楊 健

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

水工平面鋼閘門止水系統(tǒng)是閘門重要的組成部分,閘門和門槽埋件之間止水布置形式的選擇會(huì)對(duì)閘門應(yīng)力、位移等靜力特性產(chǎn)生較大影響,并直接關(guān)系到止水系統(tǒng)的有效性以及平面鋼閘門在運(yùn)行過程中滲漏水情況及效能,進(jìn)而影響下游施工條件。若因止水布置形式選擇不當(dāng)而引發(fā)止水失效,必然造成閘門漏水、埋件氣蝕破損、縫隙氣穴等問題,甚至導(dǎo)致閘門結(jié)構(gòu)劇烈震動(dòng),阻礙閘門構(gòu)件性能的正常發(fā)揮。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)水工平面鋼閘門止水方式設(shè)計(jì)及優(yōu)化進(jìn)行了研究探討,也取得了豐碩成果,但是有關(guān)平面鋼閘門止水系統(tǒng)布置形式及靜力特性的研究卻少之甚少。水工平面鋼閘門有前止水和后止水兩種布置形式,在具體選擇時(shí)大多憑經(jīng)驗(yàn)而定,缺乏技術(shù)論證。為此,本文以具體水利工程平面鋼閘門為原型進(jìn)行有限元模型構(gòu)建,并對(duì)兩種止水布置形式下閘門靜力特性進(jìn)行比較分析。

1 模型構(gòu)建

三屯河水庫(kù)放水涵洞進(jìn)口潛孔式平面鋼閘門為板梁結(jié)構(gòu),寬4.5 m、高3.6 m,梁格支撐面板包括主橫梁、次梁、邊梁和縱梁等部分。四根主橫梁為工字鋼截面組合梁,由上至下編號(hào)為1#～4#；三根T 形截面組合縱梁由左至右編號(hào)為1#～3#；Ⅱ形截面組合邊梁由左至右依次編號(hào)1#～2#；六根小橫梁均為14 號(hào)工字型鋼,底梁采用14 號(hào)槽鋼,由上至下依次編號(hào)為1#～7#。本文分析所需的S 水庫(kù)放水涵洞進(jìn)口平面鋼閘門構(gòu)件外形尺寸均取自設(shè)計(jì)圖紙。

該水庫(kù)放水涵洞進(jìn)口平面鋼閘門為空間薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其主要構(gòu)件有面板、主次橫梁、縱梁、滑輪等。為充分考慮鋼閘門構(gòu)件運(yùn)行屬性,并保證其靜力特性計(jì)算結(jié)果的精確度,本文進(jìn)行完整空間薄壁結(jié)構(gòu)仿真建模[1],其中鋼閘門滑輪采用Solid45 實(shí)體單元,其余構(gòu)件均采用Shell63 殼單元。

1.1 材料參數(shù)

為使計(jì)算結(jié)果具有可比性,必須采取一致的材料類型、材料參數(shù)、約束條件[2]等,在上下游面對(duì)應(yīng)設(shè)置止水封條。該水庫(kù)放水涵洞進(jìn)口平面鋼閘門采用Q235B 材料,材料彈性模量2.06×105MPa,密度7.8×103kg/m3,泊松比0.3。所構(gòu)建的平面鋼閘門靜力分析模型包括35620 個(gè)單元和32684 個(gè)離散型節(jié)點(diǎn),閘門結(jié)構(gòu)及所承受荷載均左右對(duì)稱分布,結(jié)構(gòu)整體有限元分析模型見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)整體有限元模型

1.2 計(jì)算工況及荷載

考慮到三屯河水庫(kù)底坎高程546.5 m,平面鋼閘門作用水頭取25 m,為確保所構(gòu)建模型的幾何性,假設(shè)模型底部面板中間節(jié)點(diǎn)沿閘門寬度向無位移,鋼閘門主橫梁軸向、鉛垂向及順?biāo)飨蚍謩e為x 向、y 向和z 向。

基于本文所研究的目的,為得到平面鋼閘門靜力特性受不同止水方式影響的程度,應(yīng)分閘門結(jié)構(gòu)自重和靜水壓力兩種荷載。在采用前止水方式下鋼閘門面板為主要的受水壓力面,后止水方式下鋼閘門的面板、頂梁腹板和邊梁腹板等為主要的受水壓力面,具體荷載面見圖2。

