对水利水电钢闸门面板设计的探讨

郭昆伟

【摘 要】文章笔者以工程案例为依据，对钢闸门面板进行了计算比较，提出了一个更好的设计方法，可供参考。

【关键词】钢闸门；面板设计；计算；比较

1.计算方法比选

1.1面板按平面体系计算

平面体系设计不是把闸门看成一个整体，而是把面板和梁单独分开来设计，大致有如下方法：巴赫（Bach）公式，它是根据小规模的实验成果再辅以简单的理论分析（材料力学方法）得到的半经验半理论公式；德意志联邦共和国工业标准制定的方法和我国《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）（以下简称规范）制定的方法。前两种设计方法把面板看成弹性薄板，而没有考虑面板在产生较大变形后已进入了弹塑性阶段，这时再运用弹性薄板理论就不太适宜了。《规范》考虑到面板进入弹塑性阶段的强度储备，适当地提高了材料的容许力来进行强度验算。

1.1.1巴赫（Bach）公式

式中p为面板中心的平均水压力强度（kg/cm2）；φ为板边缘固定系数，对固定得很牢的边缘φ=0.75，对自由放置的边缘φ=1.0；D为面板的厚度（cm）。

1.1.2德意志联邦共和国工业标准制定的方法

按弹性薄板计算由水压力所引起的局部弯曲应力公式

式中p为面板中心的平均水压力强度（kg/cm2）；k为系数，根据面板边缘支承条件而不同，查相应的表。

1.1.3《规范》制定的方法

面板的局部弯曲应力

式中p为面板计算区格中心的水压力强度（kg/cm2）；a为面板计算区格的短边长度（cm），由面板与梁格的连接焊缝算起；δ为面板厚度（cm）；k为弹性薄板支承边中点的弯曲应力系数，可查《规范》中表G1-G3。在初选面板厚度时，可按下式计算：

式中k为一般应取长边中点的值；a为弹塑性调整系数，当?3 时，取a=1.4；当≤3时，取a=1.5。当面板参与梁的翼缘工作时，验算面板强度应将面板按局部弯曲求得的应力σmx、σmy与作为梁的翼缘板求得的应力σ0x（σ0y）相迭加，迭加后的折算应力σzh应满足下列条件。

1.1.4实例设计比较

（1）不考虑面板参与梁的翼缘工作。

某电站进水口闸门的设计水头是40m，采用Q235钢，拉、压、弯应力[σ]=160MPa，建筑物的重要性系数为1.0。根据闸门的布置，取一区格。面板区格的短边长度a=50cm，长边的长度b=80cm。

在满足强度要求的条件下，初步选择面板的厚度。计算结果见表1。

表1面板厚度比较表

（2）考虑面板参与梁的翼缘工作。

巴赫（Bach）公式对面板参与梁的翼缘宽度没有给出明确的概念；德意志联邦共和国工业标准制定的方法对面板参与梁的翼缘的有效宽度是根据梁的间距、跨度及弯矩图形等通过查曲线确定的，准确性较差。《规范》制定的方法对面板参与梁格的有效宽度有详细的计算公式，本实例采用《规范》制定的方法来计算面板和梁的应力。

闸门支承跨度4.65m，止水中心至底板高度4.6m，侧止水中心跨度（即止水宽度）3.6m，平均设计水头H设=32.70m，平均校核水头H设=35.50m，根据运行的条件，闸门的动载系数为1.1，总水压力为P=5957kN，平均水压强p=359.7kPa。根据闸门的布置采用《规范》制定的方法初选面板厚度 为14mm，次横梁选择工字钢I25a，主横梁选择工字形焊接件，翼缘为250mm×14mm，腹板采用858Mm×14mm，应力比较见表2。

