支座沉降下的底轴驱动闸门静力数值分析

杨兆权,胡友安

(河海大学机电工程学院,江苏常州 213022)

支座沉降下的底轴驱动闸门静力数值分析

杨兆权,胡友安

(河海大学机电工程学院,江苏常州 213022)

基于有限元分析软件ANSYS,建立了底轴驱动闸门结构的有限元模型,对闸门在蓄水工况下的应力与变形进行有限元分析,通过对各个支座处基础沉降的不同组合,分析对闸门结构的影响,为闸门设计、制造和安装提供理论参考。

钢闸门;底轴驱动闸门;地基沉降;有限元分析

在水利枢纽工程中,大跨度底轴驱动闸门主要起着蓄水和航运的作用。为了与周围的景观工程相协调,采用液压启闭机驱动闸门旋转一定的角度,使得闸门顶部过水,从而形成人工瀑布,美化周围环境[1]。

黄山丰乐河城市水利工程,河道宽为250 m,闸室共设4道中墩,2道边墩,中墩采用空箱结构,空箱内设置集成式液压启闭机(如图1(a))。每两道闸墩之间设置一扇底轴驱动式闸门,整个河道共布置5扇。闸门通过底轴和铰支座安装在闸室底板上,布置在空箱内的液压启闭机通过拐臂与底轴相连驱动底轴旋转从而实现闸门的启闭操作(如图1(b))。图1(c)为闸门挡水状态和泄洪状态。

由于该闸门的跨度比较大,因基础变位、水动力荷载等引起的闸门振动及运行非平稳性问题,需要深入研究[2]。底轴各支座处基础的不均匀沉降,将造成闸门的底轴、门体结构变形,影响闸门的正常运行,此外产生的应力集中,破坏闸门结构。因此,本文应用ANSYS软件对闸门在各种工况下的应力、变形进行分析计算,为闸门结构的优化提供了依据。

1 计算模型与计算工况

1.1 闸门参数及计算模型

图2为闸门结构简图,闸门采用实腹式板梁结构,结构尺寸为4.8 m×42.6 m(高×宽)。门叶底部通过螺栓连接的方式与外径为0.75 m的空心底轴相连,门顶高程122.3 m,门底高程116.0 m。面板位于闸门上游侧,厚度为16 mm。面板上布置4根I20a的工字钢主梁。为了增强闸门结构的刚度与强度,在闸门上布置22根竖向隔板,竖向隔板的下翼缘及腹板厚度均为16mm钢板。底轴两端通过拐臂与液压启闭机连接,底轴上关于孔口中心线对称布置6个铰支座(如图1(a))。

闸门结构为对称结构,设计时闸门底板也采用对称布置。在静力学分析时只考虑沿孔口中心对称情况下基础的沉降计算工况。为了便于闸门结构的说明,将闸门的主梁从上至下依次编号为1～4号主梁,由孔口中心线向闸墙侧方向,竖向隔板的编号依次为1～11号,支座编号依次为1～3号(如图2)。

图1 闸门的总体布置图

图2 闸门结构简图

在静力学分析时,由于闸门的结构、载荷、约束均对称,所以分析时用1/2的模型进行。闸门面板、隔板、底轴以及部分筋板均采用Shell63单元模拟,主梁采用Beam188单元模拟。闸门的有限元模型包含10 646个单元,共10 560个节点,坐标系选用总体笛卡尔坐标系,X轴为沿河流方向指向上游,Y轴垂直向上,Z轴沿轴向由闸墙侧指向孔口中心。

闸门结构采用Q345钢,其弹性模量为E=2.06×1011Pa,泊松比 ν=0.3,重力加速度取9.8 m/s2。由于模型中对焊缝、加筋板等次要构件进行了简化,因此在计算时将结构的密度[3]取 ρ=7850×1.2=9 420 kg/m3进行折算。

1.2 计算工况及边界条件

根据设计要求,各支座处的沉降按关于孔口中心线的对称沉降来分析,通过对不同支座处沉降变形的各种组合来分析闸门的受力情况,从而为闸室地基的计算提供理论参考值。本文以轴端支座处作为参考,根据文献[4]取两相邻支座处允许的沉降差作为底轴的初始变形,选取部分的沉降组合来分析计算,表1列出了闸门不同工况下的计算载荷与约束条件。

表1 闸门不同工况下的计算载荷与约束条件

2 计算结果与分析

2.1 闸门结构的应力分析

闸门在载荷作用下,应力分布复杂,按第四强度理论对闸门进行强度校核,强度条件为:

