圖

1）面板

由面板背水側(cè)等效應(yīng)力云圖可知，在設(shè)計(jì)水位工況下，面板最大等效應(yīng)力為27.2 MPa，出現(xiàn)在面板背水側(cè)1號(hào)主梁與4號(hào)豎向次梁連接處。面板的最大等效應(yīng)力小于Q235鋼的屈服強(qiáng)度，面板強(qiáng)度滿足要求。

2）主橫梁

由主橫梁等效應(yīng)力云圖可知，在設(shè)計(jì)水位工況下，主橫梁的最大等效應(yīng)力為53.5 MPa，出現(xiàn)在1號(hào)主橫梁后翼緣跨中處。所有主橫梁的最大等效應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，主橫梁強(qiáng)度滿足要求。

3）橫向次梁

由橫向次梁等效應(yīng)力云圖可知，在設(shè)計(jì)水位工況下，橫向次梁的最大等效應(yīng)力為31.1 MPa，出現(xiàn)在1號(hào)橫向次梁前翼緣跨中處。橫向次梁的最大等效應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，橫向次梁強(qiáng)度滿足要求。

4）縱梁

由縱梁等效應(yīng)力云圖可知，在設(shè)計(jì)水位工況下，縱梁的最大等效應(yīng)力為75.1MPa，出現(xiàn)在1號(hào)滾輪滾軸末端與1號(hào)縱梁（邊梁）接觸處?？v梁的最大等效應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，縱梁強(qiáng)度滿足要求。

5）滾輪

由滾輪等效應(yīng)力云圖可知，在設(shè)計(jì)水位工況下，滾輪的最大等效應(yīng)力為75.1 MPa，出現(xiàn)在1號(hào)滾輪滾軸末端與1號(hào)縱梁（邊梁）接觸處。滾輪的最大等效應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，滾輪強(qiáng)度滿足要求。

4.2 剛度校核

對于主橫梁、橫向次梁等受彎構(gòu)件，對總體撓度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行剛度校核。根據(jù)《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》[13]規(guī)定，對于露頂式鋼閘門，橫梁的最大變形與計(jì)算跨度的比值不應(yīng)超過1/600。該閘門主橫梁、橫向次梁計(jì)算跨度分別取5.910 m和6.094 m，可知主橫梁、橫向次梁的最大變形容許值為9.85 mm和10.16 mm。

1）主橫梁

各主橫梁最大變形值如圖4所示。主橫梁的變形量大致從下至上逐步減小，主橫梁最大變形為3.01 mm，小于變形容許值9.85 mm，閘門主橫梁的剛度滿足要求。

圖4 各主橫梁最大變形值

2）橫向次梁

各橫向次梁最大變形值如圖5所示。橫向次梁的變形值從1號(hào)次梁至5號(hào)次梁依次減小，在6號(hào)次梁處出現(xiàn)反向彎曲現(xiàn)象。橫向次梁最大變形為3.29 mm，小于變形容許值10.16 mm，閘門橫向次梁的剛度滿足要求。

圖5 各橫向次梁最大總體撓度值

5 結(jié)語

文中所建立的滾動(dòng)型鋼閘門模型，考慮滾輪支承結(jié)構(gòu)對鋼閘門受力特性的影響，較為真實(shí)地反映鋼閘門實(shí)際的空間受力情況。本文基于ANSYS對滾動(dòng)型平面鋼閘門進(jìn)行三維有限元分析，對鋼閘門主要構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，并對鋼閘門滾輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)模擬。計(jì)算結(jié)果顯示，滾動(dòng)型鋼閘門主要構(gòu)件滿足材料強(qiáng)度、剛度要求，但在滾輪軸與門葉連接部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)和制造過程中應(yīng)予以重視。

結(jié)果表明基于ANSYS三維有限元分析適合對大中型水利工程的鋼閘門進(jìn)行強(qiáng)度、剛度復(fù)核，計(jì)算成果對鋼閘門的設(shè)計(jì)、后期安全評(píng)價(jià)有一定的指導(dǎo)意義。