表2应力比较表

1.1.5分析比较

从上述计算可知，巴赫（Bach）公式，形式简单，但它是半经验半理论公式，给不出面板内应力分布的图形，对面板在闸门结构中的作用、参与梁格的状态和潜力，以及面板的强度条件等均没有一个明确的概念；德意志联邦共和国工业标准制定的方法则是根据弹性薄板理论得到的，没有考虑面板较大变形后进入弹塑性阶段的强度增长，故计算出的面板厚度较大。同时该方法对面板参与梁的翼缘的有效宽度是根据梁的间距、跨度及弯矩图形等通过查曲线来确定的，计算出的数据准确性差些；《规范》制定的方法考虑了面板进入弹塑性阶段后的强度储备，可以给出面板内应力分布的图形，对面板参与梁格的有效宽度有详细的计算公式。通过实例计算可以看出考虑面板参与横梁作用，在面板的厚度不增加的情况下，面板的应力是满足要求的，同时考虑面板参与主、次梁作用时梁的最大正应力和最大剪应力要比不考虑面板参与主、次梁作用时的正应力和剪应力要小。《规范》制定的方法比较符合面板的工作状态，与前两种设计方法相比较，它具有较高可靠性和较经济的优点。

1.2面板按空间体系计算

闸门结构实际上是一个比较复杂的空间体系，可以采用有限元法来分析。国内外较多使用电子计算机和结构优化理论进行闸门选型和结构设计。其中有代表性的商品化的大型通用结构分析软件有Nastran、Sap等以及我国自行研制的Jigfex，Hajif、Feps等。这些软件有丰富的单元库、材料库和荷载、边界条件的处理能力、多种分析功能、解题规模大、计算效率高，能适应广泛的工程领域。尽管有限元方法有许多优越之处，但目前还不能作为闸门结构分析的主要手段，一般只用作校核和研究之用，这是因为有限元分析中存在下列问题：数据的前后处理工作量大；边界和应力集中区的应力计算精度较低；计算精度的预测和评估较困难；熟练地掌握程序使用，用户需经过较长时间的学习和实践。

1.3两种体系计算结果的比较

某电站装机容量400MW，大坝溢洪道设有3扇12m×18m-23.15m（宽×高-水头）潜孔平面定轮闸门，总水压力31700kN。横梁与面板及下翼缘构成的一个箱形截面的组合梁，面板板厚14mm，主横梁腹板板厚20mm，边梁腹板板厚20mm，纵隔板腹板板厚14mm，主梁、边梁和纵隔板翼缘厚度均为25mm，闸门结构的材质均为Q345（原16Mn），a[σ]=230MPa。按有限元法和平面体系中《规范》制定的方法计算应力结果见表3。

表3闸门结构应力对比

1.4数据的分析比较

有限元法是采用国际著名的大型通用有限元软件“SuperSAP”进行结构分析计算。根据该平板闸门的具体特点，将闸门划分为2026个单元，节点数为1750，每个节点6个自由度，去掉约束后的方程总数是10469个。平面体系计算方法是采用《规范》制定的方法，考虑面板参与梁的翼缘工作。面板强度是将面板按局部弯曲求得的应力与作为梁的翼缘板求得的应力相迭加，迭加后的折算应力小于容许应力。从表3的数据分析来看，两种计算方法得到的最大应力虽然所处的位置不同，但均小于材料的容许应力，均满足强度条件。尽管平面体系的计算结果与三维空间有限元的计算结果在数值和局部应力状态上有差别，但面板、翼缘的最大应力都是在中部，两边的应力较小，呈现两边小中间大的规律。对于空间效果不强或结构较简单的闸门，它们的计算结果会比较接近，特别是平面体系方法的计算工作量小。所以平面体系计算方法仍然是水工钢闸门设计中目前最为简单有效的手段之一。根据《规范》的说明，空间体系和平面体系的计算结果相差10%～15%。这说明平面钢闸门利用《规范》制定的方法进行平面钢闸门面板的设计具有安全、可靠、简便和实用的优点。

2.结论

运用有限元软件进行面板设计，需要处理的数据较多，对闸门来说方法过于繁琐。面板按平面体系进行计算的几种方法均较简便、快速。

【参考文献】

[1]SL74-95，水利水电工程钢闸门设计规范[S].

[2]DL/T5039-95，水利水电工程钢闸门设计规范[S].