汪魁峰

【摘要】利用有限元法對(duì)水工鋼閘門在一定荷載工況下，進(jìn)行各構(gòu)件受力、變形分析是一種很好的方法。本文以遼寧某河干流大型攔河閘鋼閘門現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)和評(píng)價(jià)為背景，闡述ANSYS有限元方法在水工平板鋼閘門強(qiáng)度和剛度計(jì)算中的具體應(yīng)用，并結(jié)合應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，綜合分析鋼閘門現(xiàn)狀質(zhì)量和安全情況，結(jié)果表明計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，測(cè)試方法科學(xué)、可行，可為類似工程的設(shè)計(jì)、檢測(cè)、施工等提供指導(dǎo)和借鑒。

【關(guān)鍵詞】檢測(cè)和評(píng)價(jià)；ANSYS有限元法；水工平板鋼閘門；應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試

1、引言

本文以遼寧某河干流大型攔河閘鋼閘門現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)和評(píng)價(jià)為研究對(duì)象，闡述ANSYS有限元方法在水工平板鋼閘門強(qiáng)度和剛度計(jì)算中的應(yīng)用，并結(jié)合測(cè)試結(jié)果綜合分析鋼閘門現(xiàn)狀質(zhì)量和安全情況。該閘擔(dān)負(fù)著城市防洪任務(wù)，同時(shí)也是灌溉用水控制工程，工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)300年一遇，并能通過(guò)500年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水，最大泄流量超過(guò)7000m3/s。工程主體攔河閘采用露頂式平面定輪鋼閘門，孔口尺寸9.6m×6.0m（寬×高），單扇鋼閘門重35t，設(shè)計(jì)水頭5.5m，動(dòng)水啟閉。每扇鋼閘門配備一臺(tái)集中驅(qū)動(dòng)雙吊點(diǎn)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，容量2×400kN，其上游側(cè)布置平面檢修閘門，靜水啟閉。

2、鋼閘門應(yīng)力測(cè)試過(guò)程

2.1 測(cè)試工況確定

以檢測(cè)工況符合或接近設(shè)計(jì)工況為原則，現(xiàn)場(chǎng)利用汛期高水位的自然條件，使閘門上游水位為35.95m，閘門下游無(wú)水，堰頂高程為30.50m，閘門的作用水頭5.45m，接近設(shè)計(jì)水頭5.50m。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

典型鋼閘門選定后，應(yīng)力檢測(cè)前，首先根據(jù)相關(guān)規(guī)程，結(jié)合閘門構(gòu)件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、荷載條件等進(jìn)行分析計(jì)算，了解結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布狀況，確定測(cè)點(diǎn)位置、數(shù)量，使采集的數(shù)據(jù)更加有代表性，能更準(zhǔn)確的反映結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)力狀況。確定采用電阻式應(yīng)變片在鋼閘門主要受力構(gòu)件上共布置了21個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中三向測(cè)點(diǎn)4個(gè)。測(cè)點(diǎn)分別布置在面板、主橫梁后翼緣板、縱梁后翼緣板、主橫梁腹板、縱梁腹板和邊梁后翼緣板上，詳見(jiàn)圖1。

2.3 測(cè)試結(jié)果

（1）主要計(jì)算公式

單向測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：

（2）測(cè)試結(jié)果

單向測(cè)點(diǎn)和三向測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力值見(jiàn)表1和表2。由測(cè)試結(jié)果可知，測(cè)點(diǎn)處面板的剪應(yīng)力為28.1MPa，折算應(yīng)力48.5MPa；主橫梁后翼緣跨中正應(yīng)力100.9MPa；主橫梁腹板的剪應(yīng)力13.4MPa，折算應(yīng)力23.2MPa；縱梁腹板的剪應(yīng)力3.1MPa，折算應(yīng)力5.4MPa；邊梁后翼緣正應(yīng)力-13.0MPa。

3、ANSYS計(jì)算結(jié)果

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)選定

鋼閘門應(yīng)力分析采用ANSYS三維有限元法。該工程鋼閘門形式為板、梁組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)其受力特點(diǎn)，考慮計(jì)算精度要求，采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建立閘門結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型。計(jì)算模型單元總數(shù)為13008個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為24766個(gè)。坐標(biāo)系定義為：主橫梁軸向?yàn)閤軸，縱梁軸向?yàn)閥軸，水流方向?yàn)閦軸。采用國(guó)際單位制，應(yīng)力單位Pa，位移單位m。

閘門主要鋼構(gòu)件材質(zhì)為Q235A（普通低碳鋼，A級(jí)），彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比 ，容重 =78.5kN/m3。計(jì)算荷載主要考慮作用于閘門的靜水壓力和閘門自重。計(jì)算工況為設(shè)計(jì)水位36.0m，閘門下游無(wú)水，閘門作用水頭5.50m。閘門底部受垂直向（y向）約束，因門槽的作用閘門在滾輪支撐處受順?biāo)鞣较颍▃向）約束，為保持計(jì)算模型幾何不變形，假設(shè)閘門底部面板中間結(jié)點(diǎn)在垂直水流方向（x向）的橫向位移為零。

3.3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

（1）面板

面板最大計(jì)算應(yīng)力見(jiàn)表3。最大主應(yīng)力25.9MPa，最小主應(yīng)力-45.1MPa。xy向最大剪應(yīng)力12.6MPa，xy向折算應(yīng)力最大值46.6MPa，分布于背水側(cè)1#主橫梁與2#、3#縱梁相交處。xz向折算應(yīng)力最大值43.9MPa。

