劉 浩，袁 偉，師小小，馬建軍

（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 130021）

1 概述

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，是一座以防洪、航運(yùn)、發(fā)電、水資源配置為主，結(jié)合灌溉等綜合利用的大型Ⅰ等水利樞紐工程。大藤峽黔江船閘級(jí)別為Ⅰ級(jí)，船閘設(shè)計(jì)年貨運(yùn)量下行為3.952×107t，上行為1.530×107t，船閘設(shè)計(jì)最大通航船舶噸級(jí)為3 000 t，船隊(duì)噸級(jí)為2×2 000 t。船閘正常蓄水位為61.0 m，上游最高通航水位61.0 m，上游最低通航水位44.0 m，上閘首檻頂高程38.2 m，上閘首檻上水深5.8 m，下閘首檻頂高程14.95 m，下閘首檻上水深5.8 m，下游最高通航水位41.24 m，下游最低通航水位20.75 m，下游檢修水位29.50 m。

大藤峽水利樞紐工程船閘屬于特大型閘門(mén)，下閘首人字工作閘門(mén)的技術(shù)指標(biāo)已超過(guò)世界上已建船閘的人字閘門(mén)，在總體布置、結(jié)構(gòu)型式、制造工藝等諸方面技術(shù)復(fù)雜，無(wú)直接經(jīng)驗(yàn)可循。因此，為了保證閘門(mén)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和合理性，保證大藤峽水利樞紐的安全、運(yùn)行，對(duì)船閘疲勞問(wèn)題展開(kāi)科學(xué)研究，分析船閘疲勞破壞的機(jī)理和性質(zhì)。

2 研究?jī)?nèi)容

大藤峽水利樞紐工程船閘下閘首人字閘門(mén)疲勞專題研究的核心是疲勞分析，圖1為人字閘門(mén)疲勞分析的流程：

1）首先對(duì)人字閘門(mén)進(jìn)行有限元計(jì)算；

2）將有限元計(jì)算的結(jié)果文件導(dǎo)入到疲勞分析軟件中，確定疲勞分析初始條件，包括分析的類型（節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變），單位的選取等節(jié)點(diǎn)其他信息；

3）疲勞分析定義，包括疲勞載荷譜的定義與施加、定義材料屬性、定義算法等；

4）定義疲勞分析條件并進(jìn)行疲勞分析，計(jì)算完成后，對(duì)疲勞結(jié)果文件進(jìn)行后處理，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析解讀。

圖1 疲勞分析流程

大藤峽水利樞紐工程船閘下閘首人字閘門(mén)疲勞主要包括：不同工況下的閘門(mén)受力數(shù)值模擬研究；研究不同工況下閘門(mén)的載荷變化情況，進(jìn)行疲勞分析計(jì)算。

3 疲勞計(jì)算

3.1 有限元模型前處理

閘門(mén)結(jié)構(gòu)有限元分析采用國(guó)際通用的有限元程序ANSYS，人字門(mén)有限元分析選取一個(gè)由板單元、梁?jiǎn)卧?、三維體單元在空間聯(lián)結(jié)而成的組合有限元模型。單元的劃分基本上按閘門(mén)結(jié)構(gòu)布置上的特點(diǎn)采用自然離散的方式，將面板、主橫梁、縱梁、次梁、隔板及各種加筋板等構(gòu)件離散為8結(jié)點(diǎn)二次板殼單元，啟閉推力桿和背拉桿離散為梁?jiǎn)卧?，底樞、頂樞、門(mén)軸柱、斜接柱背拉桿的節(jié)點(diǎn)板離散為三維體單元。圖2為人字門(mén)的網(wǎng)格模型的局部顯示，共生成1.086×106個(gè)單元。

閘門(mén)主體材料為Q390GJD鋼，材料參數(shù)：彈性模量 E=206 000 MPa，質(zhì)量密度 ρ=7.85×10-9t/mm3，泊松比 μ=0.3；應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。利用材料的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合Coffin-Manson壽命預(yù)測(cè)公式，得到材料應(yīng)力應(yīng)變和壽命的關(guān)系，最終擬合出Q390GJD的應(yīng)變疲勞壽命曲線，如圖4所示。

圖2 人字門(mén)局部網(wǎng)格模型

圖3 Q390GJD的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 擬合的Q390GJD應(yīng)變疲勞壽命曲線

3.2 工況分析

在下閘首人字閘門(mén)的單個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，人字閘門(mén)所受載荷隨不同的運(yùn)行工況而變化。閘門(mén)從開(kāi)始關(guān)門(mén)到關(guān)門(mén)結(jié)束，從開(kāi)始開(kāi)門(mén)到開(kāi)門(mén)結(jié)束，此兩個(gè)過(guò)程變化的載荷為壅水壓力，其從零逐漸增大到最大0.2 m的水頭，然后逐漸減小至零。

閘門(mén)關(guān)門(mén)擋水進(jìn)行充泄水，此過(guò)程閘門(mén)承受不斷變化的水壓力。充水時(shí)，閘門(mén)水壓力從零逐漸增大到40.25 m的水頭；泄水時(shí)，閘門(mén)水壓力從40.25 m的水頭逐漸減小到零。閘門(mén)單個(gè)運(yùn)行周期的載荷隨時(shí)間的變化歷程如圖5所示。

