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        基于構(gòu)件協(xié)同工作的平面鋼閘門主梁最優(yōu)梁高研究

        2019-11-26 06:20:20李守義劉計(jì)良
        關(guān)鍵詞:梁高翼緣腹板

        楊 勇, 李守義, 劉計(jì)良, 肖 陽(yáng), 李 浪, 楊 光

        (西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710048)

        1 研究背景

        平面鋼閘門是水利工程中普遍采用的門型之一,常用作檢修門或事故門,其能否安全運(yùn)行就顯得尤為重要[1-3]。主梁是平面鋼閘門的主要受力構(gòu)件,一般根據(jù)閘門跨度和作用水頭來(lái)選擇其形式[3],其形式以簡(jiǎn)支式為主,主梁梁高的選擇也就成為鋼閘門組合梁截面選擇過(guò)程中的關(guān)鍵,因?yàn)檫x擇一個(gè)較優(yōu)的梁高,不僅對(duì)梁的整體穩(wěn)定有利,而且還能減小門槽寬度及鋼材用量等。

        何運(yùn)林[4]結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)原理及規(guī)范,提出了迅速選擇不等翼緣工字鋼梁經(jīng)濟(jì)梁高的公式和圖表;鄭圣義等[5]為改善水工鋼閘門主梁腹板的應(yīng)力分布,減小主梁撓度,提出了一種新型的主梁結(jié)構(gòu)即實(shí)腹式雙拱形主梁;竇國(guó)禎[6]運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃的基本原理,給出了確定鋼閘門主梁經(jīng)濟(jì)梁高的解析圖解法和經(jīng)濟(jì)梁高的新公式;崔麗萍[7]根據(jù)鋼閘門主梁的結(jié)構(gòu)形式及受力條件,推導(dǎo)出了彎曲型與剪切型主梁梁高的計(jì)算公式;張雪才等[8]建立了鋼閘門主梁優(yōu)化模型,利用MATHEMATICA和MATLAB軟件求解,最后給出了對(duì)稱與不對(duì)稱工字形簡(jiǎn)支式鋼梁的最優(yōu)梁高理論計(jì)算公式;王正中等[9]首次提出了雙懸臂式單軸對(duì)稱梁最優(yōu)梁高的理論公式。由此可知,就平面鋼閘門主梁最優(yōu)梁高而言,已有較多研究成果,得到了一系列可直接應(yīng)用到工程中的確定梁高的理論公式,且文獻(xiàn)[8-9]求梁高的公式所需計(jì)算參數(shù)也較容易得到。但目前在平面鋼閘門最優(yōu)梁高的研究中考慮各構(gòu)件空間協(xié)同工作的研究較少。

        本文在以上理論研究的基礎(chǔ)之上,考慮主梁與各構(gòu)件的協(xié)同工作,運(yùn)用三維有限元的方法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[10],得到了平面鋼閘門主梁的最優(yōu)梁高,為平面鋼閘門主梁最優(yōu)梁高的選擇提供參考。

        2 計(jì)算模型

        2.1 計(jì)算參數(shù)

        (1)某工程擋水結(jié)構(gòu)為平面鋼閘門,其整體結(jié)構(gòu)采用Q235B鋼,彈性模量E=206 GPa,重度為γ=78.5 kN/m3,泊松比為0.3;

        (2)平面鋼閘門尺寸為10.4 m×6.2 m,設(shè)計(jì)水頭6 m;面板厚度8 mm;主梁采用變截面梁,其上翼緣寬140 mm、厚20 mm,下翼緣寬340 mm、厚20 mm,腹板厚10 mm;豎直次梁布置3道,其腹板與主梁腹板同高;邊梁上下翼緣厚度均為14 mm,腹板高度由主梁變截面的高度確定。

        2.2 三維有限元模型建立

        (1)本文選用的有限元分析軟件為Ansys軟件;

        (2)坐標(biāo)系設(shè)定:垂直水流方向?yàn)閆軸,向右岸為正;水流方向?yàn)閄軸,向下游為正;沿高度方向?yàn)閅軸,向上為正;

        (3)計(jì)算模型的單元?jiǎng)澐郑焊鳂?gòu)件網(wǎng)格尺寸控制在0.2 m以內(nèi);

