曹晨星，趙春龍，翟 超，李 崗

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

水利水電工程中機(jī)組進(jìn)水口快速閘門(mén)是水輪發(fā)電機(jī)組的重要保護(hù)設(shè)備，要求其在機(jī)組出現(xiàn)事故時(shí)能夠快速下落截?cái)嗨鱗1]?？焖匍l門(mén)屬于事故閘門(mén)的一種，具有設(shè)計(jì)水頭高，孔口尺寸和引用流量大，過(guò)閘流速快的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大，閘門(mén)的閉門(mén)方式、支承型式、底緣結(jié)構(gòu)等仍然是設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題[2]。快速閘門(mén)需具備快速動(dòng)水閉門(mén)的工作條件，就要求其在下落過(guò)程中克服支承摩阻力、水封摩阻力、底緣上托力等反向作用力，在較高水頭條件下僅利用閘門(mén)自重通常是無(wú)法閉門(mén)的，增加配重以及降低閉門(mén)摩阻力是提高閉門(mén)可靠性的主要方法。中國(guó)常用水柱配重的方式[3]，利用水柱配重的快速閘門(mén)受力狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，同時(shí)承受正、側(cè)、頂三向荷載，傳統(tǒng)的平面簡(jiǎn)化體系難以準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，基于有限單元法原理的有限元計(jì)算軟件得到了很大的普及，空間有限元法能夠?qū)﹂l門(mén)靜動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行精確計(jì)算，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的合理性。

本文以某水電站工程2～5號(hào)機(jī)組進(jìn)水口的快速閘門(mén)設(shè)計(jì)為例，對(duì)高水頭，大孔口快速閘門(mén)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法進(jìn)行研究分析，旨在確定一種布置優(yōu)化合理，結(jié)構(gòu)安全可靠的快速閘門(mén)設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

某水電站工程裝機(jī)容量2 200 MW，含4臺(tái)單機(jī)容量520 MW和1臺(tái)單機(jī)容量120 MW的水輪發(fā)電機(jī)組。樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、右岸3孔溢洪道和1條泄洪放空洞、右岸引水系統(tǒng)及地下發(fā)電廠房組成。其中引水發(fā)電系統(tǒng)機(jī)組進(jìn)水口設(shè)置5孔分別對(duì)應(yīng)5臺(tái)機(jī)組，1號(hào)機(jī)組孔口尺寸為3.7 m×4.3 m(寬×高)，2～5號(hào)機(jī)組孔口尺寸為7.5 m×9 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭55 m，水容重10.0 kN/m3,每孔均設(shè)置1扇快速閘門(mén)，用于在機(jī)組發(fā)生事故時(shí)快速截?cái)嗨?，保護(hù)機(jī)組，要求閉門(mén)時(shí)間≤2.5 min。

每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口從上游至下游依次設(shè)置主副攔污柵、分層取水疊梁門(mén)、檢修閘門(mén)以及快速閘門(mén),如圖1所示?？焖匍l門(mén)采用平面焊接鋼閘門(mén)，啟閉設(shè)備選用快速液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)通過(guò)拉桿連接至門(mén)頂充水閥，動(dòng)水閉門(mén)，充水平壓后啟門(mén)。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸收縮，將閘門(mén)提至距孔口以上0.5～1.0 m位置處，發(fā)生事故需要閉門(mén)時(shí)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸伸長(zhǎng)，關(guān)閉閘門(mén)。圖2為該閘門(mén)最終確定方案的三維設(shè)計(jì)模型。

2 閘門(mén)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 閘門(mén)結(jié)構(gòu)布置

剛度控制下的實(shí)腹式主梁最小梁高[4]:

(1)

公式(1)中： [σ]為材料容許應(yīng)力值，MPa；L為主梁跨度，取8.3 m；E為材料彈性模量,取206 GPa； [ω/L]為主梁允許最大相對(duì)撓度，取1/750。

