铸铁闸门水平主梁应力的三维和平面计算分析比较

吴开庆，胡友安

（河海大学机械工程学院，常州，213022）

0 引言

在给排水工程、市政工程、农田水利工程中，目前广泛使用的铸铁闸门，该类型闸门主要有平板高筋型和后拱型内筋型两种结构形式。其主梁的设计计算通常是根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（以下简称《规范》），按平面假设进行计算。主梁应力的平面计算对梁的荷载和约束等进行了简化，其计算与主梁的实际情况有较大差异。以某工程铸铁闸门为例，采用按《规范》的平面假设计算，再用三维有限元方法计算水平主梁应力。比较分析两种计算结果，为铸铁闸门水平主梁应力的计算提供参考有较大的意义。

1 平面钢闸门水平主梁应力计算方法

某矩形平板高筋型铸铁闸门尺寸为2.0m×2.5m(宽×高)，结构图如图1 所示。闸门承受最大工作正向水头为10m,潜孔闸门，铸铁材料牌号为QT450-10。

根据闸门水头分别计算得水平主梁一、二、三、四承受的均布荷载线密度q 分别为47.5kN/m，45kN/m，42.5kN/m，40kN/m。

1.1 荷载与内力计算

水平主梁弯曲时边跨跨中弯矩

图1 矩形平板高筋型铸铁闸门结构图(单位：mm)

1.2 组合截面计算

组合截面形心到水平主梁中心线的距离：

跨中组合的截面的惯性矩及截面模量为：

组合截面形心到水平主梁中心线的距离：

跨中组合的截面的惯性矩及截面模量为：

图3 面板参加水平主梁工作后的组合截面(单位：mm)

1.3 水平主梁的强度检验

由于支座B 处弯矩最大，而截面模量最小，故只需验算支座B 处截面的抗弯强度，即：

用如上同样计算方法，可计算出中间四根水平主梁中其余三根的抗弯强度分别为5.06 N/mm2,5.38N/mm2，5.70 N/mm2。

2 三维有限元计算方法

2.1 建立有限元模型

用三维有限元方法计算时，我们采用大型有限元分析软件ANSYS 来进行分析计算。该软件具有前后处理功能理想、计算简便、运算精度高等优点。球墨铸铁弹性模量E 取150Gpa，泊松比取0.3，密度取7.3g/cm3。在建立有限元模型时闸门面板、各水平主梁、纵隔板、边梁内侧采用SHELL63 单元，边梁外侧位于门槽内的部分采用SOLID95 单元。最后的有限元网格模型如图4 所示，整个模型中包含17141个单元，共19567个节点。根据铸铁闸门实际工况在底主梁上施加高度方向的位移约束，在边梁与门槽接触的部位施加水平方向的位移约束。由于此闸门为潜孔闸门，所以计算时只考虑静水压力。

2.2 水平主梁应力

由图4 可知，四个水平主梁的应力最大处都是出现在靠近中间隔板的两个跨度处，四个水平主梁的最大应力从下到上依次为47 .6 N/mm2,51.7 N/mm2,49.9 N/mm2,41.6 N/mm2。

图5 闸门各水平主梁应力图

3 两种方法比较分析

把上面用《规范》计算水平主梁应力的计算方法计算铸铁闸门的结果和有限元软件ANSYS 计算的结果进行比较，可以发现两种计算方法计算结果的不同主要在以下几个方面：

a)对于同一根水平主梁，两种计算方法计算的结果有很大差距。

b)两种计算方法随着水平主梁的变化，各自最大应力计算结果的变化不同，前一种计算方法位置处于下方的水平主梁所受的应力强度比位置处于上方的水平主梁所受的应力强度高，而后一种方法则中间的两根水平主梁所受的应力强度比最上面和最下面的水平主梁所受的应力强度高。

c)两种计算方法计算出的结果最大应力所处的位置不同，前一种计算方法水平主梁所受最大应力位于节点B、D 处，后一种计算方法水平主梁所受最大应力位于中间两个跨度靠近中间隔板的位置。

造成这种差距主要有以下几点原因：

1)用《规范》计算水平主梁应力的计算方法适用于面板为薄壁的状况，而铸铁闸门面板并非薄壁件。

2)用《规范》方法计算水平主梁应力时，水平主梁为支点没有位移的多跨连续梁，但实际工况中，作为支点的纵隔板是存在位移的。

3)用《规范》方法计算时，其计算方法其实假设了与水平主梁相联的上、下各半个区间面板水压全部由水平主梁和参加水平主梁工作的面板所承担。这种计算方法其实忽略了铸铁闸门是一个各部分存在着相互作用的整体，也没有考虑闸门边梁对计算结果的影响。

4)约束条件的影响，铸铁闸门下部的位移约束使位于闸门下部的水平主梁应力相对减小。

铸铁闸门是由一系列面板、隔板、梁等组成的整体，而且其面板具有一定厚度。闸门工作时，所承受的荷载将通过各构件的相互传递来共同承担。所以，铸铁闸门水平主梁应力的计算方法必须考虑到闸门的整体作用以及各构件的实际工作状态。因此，对于铸铁闸门水平主梁应力的计算建议采用有限元方法。

4 结论

对铸铁闸门水平主梁应力用平面钢闸门计算水平主梁应力的方法进行计算作了详细的说明；并用ANSYS 软件建立了铸铁闸门门体的模型，对其进行了网格划分。对两种计算方法计算的结果进行了比较，结果表明对铸铁闸门水平主梁应力根据《水利水电工程钢闸门设计规范》进行计算是不精确的，而用三维有限元计算方法能比较准确的反应水平主梁的受力情况。

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