魏述和，王 新

(1.凱里學院 建筑工程學院，貴州 凱里 556011；2.南京水利科學研究院，通航建筑物建設技術交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029)

當前，船閘建設正朝著高水頭的方向持續(xù)發(fā)展，也對船閘閥門止水的水密性提出了更高的要求。船閘閥門頂止水初始安裝位置的確定與其安裝變形及受力特性密不可分，直接關系到閥門水封系統(tǒng)的工作可靠性和使用壽命。三峽船閘反弧門頂止水歷次更換中，止水橡皮在閥門全關位置緊貼門楣，擰緊壓板后在螺栓預緊力作用下，止水橡皮在門楣處壓縮變形約2 mm，通過幾年運行發(fā)現(xiàn)，這種初始安裝位置要求對20～30 m的工作水頭是合適的，但對于三峽中間級船閘40 m以上的工作水頭并不合適，止水使用壽命無法達到預期[1]。因此，研究閥門頂止水的安裝變形特性具有重要意義，可為止水初始安裝位置的確定和頂止水變形預測提供依據(jù)。

止水安裝變形研究大多是關于水工鋼閘門。陳五一等[2]采用數(shù)值仿真和模型試驗相結合的方法，對伸縮式水封水密性及封水判斷依據(jù)進行研究，建立基于封頭接觸寬度和接觸應力的判斷依據(jù)，但只適用于特殊形式的伸縮式水封；劉禮華等[3]根據(jù)伸縮式止水的受力特點，設計一種水庫庫壓自行封閉的高壓閘門止水，并結合某大型水電工程進行試驗研究，得出高壓閘門止水水密性的變化規(guī)律和封頭間隙對此的影響；楊斌等[4]采用數(shù)值仿真研究充壓伸縮式水封封頭外伸特性，計算多工況的臨界封水背壓值并與試驗結果對比，認為計算仿真可信度高，可采用仿真計算代替試驗，從而顯著降低試驗成本；張紹春等[5]通過某高水頭弧形閘門伸縮式水封的切片試驗，研究3種不同形式止水的變形及封水性能，認為伸縮式水封中采用軟硬不同的復合斷面性能最佳；王新等[6]研發(fā)止水切片試驗方法，研究了半圓頭型頂止水的變形特性。然而，高水頭船閘普遍采用的反弧門半圓頭型頂止水，與水工鋼閘門的止水形式和工作特性差異很大，其安裝變形特性的相關研究很少。從物理模型與數(shù)學模型的互補性考慮，本文采用試驗與數(shù)值模擬相結合的方法，對高水頭船閘閥門半圓頭型頂止水安裝變形特性進行研究。

1 研究方法

以高水頭船閘反弧門半圓頭型頂止水為研究對象，采用1:1切片試驗和數(shù)值模擬相結合的方法，研究不同安裝扭矩作用下止水的變形輪廓、位移、頭部伸長、接觸寬度等變形特征和按第四強度理論衡量的等效應力分布規(guī)律。

1.1 切片試驗

研發(fā)的模擬反弧門頂止水安裝條件的切片試驗裝置如圖1所示。在閥門寬度方向，按兩個安裝螺栓布置寬度考慮，螺栓間距為120 mm，試驗裝置切片寬度取240 mm，安裝螺栓橫向?qū)ΨQ布置，在裝置側面對應止水安裝的位置布置有機玻璃觀察窗，以便觀測止水的變形。用于試驗的頂止水試件見圖2，取自工程實際使用的止水材料。止水安裝采用自制的扭力扳手，可實時顯示記錄安裝的扭矩值。止水安裝按多個不同扭矩考慮，包括52.6、83.5、114.4、145.4 N·m，變形利用固定相機通過側面有機玻璃觀察窗觀測，然后由計算機處理得到變形輪廓和變形量。