        (4)平面鋼閘門的面板、主梁、豎直次梁用殼單元來(lái)模擬,水平次梁用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬;面板與主梁、面板與邊梁相接處采用TARGE170與CONTA174單元來(lái)模擬[11-14]。

        (5)約束處理:邊梁順?biāo)飨?、垂直水流向施加X(jué)向和Z向約束模擬閘門槽的約束;底部施加Y向約束來(lái)模擬底檻對(duì)面板的約束。

        有限元計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖1和2所示。

        圖1 閘門整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

        圖2 主梁結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

        2.3 計(jì)算求解

        (1)計(jì)算工況:正常蓄水位。

        (2)方案設(shè)計(jì):為研究主梁梁高對(duì)其受力性能的影響,定義量綱歸一化的參數(shù)K如下:

        (1)

        依據(jù)定義的公式(1),本文所選梁高尺寸等差遞增,對(duì)應(yīng)的K的取值范圍為[1,1.184],在其區(qū)間內(nèi)選取8種方案,具體如表1所示。

        表1 各計(jì)算方案K的取值

        3 計(jì)算結(jié)果分析

        主梁結(jié)構(gòu)主要承受由面板和豎直次梁傳來(lái)的水荷載,所以受很大的壓力作用,主梁的應(yīng)力分布主要以平面彎曲應(yīng)力為主。由于在與邊梁相接處會(huì)出現(xiàn)小部分應(yīng)力集中,為避免其對(duì)主梁應(yīng)力分析的干擾,故避開(kāi)應(yīng)力集中點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性已滿足規(guī)范要求。因在設(shè)計(jì)時(shí)上、下主梁所受水壓力相等,為方便研究,選下主梁進(jìn)行分析,且該結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況較為復(fù)雜,應(yīng)力大小、方向都在變化,因此本文僅給出關(guān)鍵部位絕對(duì)值最大的正應(yīng)力、切應(yīng)力及Mises應(yīng)力。

        3.1 強(qiáng)度分析

        3.1.1 下主梁上、下翼緣應(yīng)力分析 各方案下主梁上、下翼緣應(yīng)力見(jiàn)表2,下主梁翼緣應(yīng)力隨K值的變化見(jiàn)圖3。

        表2 各方案下主梁上、下翼緣應(yīng)力值 MPa

        由表2和圖3可知,主梁上翼緣受壓,下翼緣受拉,與實(shí)際相符。下翼緣拉應(yīng)力值比上翼緣壓應(yīng)力值大,是由于上翼緣有部分面板來(lái)兼作主梁上翼緣的作用,因此上翼緣壓應(yīng)力值較小。隨著主梁梁高的增大,上翼緣壓應(yīng)力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),由135.73 MPa減小到105.75 MPa,減小22.1%,可見(jiàn)當(dāng)K為1.038時(shí),上翼緣壓應(yīng)力最??;下翼緣拉應(yīng)力也呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),最大為150.37 MPa,最小為135.34 MPa,減小9.99%,最小拉應(yīng)力對(duì)應(yīng)的K值也為1.038。該鋼結(jié)構(gòu)材料可用畸變能密度理論(第四強(qiáng)度理論)來(lái)校核,即為表2中的Mises應(yīng)力值,可看出Mises應(yīng)力能夠滿足容許應(yīng)力。由計(jì)算結(jié)果可以看出,由上下翼緣的強(qiáng)度控制的主梁的最優(yōu)梁高與最小梁高的比值K約為1.038時(shí),能使主梁的上、下翼緣的應(yīng)力降到最低。

        3.1.2 下主梁腹板應(yīng)力分析 各方案下主梁腹板應(yīng)力見(jiàn)表3,下主梁腹板應(yīng)力隨K值的變化見(jiàn)圖4。

        表3 各方案下主梁腹板應(yīng)力值 MPa

        由表3和圖4可知:隨著主梁梁高的增大,腹板正應(yīng)力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),最大為151.68 MPa,最小為145.50 MPa,降幅4.07%,對(duì)應(yīng)K值為1.038左右;腹板切應(yīng)力也呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),最大為96.6 MPa,最小為86.61 MPa,降幅10.35%。由計(jì)算結(jié)果可以看出,由腹板強(qiáng)度控制的主梁的最優(yōu)梁高與最小梁高的比值K也約為1.038左右,與翼緣所得結(jié)果相吻合。