式中 :σ1、σ2、σ3分别为 3个方向的主应力[5]。

(1)面板

文献[6]规定,验算面板强度时,应考虑面板的局部弯应力与面板兼作主(次)梁翼缘的整体弯应力相叠加,叠加后的折算应力应满足:σzh≤1.1α[σ],式中[σ]为修正后材料的容许应力,同时根据文献[6]、文献[7]可得[σ]=207.58 MPa;α为弹塑性调整系数,与面板计算区格的长短边比有关,由于面板的计算区格的长短边比小于3,故取 α=1.5。闸门处于蓄水工况下,当支座处发生各种情况的沉降变形时,面板与底轴相连接并靠近发生最大沉降变形的支座处的地方产生了较大的应力,如图3所示。表2列出了不同工况下的面板的最大折算应力 ,且折算应力 σzh≤1.1α[σ]=342.47 MPa,满足面板的强度要求。同时,从表2中可以看出,支座处发生沉降变形时,面板上的应力发生很大的变化。

图3 工况为沉降3的面板应力云图(单位:Pa)

表2 不同工况下面板的最大应力 单位:MPa

(2)隔板

表3列出了不同工况下隔板的最大应力,在闸门结构形式中,每块隔板可看作悬臂梁,最大应力均发生在隔板的根部,即隔板与底轴连接处,从表3中数据可以看出,支座处的沉降引起附近隔板的受力发生了很大的变化,但各种工况下隔板的应力均未超过修正后材料的容许应力,满足强度要求。

表3 不同工况下隔板的最大应力 单位:MPa

(3)主梁

表4列出了不同工况下主梁的最大折算应力值。当发生沉降变形时,主梁的最大应力均发生在1号主梁靠近孔口中心线的两隔板之间。由表4可知,虽然沉降变形对主梁的应力产生了较大的变化,但均未超过修正后材料的容许应力,因此,满足强度要求。

表4 不同工况下主梁的最大应力 单位:MPa

(4)底轴

在该闸门中,底轴是运转工作的关键部件,底轴支承可视为静不定多跨连续梁结构,支座处的沉降对底轴的受力产生很大的影响。表5列出了不同工况下底轴的最大折算应力,满足闸门的强度要求。

表5 不同工况下底轴的最大应力 单位:MPa

2.2 闸门刚度的结果分析

图4为闸门在蓄水工况下的整体变形,孔口中心处的门顶变形最大,向底轴与两侧方向的变形逐渐减小。文献[6]规定,应验算受弯构件的挠度,对于露顶式工作闸门,其最大挠度与计算跨度之比不应超过1/600,由于闸门的计算跨度为42.6 m,可得闸门的最大挠度为71 mm。对于不同工况下闸门各个方向的最大位移值见表6,从表6中数据可以看出,各工况下闸门的挠度均在规范规定的允许范围之内,满足刚度要求。

图4 蓄水工况下的闸门结构整体变形云图(单位:m)

表6 不同工况下闸门的最大位移 单位:mm

3 结 语

大跨度底轴驱动闸门计算所得的应力与变形情况均能够反应闸门在各种工况载荷下的静力特性,满足规范的要求,为闸门的安全评估与结构优化提供了理论依据,对于类似工作闸门的设计具有一定的参考价值。

计算结果表明,底轴基础的沉降变形对于大跨度闸门的结构强度与变形有着较大的影响,随着底轴支座处基础沉降的增大,闸门结构的应力与变形也随之增大。因此,应对不同的沉降组合进行详细的分析,应选择有利的地基进行闸门基础的建设,严格控制好底轴基础的沉降变形。

[1]蔡金丽,孟建发.钢坝闸—一种新型挡水结构的设计和应用[J].水利建设与管理,2011,31(8):34-35,64.

[2]严根华.苏州河河口水闸金属结构数学模型分析[J].水利水电科技进展,2007,27(A0):67-72.

[3]朱怀淼,胡友安,任 超,等.可升卧式翻板闸门的静力数值分析[J].水电能源科学,2009,27(4):120-122.

[4]中国建筑科学研究院,GB50007-2002.建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002:27-29.

[5]周建方.材料力学[M].北京:机械工业出版社,2002:152-154.

[6]水利部电力工业部东北勘测设计研究院.SL74-95.水利水电工程钢闸门设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,1995:15-16.

[7]水利部水工金属结构安全检测中心,水利部丹江口水利枢纽管理局.SL226-98.水利水电工程金属结构报废标准[S].北京:中国水利水电出版社,1998.

Static Numerical Analysis of Gate Driven by Bottom Shaft under Support Settlement

YANG Zhao-quan,HU You-an
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Hohai University,Changzhou,Jiangsu213022,China)

Based on ANSYS,the finite element model of the gate driven by bottom shaft is built,and the stress and deformation of the gate under water storage condition is analyzed.The influence on the structure of the gate is analyzed according to the different combination of the foundation settlement at each support point,which could provide a theoretical reference for the design,manufacture and installation of the gate.

steel gate;gate driven by bottom shaft;foundation settlement;finite element analysis

TV663+.4

A

1672—1144(2013)02—0154—04

2012-09-07

2012-09-29

杨兆权(1988—),男,江苏淮安人,硕士研究生,研究方向为水工钢结构。