圖2 閘門受水壓力作用下的荷載面

2 平面鋼閘門靜力特性分析

2.1 應(yīng)力分析

該水庫(kù)放水涵洞進(jìn)口潛孔式平面鋼閘門左右對(duì)稱,為簡(jiǎn)化分析,僅在其左半部分取樣進(jìn)行應(yīng)力分析。

2.1.1 面板

根據(jù)鋼閘門面板樣點(diǎn)及區(qū)域位置設(shè)置（圖3）,水壓力直接由該鋼閘門面板承受,在前止水和后止水兩種布置形式下,面板樣點(diǎn)應(yīng)力折算值比較圖具體見圖4。根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,后止水布置方式下平面鋼閘門面板折算應(yīng)力最大值出現(xiàn)在2#小橫梁腹板、3#縱梁腹板、面板交點(diǎn)處,取值為89.9 MPa；前止水布置方式下鋼閘門面板折算應(yīng)力最大值出現(xiàn)在2#小橫梁、2#縱梁內(nèi)腹板、面板交界處,取值104.8 MPa。面板樣點(diǎn)應(yīng)力折算值相差不大,其中7 號(hào)樣點(diǎn)上應(yīng)力折算值差值最大,為3.69 MPa,其余樣點(diǎn)應(yīng)力折算值差均在1.77 MPa 以下,充分說明,前止水和后止水兩種布置方式下,邊梁間面板區(qū)域應(yīng)力所受影響較小。但邊梁處（即圖3 中樣點(diǎn)1～4）所分布的面板應(yīng)力相差較大。前止水形式下,區(qū)域1～4 并不直接承受水壓力,區(qū)域1～3 為邊梁內(nèi)腹板和面板連接且小橫梁與邊梁內(nèi)腹板相交的區(qū)域,故面板應(yīng)力較為集中,所得到的最大折算應(yīng)力為104.8 MPa；區(qū)域2 因小橫梁貫穿邊梁腹板,該區(qū)域不存在應(yīng)力集中。后止水方式下,在z 向的面板兩端均承受一定的水壓力,與前止水方式下應(yīng)力集中區(qū)域相對(duì)的地方并不存在應(yīng)力集中,區(qū)域1～4 應(yīng)力最大值僅為68.7 MPa。總之,在后止水布置方式下,面板應(yīng)力分布較前止水方式均勻。

圖3 鋼閘門面板樣點(diǎn)及區(qū)域位置設(shè)置

圖4 面板樣點(diǎn)應(yīng)力折算值比較圖

2.1.2 主橫梁

根據(jù)1#主橫梁樣點(diǎn)及區(qū)域位置設(shè)置（圖5）,后止水布置形式下水壓力直接由1#主橫梁承受,2～4#主橫梁不承力；前止水布置方式下,全部主橫梁均布直接承受水壓力。根據(jù)主橫梁腹板樣點(diǎn)應(yīng)力折算值比較（圖6）結(jié)果,前后止水布置方式下1#主橫梁腹板折算應(yīng)力最大值分別為75.5 MPa 和189.1 MPa；1#主梁5 個(gè)樣點(diǎn)折算應(yīng)力值相差較大,最大差值達(dá)到104.7 MPa。兩種止水布置方式下,從1#主橫梁樣點(diǎn)4到樣點(diǎn)5 的應(yīng)力值均存在大幅度下降趨勢(shì),造成這種現(xiàn)象的主要原因在于樣點(diǎn)5 與吊耳臨近,吊耳處設(shè)置有加強(qiáng)板,導(dǎo)致樣點(diǎn)5 和樣點(diǎn)4 處應(yīng)力值均偏小。后止水布置方式下,主橫梁腹板折算應(yīng)力值比前止水方式大。

圖5 1#主梁取樣點(diǎn)位置設(shè)置

圖6 1#主橫梁腹板樣點(diǎn)應(yīng)力折算值比較圖

2.1.3 縱梁

該水庫(kù)放水涵洞進(jìn)口潛孔式平面鋼閘門縱梁并不直接承受水壓力,模型中1#與3#縱梁對(duì)稱,故僅分析3#縱梁受力情況。縱梁取樣點(diǎn)位置設(shè)置見圖7,縱梁樣點(diǎn)應(yīng)力折算值比較圖見圖8。根據(jù)分析結(jié)果,后止水布置方式下,該水工平面鋼閘門縱梁腹板軸向應(yīng)力最大值31.2 MPa,出現(xiàn)在1#、3#縱梁腹板和6#小橫梁貫穿開孔區(qū)域。前止水布置方式下,縱梁腹板軸線應(yīng)力最大值31.85 MPa,出現(xiàn)在1#、3#縱梁腹板和4#主橫梁上方。后止水布置方式下,2#和3#縱梁腹板樣點(diǎn)1 應(yīng)力值比前止水方式下分別大出2.10 MPa 和7.74 MPa；2#和3#縱梁腹板其余樣點(diǎn)應(yīng)力值差異較小,差值在0.32 MPa～0.09 MPa范圍內(nèi)。