將各項(xiàng)數(shù)值代入公式(1)得最小梁高為1 414 mm?？紤]到主反支承空間、水封配合，同時(shí)在滿足閘門(mén)本身經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的各項(xiàng)要求下，最終確定閘門(mén)梁高1 580 mm。以每節(jié)門(mén)葉等載布置為原則，考慮到運(yùn)輸條件，將閘門(mén)分為2.85、3.05、3.3 m共3節(jié)，門(mén)體總高9.2 m?？紤]到底節(jié)門(mén)葉底緣有上下游傾角要求，底節(jié)門(mén)葉選用箱型主梁，由于水壓力較大，中、頂節(jié)門(mén)葉均設(shè)計(jì)成三主梁結(jié)構(gòu)。閘門(mén)在動(dòng)水工況下利用水柱壓力閉門(mén)，水柱壓力作用于頂節(jié)上主梁腹板。

2.2 支承型式的比選

閘門(mén)支承型式的選擇關(guān)系著閘門(mén)運(yùn)行可靠性、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)容量以及閘門(mén)結(jié)構(gòu)布置等，是快速閘門(mén)設(shè)計(jì)過(guò)程中重要的研究對(duì)象。根據(jù)NB 35055-2015《水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)設(shè)計(jì)規(guī)范)，閘門(mén)閉門(mén)力計(jì)算公式：

Fw=nT(Tzd+Tzs)-nGG+Pt

(2)

持住力計(jì)算公式：

(3)

啟門(mén)力計(jì)算公式：

(4)

閘門(mén)常用滑道滑動(dòng)支承和滑動(dòng)軸承滾輪支承，根據(jù)公式(2)、(3)、(4)對(duì)兩種支承型式按全利用于水柱計(jì)算閘門(mén)的啟閉力、持住力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 啟閉力、持住力計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算啟閉力時(shí)，考慮到該閘門(mén)水頭較高，該工程河流水質(zhì)特點(diǎn)及已建工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[5]，摩擦系數(shù)考慮了一定的安全裕度，復(fù)合材料滑道對(duì)不銹鋼的摩擦系數(shù)取0.15(偏保守)，如表1所示，在全利用水柱狀態(tài)下,閘門(mén)計(jì)算閉門(mén)力與水柱理論加重大小相當(dāng)，故無(wú)法確保閘門(mén)利用水柱能夠完全關(guān)閉。綜合考慮，認(rèn)為采用自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承滾輪支承的閘門(mén)在動(dòng)水閉門(mén)工況下有著較高的可靠性，同時(shí)采用部分水柱的形式一定程度上降低了啟閉機(jī)容量。

2.3 閘門(mén)底緣設(shè)計(jì)

快速閘門(mén)需要在動(dòng)水中滿足閉門(mén)要求，其底緣的結(jié)構(gòu)形式影響著水流流態(tài)和啟閉機(jī)容量。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)試驗(yàn)研究，對(duì)于部分利用水柱壓力的平面閘門(mén)，其上游傾角應(yīng)不小于45°，60°傾角繞流條件優(yōu)于52.5°和45°的情況，故上游傾角以60°為宜，在無(wú)補(bǔ)氣措施的情況下，下傾角不小于30°[6]。結(jié)合底節(jié)主次梁布置，該閘門(mén)底緣設(shè)計(jì)如圖3所示，入水角約60°，出水角43°，底止水位于位于距面板560 mm處。

3 閘門(mén)結(jié)構(gòu)有限元分析

閘門(mén)結(jié)構(gòu)屬于一種復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)有必要考慮其空間效應(yīng)，簡(jiǎn)單的平面簡(jiǎn)化梁系模型難以反映門(mén)葉整體結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，也無(wú)法反應(yīng)開(kāi)孔等局部構(gòu)造引起的應(yīng)力分布不均，同時(shí)平面體系法是對(duì)逐個(gè)構(gòu)件獨(dú)立完成的，即默認(rèn)了閘門(mén)各部件間的變形協(xié)調(diào)永遠(yuǎn)一致，這與閘門(mén)的實(shí)際狀況不相符[7-8]。故有必要采用三維有限元分析法對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行深入研究。