        3.1.3 應(yīng)力與位移云圖 當(dāng)選取K值為1.038時(shí),給出平面鋼閘門主梁的計(jì)算云圖,翼緣應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5,腹板應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。

        圖3下主梁翼緣應(yīng)力隨K值的變化圖 圖4下主梁腹板應(yīng)力隨K值的變化圖

        圖5 下主梁翼緣應(yīng)力云圖(K=1.038)

        圖6 下主梁腹板應(yīng)力云圖(K=1.038)

        3.2 剛度分析

        下主梁的撓度隨K值的變化見(jiàn)圖7,下主梁整體位移云圖見(jiàn)圖8。

        由圖7可知:隨著主梁梁高的增大,主梁撓度呈現(xiàn)出逐漸變小的趨勢(shì),各方案中的最大撓度為7.41 mm,最小撓度為5.63 mm,撓度最小值比最大值減小24%。此規(guī)律符合工程實(shí)際,由于隨著梁高的增大,其截面抵抗矩也隨之增大,抗彎性能隨之增強(qiáng),因而撓度會(huì)隨之減小。單從剛度角度看,各方案計(jì)算的主梁撓度均控制在規(guī)范規(guī)定的最小撓度之內(nèi),均能滿足要求。因此在選取最優(yōu)梁高時(shí)以強(qiáng)度為控制條件。

        3.3 討論

        將文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[8]所得的理論最優(yōu)梁高公式應(yīng)用到該工程實(shí)例中,利用三維有限元的方法建模、求解,針對(duì)主梁的不同組成構(gòu)件(上翼緣、下翼緣和腹板),將三者的最大工作應(yīng)力及撓度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)表4。

        圖7下主梁撓度隨K值的變化圖 圖8下主梁整體位移云圖

        表4 數(shù)值模擬解與文獻(xiàn)[4]、[8]的理論公式解對(duì)比表

        由表4可知,本文的上翼緣壓應(yīng)力比文獻(xiàn)[4]的壓應(yīng)力減小3.09%,下翼緣拉應(yīng)力減小1.71%,腹板切應(yīng)力減小1.38%,本文的梁高比文獻(xiàn)[4]的小5.56%;比較本文與文獻(xiàn)[8]的計(jì)算結(jié)果,本文的上翼緣壓應(yīng)力比文獻(xiàn)[8]的壓應(yīng)力增大1.18%,下翼緣拉應(yīng)力減小20.13%,腹板切應(yīng)力減小12.13%,文獻(xiàn)[8]的梁高較小,但參考規(guī)范給定的Q235鋼的容許應(yīng)力,文獻(xiàn)[8]主梁的某些構(gòu)件的最大工作應(yīng)力超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力;三者的撓度均較小且都滿足規(guī)范要求。

        基于三維有限元的方法進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)理論公式?jīng)]有考慮各構(gòu)件的空間協(xié)同工作這一不足進(jìn)行補(bǔ)充。本文所得的主梁最優(yōu)梁高能使各構(gòu)件的受力性能得到較好的發(fā)揮,既能充分利用材料,又有安全富裕,可作為平面鋼閘門最優(yōu)梁高理論模型的補(bǔ)充。

        4 結(jié) 論

        本文采用三維有限元分析法,研究了平面鋼閘門主梁梁高對(duì)腹板、翼緣等關(guān)鍵部位應(yīng)力和變形的影響,得到以下結(jié)論:

        (1)對(duì)于平面鋼閘門這類受力復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)而言,考慮主梁與其他構(gòu)件的空間協(xié)同工作是有必要的,能更加真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的受力特征。

        (2)最小梁高與經(jīng)濟(jì)梁高之間存在一個(gè)最優(yōu)梁高,該梁高與最小梁高比值約為1.038,與理論公式計(jì)算的最優(yōu)梁高相比,可減小主梁翼緣、腹板等構(gòu)件的應(yīng)力,使各構(gòu)件受力更為合理。

        (3)鋼閘門的主梁是主要的受力構(gòu)件,合理選擇梁高直接關(guān)系到鋼閘門的經(jīng)濟(jì)性及安全性,本文所得的最優(yōu)梁高可為工程設(shè)計(jì)提供參考。

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