圖1 1:1切片試驗裝置

圖2 頂止水試件

1.2 數(shù)值模擬

切片試驗可以模擬不同安裝荷載作用下止水的變形特性，但無法獲得止水的應力分布，因此，在試驗的基礎上，采用有限元數(shù)值模擬方法重點分析止水的應力特性。止水安裝中涉及壓板、止水、座板、胸墻等，它們之間有接觸約束作用，數(shù)值模擬重點需要解決止水與各結構在邊界上的接觸問題。

令tSc是每個物體接觸的整個面積，L為1和2分別表示物體I和J，則在時刻t給出的虛功原理為：

(1)

對應于時刻t線性化的有限元離散方程是：

(2)

(3)

橡膠止水材料采用Mooney-Rivilin模型，通過對試驗所用的橡膠進行材料力學試驗，獲得其應力-應變曲線如圖3所示，進而擬合得到模型參數(shù)C01=445 722.2、C10=125 362.4，用于數(shù)值計算分析。采用平面應變假定，建立的止水二維模型網(wǎng)格如圖4所示，所有與止水接觸的面都設置接觸條件，采用接觸算法求解。胸墻和座板底部全約束，壓板上表面施加荷載，荷載通過式(4)由安裝扭矩換算得到：

(4)

式中：F為壓緊力；T為扭矩；d為螺栓直徑；Kt為換算系數(shù)。

圖3 止水材料力學試驗曲線

圖4 止水有限元模型

2 結果分析

通過1:1切片試驗和數(shù)值模擬分別得到了安裝扭矩為0、52.6、83.5、114.4和145.4 N·m作用下的變形輪廓、頭部凸起和接觸寬度等安裝變形特征，以及不同安裝荷載作用下止水的應力分布。

2.1 止水安裝變形

2.1.1變形云圖

不同安裝荷載條件下切片試驗和數(shù)值模擬獲得的止水變形結果如圖5所示。左側為試驗照片，右側為計算變形云圖，試驗和數(shù)值模擬結果顯示，止水在逐漸增大的預緊扭矩作用下，壓板擠壓止水壓縮變形，與上壓板接觸的止水上表面豎向壓縮，止水頭部向右伸長，并在傾斜胸墻的約束下，向上凸起；隨著預緊扭矩增大，止水與胸墻接觸愈加緊密，接觸寬度逐漸增大；從變形特性看，試驗和數(shù)值模擬結果吻合較好。

圖5 止水安裝變形試驗和計算結果

2.1.2止水變形量

切片試驗和數(shù)值計算止水頭部變化輪廓對比見圖6，圖中實線為切片試驗變形輪廓線，虛線為數(shù)值模擬得到的輪廓，傾斜細實線為胸墻位置。試驗結果和數(shù)值模擬結果吻合較好，但止水頭部右下部分在各級荷載作用下均出現(xiàn)偏差，其原因是數(shù)值模擬時在止水與胸墻接觸處未產(chǎn)生相對滑動，而試驗過程中觀察到加載時止水與胸墻間產(chǎn)生了小幅度相對滑動。總體來看，數(shù)值模擬結果與試驗結果輪廓線吻合度較好。

圖6 切片試驗和數(shù)值模擬結果對比

荷載逐漸增大，壓板壓緊止水，并且在止水座限制下頭部受到擠壓。止水從與墊板接觸表面向上到與壓板接觸表面位移逐漸增大，半圓形頭部由于受到傾斜胸墻的限制，位移變形小于壓板下部區(qū)域的止水變形，預緊荷載增大時位移分布也是呈現(xiàn)同樣規(guī)律；安裝扭矩52.6 N·m，位移最大值為6.0 mm，出現(xiàn)在與壓板接觸表面的最左側；安裝扭矩為83.5、114.4、145.4 N·m，位移最大值分別為8.9、10.5和13.0 mm，最大值同樣出現(xiàn)在相同位置附近。最小值均出現(xiàn)在與墊板接觸的止水下表面和與胸墻接觸的半圓形頭部位置。

