龍朝暉，王小慧，劉天德

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

露頂式弧形閘門液壓啟閉機中間鉸支承有兩種型式，一種是鉸支座預埋在閘墩邊墻內(nèi)，另一種是受邊墩高度限制鉸支座安裝在閘頂表面。溪洛渡大壩表孔液壓啟閉機鉸支承采用第一種型式，應用傳統(tǒng)力學方法計算支鉸結(jié)構(gòu)，因力學模型的簡化使計算存在較大的誤差與困難，較難全面反映支鉸結(jié)構(gòu)受力情況，故采用三維有限元方法對該支鉸的結(jié)構(gòu)強度進行驗算分析。

2 閘門及啟閉機布置

溪洛渡大壩壩頂中部設置7個表孔，工作閘門為露頂式弧形閘門，孔口尺寸為12.5m×14.4m(寬×高)，底止水高程為586.155m，壩頂高程為610.00m。閘門采用2×1 000kN懸掛式(油缸中部支承)液壓啟閉機操作，其布置見圖1。

3 支鉸結(jié)構(gòu)設計

油缸支鉸設計為十字鉸型式(見圖2)。支鉸由內(nèi)、外鋼筒與外伸支架組成，內(nèi)外鋼筒軸線(X向)與外伸支架的C處油缸軸承座孔的軸線(Z向)為空間垂直關(guān)系。其中，外鋼筒通過與預埋插筋焊接等形

圖1 大壩表孔液壓啟閉機閘門布置

式鑲嵌于混凝土中，與水工結(jié)構(gòu)成一整體受力部件；內(nèi)鋼筒通過AB兩個軸套安裝于外鋼筒內(nèi)部，可繞垂直水流方向軸線旋轉(zhuǎn)，以適應油缸在順水流平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動；外伸支架與內(nèi)鋼筒焊接，C處設置與內(nèi)外鋼筒軸線互相垂直的油缸軸承座孔，以適應啟閉機與閘門的安裝誤差引起的側(cè)向擺動及閘門啟閉過程中的側(cè)向振動。

4 支鉸結(jié)構(gòu)強度有限元驗算

4.1 工況分析

從啟閉機與閘門的工作特點可知，在啟門瞬間、

圖2 支鉸結(jié)構(gòu)型式與受力簡圖

啟門過程、閉門過程、閉門瞬間的工況循環(huán)中，支鉸在啟門瞬間受力最大，故將啟門瞬間工況作為該支鉸結(jié)構(gòu)強度校核的計算工況。在結(jié)構(gòu)強度計算中，相對于啟閉荷載，結(jié)構(gòu)自重的影響極小，支鉸為軸對稱結(jié)構(gòu)(外伸支架與內(nèi)鋼筒繞軸線轉(zhuǎn)動)，因此可認為支鉸的安裝位置與角度不影響支鉸結(jié)構(gòu)自身的強度計算。

4.2 強度理論與允許應力

支鉸應力分布為三向應力狀態(tài)，在常溫、靜載受力狀況下，金屬材料應按第四強度理論驗算結(jié)構(gòu)強度。第四強度理論為：

其中σ1、σ2、σ3為計算點的三個主應力，[σ]為 允許應力。

按DL/T5013-95《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》，構(gòu)件允許應力見表1。

表1 構(gòu)件允許應力

注：[σcd]為腹板局部承壓應力。

4.3 荷載計算

液壓啟閉機在啟閉閘門時，油缸傳遞到支鉸的載荷主要為沿油缸軸向的拉力P，以及克服內(nèi)外鋼筒之間滑動摩擦所需的附加轉(zhuǎn)矩M。為安全計，支鉸承受的拉力P需在理論啟閉力F的基礎上考慮動載效應，采用1.1的動載系數(shù)，即P=1 000×1.1=1 100(kN)，計算出內(nèi)鋼筒支承軸套AB兩處的支座反力：RA=1 865kN，RB=765kN。考慮AB處軸套的摩擦系數(shù)ξ為0.15，A處軸套內(nèi)徑為680mm，B處軸套內(nèi)徑為660mm，則克服滑動摩擦所需的附加轉(zhuǎn)矩MA為：MA=95 115kN·mm，MB=37 867.5kN·mm。該附加轉(zhuǎn)矩由C處的兩側(cè)軸承座受力不一致產(chǎn)生，兩側(cè)軸承座孔中心距為620mm，故作用在C處軸承座上的附加力偶PΔ為：PΔ=214.488kN。