圖7 縱梁取樣點(diǎn)位置設(shè)置

圖8 縱梁樣點(diǎn)應(yīng)力折算值比較圖

兩種止水布置方式下,縱梁腹板正應(yīng)力差別較大的區(qū)域主要在臨近1#主橫梁的區(qū)域,靠近1#主橫梁區(qū)域的縱梁腹板正應(yīng)力在后止水布置方式下較大,主要原因在于后止水方式下1#主橫梁為直接承受水壓力的構(gòu)件,其會(huì)將部分壓力傳遞至縱梁,增大該區(qū)域應(yīng)力值。

2.1.4 邊梁

與前止水方式所不同,后止水方式下平面鋼閘門邊梁腹板直接承受水壓力,1#和2#邊梁對(duì)稱分布,故僅進(jìn)行2#邊梁應(yīng)力情況分析,其區(qū)域位置設(shè)置情況見圖9。根據(jù)分析結(jié)果,兩種止水方式下內(nèi)腹板應(yīng)力分布差異較大的區(qū)域主要為區(qū)域1、3、4。后止水布置方式下,水壓力直接由區(qū)域1、3、4 承受,其應(yīng)力值超出區(qū)域2,最大應(yīng)力達(dá)到125.8 MPa,由于邊梁腹板和輪軸交接處設(shè)置有加強(qiáng)板,故區(qū)域1、3 中心處存在應(yīng)力較小區(qū)域。前止水布置方式下因定輪的存在,邊梁腹板和輪軸交接處的區(qū)域1、3 存在應(yīng)力較大區(qū)域和應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大應(yīng)力值129.5 MPa。區(qū)域4 在后止水布置方式下直接承受水壓力,故應(yīng)力較大。

圖9 邊梁區(qū)域位置設(shè)置情況

不同止水方式下外腹板應(yīng)力差異較大的區(qū)域在區(qū)域6,后止水下該區(qū)域直接承受水壓力,應(yīng)力較為集中,最大應(yīng)力值為107.4 MPa；前止水下該區(qū)域不承受水壓力,最大應(yīng)力僅為12.7 MPa。采用后止水形式時(shí)邊梁腹板區(qū)域1、3、4、6 直接承受水壓力,應(yīng)力值較大,前止水形式下僅區(qū)域1、3 存在小范圍應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2 位移分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果,設(shè)置后止水的情況下該水工平面鋼閘門主橫梁撓度形變量最大為2.58 mm,主要出現(xiàn)在3#縱梁和2#邊梁內(nèi)腹板之間的主橫梁腹板區(qū)域。而前止水方式下,閘門主橫梁撓度形變量最大值為3.21 mm,主要出現(xiàn)在主橫梁跨中部位。設(shè)置前止水的情況下,1#～4#主橫梁撓度形變量呈增大趨勢(shì)；后止水下,1#主橫梁撓度形變量最大,且大于前止水形式下的1#主橫梁撓度形變量最大值,究其原因在于1#主橫梁在該止水方式下直接承受水壓力。設(shè)置后止水的情況下,2#～4#主橫梁撓度形變量也呈增大趨勢(shì),但撓度形變量最大值均比前止水形式下要小?？傊?該水庫(kù)放水涵洞進(jìn)口潛孔式平面鋼閘門設(shè)置后止水的情況下,主橫梁撓度形變情況優(yōu)于前止水。

3 結(jié)論

綜上所述,三屯河水庫(kù)放水涵洞進(jìn)口潛孔式平面鋼閘門采取兩種止水布置方式下各構(gòu)件應(yīng)力均符合規(guī)范要求,但局部區(qū)域存在應(yīng)力過大和集中現(xiàn)象,必須針對(duì)此類區(qū)域采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施。采取后止水方式下,鋼閘門面板及2#～4#主橫梁應(yīng)力分布情況比前止水均勻,且最大應(yīng)力也比前止水方式?。磺爸顾绞较逻吜汉?#主橫梁應(yīng)力分布情況優(yōu)于后止水；后止水布置下2#～4#主橫梁撓度形變量比前止水小。綜合以上分析結(jié)果可知,S 水庫(kù)放水涵洞進(jìn)口潛孔式平面鋼閘門應(yīng)采取后止水布置方式,以使鋼閘門具備較好的應(yīng)力承受能力和抗變形能力。