圖5 船閘單個(gè)運(yùn)行周期荷載的時(shí)間變化歷程

閘門(mén)在單個(gè)運(yùn)行周期包括閘門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)和充泄水兩個(gè)過(guò)程，形成了幾種受力工況：1）開(kāi)門(mén)位置工況，閘門(mén)計(jì)算荷載為閘門(mén)構(gòu)件自重與背拉桿預(yù)應(yīng)力；2）關(guān)門(mén)運(yùn)行工況，閘門(mén)計(jì)算荷載為閘門(mén)構(gòu)件自重、風(fēng)壓、壅水壓力與背拉桿預(yù)應(yīng)力；3）開(kāi)門(mén)運(yùn)行工況，閘門(mén)計(jì)算荷載為閘門(mén)構(gòu)件自重、風(fēng)壓、壅水壓力與背拉桿預(yù)應(yīng)力；4）關(guān)門(mén)位置工況，閘門(mén)計(jì)算荷載為閘門(mén)構(gòu)件自重與背拉桿預(yù)應(yīng)力；5）關(guān)門(mén)擋水工況，閘門(mén)計(jì)算荷載為閘門(mén)構(gòu)件自重、水壓力與背拉桿預(yù)應(yīng)力。

4 結(jié)果分析

圖6—圖10為充泄水過(guò)程人字閘門(mén)門(mén)體的疲勞壽命云圖。圖11—圖12為開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中人字閘門(mén)門(mén)體的疲勞壽命云圖。

如圖6所示，門(mén)體的低疲勞壽命區(qū)域集中在門(mén)葉中下部區(qū)域，門(mén)葉的迎水側(cè)由背拉桿作用而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，逐漸向由水壓力作用而產(chǎn)生的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變，因此應(yīng)力變化幅度較為明顯，疲勞壽命較低。從主梁16到主梁26之間的門(mén)葉區(qū)域疲勞壽命最低達(dá)到7.6×105次，滿足設(shè)計(jì)疲勞壽命。

如圖7所示，主梁20到主梁30之間的門(mén)軸柱與推力隔板的連接區(qū)域低疲勞壽命分布較為明顯，主梁10和主梁23腹板的變厚度區(qū)域有一定的疲勞損傷，疲勞壽命在1×107次以上，滿足設(shè)計(jì)疲勞壽命。

由圖8可知，人字門(mén)主梁腹板的最低壽命為1.422×105次，為主梁27腹板，低于設(shè)計(jì)疲勞壽命。

如圖9所示，底樞與主梁30腹板的連接部分外沿的最低壽命在7×105次以上，滿足設(shè)計(jì)疲勞要求。主梁30后翼與豎向隔板1、豎向隔板2后翼的連接區(qū)域有一定的疲勞損傷，最低壽命在4.11×105次以上，接近設(shè)計(jì)疲勞壽命。

如圖10所示，斜接柱與主梁30腹板的連接部分的最低壽命在2.52×105次，低于設(shè)計(jì)疲勞壽命。

圖6 充泄水過(guò)程門(mén)體上游側(cè)疲勞壽命云圖

圖7 充泄水過(guò)程門(mén)體下游側(cè)疲勞壽命云圖

圖8 充泄水過(guò)程主梁腹板疲勞壽命云圖

圖9 充泄水過(guò)程門(mén)軸柱底部附近區(qū)域的疲勞壽命云圖

圖10 充泄水過(guò)程斜接柱底部區(qū)域的疲勞壽命云圖

如圖11所示，底樞與主梁30腹板的連接部位外沿的疲勞損傷較為明顯，疲勞壽命在4.713×105以上，但是此部位與充泄水工況下的損傷進(jìn)行疊加后得到的壽命為2.876×105，低于設(shè)計(jì)疲勞壽命。主梁30后翼與豎向隔板1后翼的連接區(qū)域有一定的疲勞損傷，疲勞壽命約在2.32×106以上，與充泄水工況下的損傷進(jìn)行疊加后得到的壽命為3.491×106，滿足設(shè)計(jì)疲勞壽命。主梁29與30之間，與端板連接的后筋板有一定的疲勞損傷，疲勞壽命約在8.042×105以上，與充泄水工況下的損傷進(jìn)行疊加后得到的壽命滿足設(shè)計(jì)疲勞壽命。豎向隔板1前翼緣與主梁30前翼緣的連接部位存在較為明顯的損傷，疲勞壽命約在4.713×105以上，與充泄水工況下的損傷進(jìn)行疊加后得到的壽命接近設(shè)計(jì)疲勞壽命。

圖11 開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程下游側(cè)門(mén)軸柱和底樞附近的疲勞壽命云圖

圖12 開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程上游側(cè)門(mén)軸柱和底樞附近的疲勞壽命云圖

5 結(jié)論及建議

通過(guò)疲勞分析表明，門(mén)體底樞附近的主梁腹板及前后翼，易發(fā)生疲勞破壞。因此需要重點(diǎn)對(duì)上述部位進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

大藤峽船閘設(shè)計(jì)中采用的鋼板比較厚，采用普通鋼材時(shí)韌性、塑性較低，此時(shí)應(yīng)采用有低溫沖擊韌性要求的鋼材，中厚板推薦采用鋼材Q390GJD、DH40。建議適當(dāng)增大結(jié)構(gòu)截面尺寸，增加過(guò)渡圓角，添加加強(qiáng)筋以此降低應(yīng)力值，進(jìn)而降低疲勞損傷。采用合理的焊接工藝方法，保證焊后消除殘余應(yīng)力，并進(jìn)行表面光潔度處理。通過(guò)上述從材料、設(shè)計(jì)、加工等方面進(jìn)行全方面控制，最終可以有效提高人字門(mén)的疲勞壽命。