4.4 有限元模型

構(gòu)建出支鉸結(jié)構(gòu)三維模型，C處施加軸承力及附加力偶，A、B兩處施加柱面約束，合理設置AB處內(nèi)外鋼筒與軸套之間的接觸面形式，以接觸非線性迭代形式計算，AB兩處摩擦力引起的滑動摩擦轉(zhuǎn)矩及支反力由程序在迭代過程中根據(jù)收斂準則自動分配。

4.5 荷載與約束的施加

在有限元模型中施加的荷載和約束情況如下：

(1)荷載。油缸作用于支鉸上的拉力P、附加力偶PΔ，采用軸承分布力施加于C處的兩側(cè)軸承座孔圓柱面，疊加后的軸承力大小如下：

P1=P/2+PΔ=1 100/2+214.488
=764 488(N)

P2=P/2-PΔ=1 100/2-214.488
=335 512(N)

(2)約束。鑒于混凝土對外鋼筒的作用，A、B兩處均設為柱面全約束形式，由程序自動協(xié)調(diào)過約束引起的超靜定問題。

(3)模型的邊界條件設置見圖3。

4.6 網(wǎng)格劃分

綜合考慮計算規(guī)模與計算精度，該支鉸結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格剖分見圖4。其中，模型共包含129 776個節(jié)點，31 300個實體單元。

圖3 有限元模型邊界條件示意

圖4 支鉸模型網(wǎng)格剖分效果示意

4.7 有限元計算結(jié)果典型應力云圖(見圖5～13)

圖5 支鉸整體Von-Mises應力云圖

圖6 外伸支架Von-Mises應力云圖

圖7 外伸支架應力集中部位Von-Mises應力云圖

4.8 計算結(jié)果列表(見表2)

5 結(jié) 語

圖8 外伸支架應力集中部位Von-Mises應力云圖

圖9 支鉸外鋼筒Von-Mises應力云圖

圖10 支鉸內(nèi)鋼筒與軸套Von-Mises應力云圖

圖11 支鉸內(nèi)鋼筒Von-Mises應力云圖

(1)油缸支鉸結(jié)構(gòu)具有形式簡單、安裝方便、承載能力較好等特點，能較好地適應閘門啟閉機制造的安裝誤差。

圖12 支鉸內(nèi)鋼筒與外部支架Von-Mises應力云圖

圖13 支鉸受力Y向變形位移云圖

校核部位最大計算結(jié)果參見圖號內(nèi)鋼筒σ=199<[σ]3=205;σcd =224<[σcd]3=310圖10、11、12外伸支架σ=175<[σ]3=205;σcd =299<[σcd]3=310圖6、7、8外鋼筒σ=101<[σ]3=205圖9整體豎向變形-2～0.1(-3.3)圖13

(2)由有限元結(jié)構(gòu)計算可知，該支鉸的整體應力分布合理，最大應力位于軸套A外側(cè)的內(nèi)鋼筒外伸支架的腹板上，離頂拱附近約1mm，與設計者經(jīng)驗預測符合，該應力為局部承壓應力，大小為299MPa<[σcd]，結(jié)構(gòu)強度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

(3)對于受力復雜的結(jié)構(gòu)部位，采用三維有限元方法進行計算能夠更加直觀、詳細，能精確地反映設計者所關(guān)心的結(jié)構(gòu)強度問題。