（2）主橫梁

3根主橫梁最大應(yīng)力值列于表4，1#主橫梁等值線見(jiàn)圖3、圖4。1#主橫梁最大正應(yīng)力91.8MPa，最大剪應(yīng)力35.8MPa，最大折算應(yīng)力105.6MPa，出現(xiàn)在主橫梁的腹板上。

（3）縱梁和邊梁

縱梁和邊梁的最大應(yīng)力列于表5中。縱梁和邊梁最大正應(yīng)力13.6MPa，最大剪應(yīng)力14.5MPa，最大折算應(yīng)力27.8MPa，出現(xiàn)在縱梁和邊梁的腹板上。

（4）水平次梁（包括底梁和頂梁）

水平次梁（包括底梁和頂梁）中以底梁上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力以及折算應(yīng)力最大，具體值見(jiàn)表6。最大正應(yīng)力、剪應(yīng)力及折算應(yīng)力分別為119.0MPa、21.4MPa和59.9MPa。

3.4 剛度計(jì)算結(jié)果

設(shè)計(jì)水位下，主橫梁及底梁的最大撓度值列于表7。底梁、1#、2#、3#主橫梁的最大撓度值分別為7.82mm、6.95mm、6.08mm和4.35mm。

4、測(cè)試效果分析

4.1 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

（1）容許應(yīng)力

閘門主要構(gòu)件材料為Q235A（普通低碳鋼，A級(jí)），屬鋼材尺寸分組中的第1組，閘門面板、主橫梁和縱梁等構(gòu)件所采用的鋼板厚度均不大于16mm，其材料的容許應(yīng)力為[σ]=160MPa，[τ]=95MPa。本工程閘門投入使用年限短，根據(jù)《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》（SL 226-1998）規(guī)定，對(duì)于大中型工程的鋼閘門，材料的容許應(yīng)力應(yīng)乘以0.90～0.95的使用年限修正系數(shù)，本工程取0.95，故閘門主要構(gòu)件的材料容許應(yīng)力為 =152.0MPa， = 90.3MPa。

（2）評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

強(qiáng)度：閘門承重構(gòu)件和連接件，應(yīng)校核正應(yīng)力和剪應(yīng)力，校核公式為： ， ；組合梁除校核正應(yīng)力和剪應(yīng)力外，還應(yīng)校核折算應(yīng)力 ，校核公式為： =167.2MPa；面板考慮到受局部彎曲作用的同時(shí)隨主（次）梁受整體彎曲作用，因此要對(duì)折算應(yīng)力 進(jìn)行校核，校核公式為： =250.8MPa，（ ）。

剛度：根據(jù)規(guī)程，對(duì)于露頂式鋼閘門，主橫梁的最大撓度與計(jì)算跨度的比值不應(yīng)超過(guò)1/600。

4.2 效果分析

（1）面板最大主應(yīng)力 =25.9MPa、最大剪應(yīng)力 =12.6MPa，均小于材料的容許正應(yīng)力152.0MPa和容許剪應(yīng)力90.3MPa，面板最大折算應(yīng)力 為xy方向，力值46.6MPa，與測(cè)試值48.5MPa很接近，折算應(yīng)力均未超過(guò)容許值250.8MPa，面板強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；

（2）1#主橫梁最大正應(yīng)力 =91.8MPa、最大剪應(yīng)力 =35.8MPa，均小于材料容許應(yīng)力152.0MPa和90.3MPa，最大折算應(yīng)力 =105.6MPa，出現(xiàn)在主橫梁的腹板上，小于折算應(yīng)力容許值167.2MPa，強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。主橫梁后翼緣 =91.8MPa與測(cè)試值100.9MPa基本吻合。

（3）縱梁和邊梁最大正應(yīng)力 =13.6MPa，最大剪應(yīng)力 =14.5MPa，均小于材料容許應(yīng)力152.0MPa和90.3MPa；最大折算應(yīng)力 =27.8MPa，出現(xiàn)在縱梁和邊梁的腹板上，小于折算應(yīng)力容許值167.2MP，強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）水平次梁（包括底梁和頂梁）最大正應(yīng)力、剪應(yīng)力及折算應(yīng)力分別為 119.0MPa、21.4MPa和59.9MPa，均小于材料相應(yīng)容許應(yīng)力值152.0MPa、90.3MPa和167.2MPa，強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）主橫梁的計(jì)算跨度（10000mm），設(shè)計(jì)水位下底梁、1#、2#、3#主橫梁的最大撓度值分別為7.82mm、6.95mm、6.08mm和4.35mm，均小于主橫梁撓度容許值16.7mm，剛度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5、結(jié)論及建議

（1）通過(guò)ANSYS有限元法計(jì)算結(jié)果與應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、測(cè)試方法科學(xué)，而且計(jì)算得到的等值線圖，對(duì)分析閘門各構(gòu)件的強(qiáng)度和變形的分布很直觀。同時(shí)也體現(xiàn)出基礎(chǔ)參數(shù)選擇和約束條件的輸入很重要，會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。

（2）綜合檢測(cè)結(jié)果，所測(cè)閘門的面板、主橫梁、邊梁和縱梁及水平次梁等各主要受力構(gòu)件強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，主橫梁及底梁剛度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）對(duì)于使用時(shí)間長(zhǎng)，銹蝕嚴(yán)重的鋼閘門，采用有限元法計(jì)算分析前，應(yīng)先測(cè)試各構(gòu)件的蝕余厚度，用構(gòu)件實(shí)際尺寸建模計(jì)算，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果確定主要構(gòu)件測(cè)點(diǎn)分布，以方便校核，提高成果精度。

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