2.1.3止水頭部凸起高度

從螺栓中心、止水上表面為基準，測量止水頭部受門楣約束時的凸起高度。頭部凸起高度變化如圖7所示。未加載時，由于上壓板的自重作用，止水受壓，頭部產(chǎn)生1.17 mm的凸起；逐漸加載，半圓頭型止水頭部向上凸起高度逐漸增大，切片試驗結果顯示，安裝扭矩從52.6 N·m增大到145.4 N·m時，凸起高度從2.41 mm增大到8.47 mm，近似線性變化；數(shù)值模擬表明，同樣加載方式凸起高度從3.27 mm增大到8.97 mm，與試驗結果契合。研究表明，隨著安裝扭矩增大，頭部凸起高度相應增大，變化近似線性。

圖7 止水頭部凸起高度

2.1.4接觸寬度

水密性與止水座板間的接觸寬度密切相關，圖8為止水座上止水橡膠的接觸寬度變化曲線，安裝扭矩增大，接觸寬度相應增大。安裝扭矩施加前，由于上壓板的自重作用，止水受壓，半圓形頭部位置與止水座接觸寬度為11 mm；逐漸加載，頭部與止水座進一步壓緊，接觸寬度繼續(xù)增大，切片試驗結果顯示，安裝扭矩從52.6 N·m增大到145.4 N·m時，接觸寬度從25.2 mm增大到33.2 mm，呈非線性變化趨勢；數(shù)值模擬表明，同樣加載時接觸寬度從14.9 mm增大到24.1 mm，與試驗結果變化規(guī)律相同。試驗與數(shù)值模擬的接觸寬度存在約10 mm的初始誤差，這是由于試驗加載前，上壓板的自重所導致。分析表明，隨著安裝扭矩增大，止水座上橡膠接觸寬度相應增大，呈非線性增大趨勢。

圖8 止水頭部與胸墻接觸寬度

2.2 等效應力

按第四強度理論，不同安裝扭矩作用下止水等效應力的數(shù)值計算結果見圖9。安裝扭矩逐漸錨緊壓板擠壓止水，壓板和墊板之間的止水部分處于相對高的等效應力狀態(tài)，半圓形頭部除了與胸墻接觸的部位外，其余部位未受約束，處于低應力狀態(tài)，逐漸增大安裝扭矩等效應力呈現(xiàn)相同的分布狀態(tài)。52.6 N·m安裝扭矩作用下，最大等效應力出現(xiàn)在止水上表面與壓板接觸的兩側邊緣處，為0.8 MPa左右，屬于應力集中現(xiàn)象，其余大部分區(qū)域等效應力處于0.4 MPa的水平；半圓形頭部處于相對低的等效應力水平，大部分不超過0.2 MPa，而受胸墻止水座約束而受擠壓的部位等效應力顯著增大，但未超過0.5 MPa。隨著安裝扭矩增大到83.5、114.4和145.4N·m，止水最大等效應力分別達到1.5、2.6和3.6 MPa，均出現(xiàn)在壓板角點與止水接觸位置。由加載過程止水應力分布特性看出，壓板、座板與半圓頭接觸區(qū)域的應力梯度較大，加之閥門頻繁啟閉，止水反復變形，該位置最易發(fā)生損壞，與止水實際使用情況相符。

圖9 等效應力云圖(單位：MPa)

3 結論

1)基于力學試驗獲得原型材料參數(shù)和接觸力學計算理論，止水變形數(shù)值模擬結果與1:1切片試驗結果吻合較好，為止水應力、動力等數(shù)值分析奠定基礎。

2)隨著安裝扭矩增大，止水頭部凸起高度近似線性增大；胸墻與止水接觸寬度呈非線性變化，增大速率隨著安裝扭矩增大而遞減。

3)在各級安裝扭矩作用下止水最大等效應力均出現(xiàn)在壓板角點位置，屬于應力集中現(xiàn)象；止水頭部與壓板、座板接觸邊界位置應力梯度最大，是止水最易發(fā)生損壞的部位。

4)本文僅研究了閥門止水的安裝受力變形，水壓作用下的變形規(guī)律及初始狀態(tài)的疊加分析應做進一步研究。