3.1 有限元模型

本閘門(mén)從初步設(shè)計(jì)到施工設(shè)計(jì)均采用了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，對(duì)已有的閘門(mén)三維模型在盡量保持與設(shè)計(jì)圖紙一致性的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)作一定的簡(jiǎn)化，將簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行“降維”處理，如圖4所示，將三維閘門(mén)實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為二維曲面模型,根據(jù)閘門(mén)各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)型式及受力特點(diǎn)，閘門(mén)的面板、主梁以及邊梁等板殼結(jié)構(gòu)離散為SHELL181殼單元，主輪、輪軸等機(jī)械部件離散為SOLID185實(shí)體單元。網(wǎng)格尺寸整體控制為50 mm×50 mm，模型共分為471 375個(gè)單元，237 367個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中殼單元177 499個(gè)，實(shí)體單元293 876個(gè)。簡(jiǎn)化后的模型質(zhì)量106.5 t，不包含水封、反滑塊以及側(cè)輪等構(gòu)件質(zhì)量，有限元模型如圖5所示。X為垂直水流方向，指向右岸，Y為順?biāo)鞣较颍赶蛳掠?，Z為豎直方向，向上為正。

3.2 材料及參數(shù)

閘門(mén)主要構(gòu)件材料Q355C,主輪與輪軸材料分別為35CrMo、40Cr，調(diào)質(zhì)處理。3種材料的彈性模量均取E=2.06×105MPa,泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

3.3 荷載及工況

根據(jù)運(yùn)行要求，閘門(mén)動(dòng)水閉門(mén)與擋水水頭均為55 m，計(jì)算閘門(mén)閉門(mén)與擋水兩種工況下結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力學(xué)特性。閉門(mén)過(guò)程中，閘門(mén)在閉門(mén)瞬間，即閘門(mén)底部與底檻剛接觸但未產(chǎn)生相互作用力時(shí)，閘門(mén)所承受水柱壓力最大，水頭最高，故閉門(mén)工況按該處荷載狀態(tài)計(jì)算。

(1) 工況1：閉門(mén)工況

荷載組合：上游靜水壓力(水頭55 m)+邊梁內(nèi)腹板靜水壓力(水頭55 m)+底止水下游側(cè)下吸力+頂節(jié)上主梁腹板水柱壓力+閉門(mén)摩阻力+閘門(mén)自重。

(2) 工況2：擋水工況

荷載組合：上游靜水壓力(水頭55 m)+邊梁內(nèi)腹板靜水壓力(水頭55 m)+頂節(jié)上主梁腹板水柱壓力+閘門(mén)自重。

閉門(mén)摩阻力包含滾輪摩阻力Tzd=1 759.2 kN，水封摩阻力Tzs=456.6 kN ，方向均為Z正向。上游靜水壓力沿Y正向，邊梁內(nèi)腹板靜水壓力沿X向，兩邊壓力方向均從外部指向閘門(mén)對(duì)稱(chēng)中心。平均下吸力強(qiáng)度取PS=20.0 kN/m2,方向?yàn)閆負(fù)向，水柱壓力方向沿Z負(fù)向。水壓力均按照水頭大小、封水寬度及高度，以梯形分布施加于作用對(duì)象。

3.4 邊界條件

工況1：吊耳孔施加Z向約束，定輪與主軌接觸處施加Y向約束，對(duì)稱(chēng)中心施加X(jué)向約束。

工況2：閘門(mén)底部施加Z向約束，定輪與主軌接觸處施加Y向約束，對(duì)稱(chēng)中心施加X(jué)向約束。

3.5 靜力特性分析

如圖6、8所示，兩種工況下閘門(mén)節(jié)點(diǎn)最大總位移分別為8.6、8.5 mm,均位于閘門(mén)底部跨中處。如圖7所示，工況1主梁順?biāo)飨蜃畲蠊?jié)點(diǎn)位移7.2 mm，位于底節(jié)下主梁跨中，如圖9所示，工況2主梁順?biāo)飨蜃畲蠊?jié)點(diǎn)位移7.5 mm，位于頂節(jié)上主梁跨中。兩種工況下閘門(mén)最大Von Mises等效應(yīng)力分別為238.6、242.8 MPa，均位于頂節(jié)上主梁腹板與加強(qiáng)肋相交部位，雖然相比較規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力225 MPa稍大，但從云圖來(lái)看，此應(yīng)力分布范圍極小，屬于局部應(yīng)力集中效應(yīng)，且該處大部分未超過(guò)許用應(yīng)力值，故安全。表2、3為閘門(mén)在兩種工況下主要構(gòu)件最大等效應(yīng)力值、順?biāo)鞣较蜃畲笪灰浦??？傮w而言，閘門(mén)主要構(gòu)件的等效應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果均在容許值范圍之內(nèi)，滿足要求。

表2 各構(gòu)件節(jié)點(diǎn)順?biāo)飨蛭灰谱畲笾到Y(jié)果

表3 各構(gòu)件等效應(yīng)力最大值結(jié)果

3.6 特征值屈曲分析

對(duì)閉門(mén)和擋水兩種工況下閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性特征值屈曲分析，得到一階屈曲模態(tài)穩(wěn)定安全系數(shù)分別為10.3和10.2，均表現(xiàn)為閘門(mén)頂節(jié)主梁腹板局部屈曲，表明閘門(mén)最有可能發(fā)生主梁腹板局部失穩(wěn)，而非整體失穩(wěn)，且穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備高，則穩(wěn)定性并非閘門(mén)結(jié)構(gòu)安全的主要控制因素。

3.7 閘門(mén)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

水流作用力是誘發(fā)閘門(mén)振動(dòng)的外因，而閘門(mén)自身動(dòng)力特性則是影響其振動(dòng)強(qiáng)度的內(nèi)因[9]，通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)固有頻率與振型可以對(duì)閘門(mén)振動(dòng)破壞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行初步評(píng)估。利用有限元分析法，分別計(jì)算出兩種工況下閘門(mén)固有頻率及其振型，結(jié)果見(jiàn)表4。圖10、11分別為閉門(mén)工況和擋水工況前4階振型圖。平板鋼閘門(mén)整體剛度較大，整體固有頻率較高，工況1基頻34.2 Hz,表現(xiàn)為水流向彈性振動(dòng)同時(shí)伴有整體豎向振動(dòng)，工況2基頻45.6 Hz，表現(xiàn)為上部水流向彈性振動(dòng)，閘門(mén)在擋水工況下的固有頻率總體較閉門(mén)工況高。考慮水體附加質(zhì)量后，盡管閘門(mén)在水中的固有頻率會(huì)有所降低，但水流的脈動(dòng)頻率一般在10 Hz以下[10-11]，故閘門(mén)發(fā)生共振的可能性較底。

表4 閘門(mén)“干模態(tài)”前6階固有頻率計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 滑道滑動(dòng)支承具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，造價(jià)低，軌道受力均勻等優(yōu)點(diǎn)，是一般閘門(mén)的首選支承型式。但對(duì)于水頭較高、水質(zhì)條件對(duì)于滑塊摩擦系數(shù)影響不明確的快速閘門(mén)，筆者認(rèn)為優(yōu)先選擇自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承滾輪支承的型式。

(2) 在能保證足夠的水柱壓力閉門(mén)情況下，優(yōu)先選擇部分利用水柱的底緣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以降低啟閉機(jī)容量。對(duì)于較高水頭，有試驗(yàn)條件，宜通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)確定上下游傾角、啟閉力及持住力。

(3) 根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，閘門(mén)最大等效應(yīng)力位于頂節(jié)上主梁腹板與加強(qiáng)肋的相交處，此處主梁腹板除受正、橫向水壓外，還直接承受豎直方向水柱壓力，有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該處增設(shè)加強(qiáng)肋的必要性。此外，底節(jié)主梁后翼緣過(guò)人孔處也有著較高的應(yīng)力值，該處以水平面內(nèi)彎矩引起的拉應(yīng)力為主，在條件允許情況下，建議過(guò)人孔宜靠近邊梁低彎矩區(qū)域，同時(shí)有必要沿孔內(nèi)一周設(shè)置加強(qiáng)筋板，降低局部應(yīng)力。

(4) 特征值屈曲計(jì)算表明該閘門(mén)結(jié)構(gòu)有著較高的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并非閘門(mén)安全的主要控制因素。

(5) 閘門(mén)固有頻率計(jì)算表明該閘門(mén)整體剛度較大，固有頻率較高，主要表現(xiàn)為整體水流向彈性振動(dòng)和吊耳板橫向彈性振動(dòng)，閘門(mén)發(fā)生共振可能性較底。