箱型门槽结构静动力特性分析研究

黄峻

(广东省水利电力勘测设计研究院，广州 510635)

1 门槽结构

清远抽水蓄能电站尾水事故闸门槽为封闭箱型钢结构，小门槽结构采用整体加工，其结构与常规平面闸门壳体类似，材料采用Q345B。门槽结构由门槽段、腰箱和顶盖组成：门槽段总长3.000 m，门前、门后各1.500 m，断面内腔尺寸为3.600 m×4.500 m；腰箱高为5.000 m，断面内腔尺寸为0.912 m×4.500 m；顶盖长5.160 m，宽1.152 m。门槽顶盖上有可拆卸部分，例如液压启闭机、进人孔、机械锁定及限位器，在这些部位都设置了可靠的密封装置，门槽结构设计如图1所示。

图1 门槽结构设计

2 设计计算方案

2.1 门槽结构布置

为了表达及论述更为清楚，现对门槽结构各部分编号进行说明，如图2所示。

图2 门槽结构各部件编号说明

2.2 门槽结构有限元模型

在考虑建立门槽结构有限元模型时，不考虑外包混凝土的作用，仅对钢板衬砌封闭箱型的门槽结构建模进行计算，门槽结构为空间薄壁结构，采用shell63号板单元模拟，门槽结构有限元模型如图3所示。

2.3 荷载工况

本文对门槽结构5种静力荷载工况进行了计算。工况1：在机组检修时(此时落尾水事故闸门)，机组至尾闸内排空，闸门前部门槽内无水，门槽受53 m水头最大外水压力，闸门后半部门槽受119 m水头最大内水压力。工况2：在机组检修时(此时落下库检修闸门)，尾水流道内排空，此时门槽受53 m水头最大外水压力。工况3：机组甩负荷产生涌浪，门槽外侧透水严重到达最大渗透压力，此时门槽受内水压力和外水压力双向作用，内、外水压差为66 m水头(119 m水头内水压力减去53 m水头外水压力)。工况4：机组甩负荷产生涌浪，门槽外侧排水顺畅，不计外水压力，此时门槽仅受内水压力作用，内水压力为涌浪产生119 m水头。工况5：门槽定位安装后，现场浇筑混凝土，设定浇筑压力小于0.2 MPa，浇筑时门槽四周差值小于0.1 m，此时门槽仅承受外侧混凝土压力0.2 MPa。

图3 门槽结构模型

3 计算结果分析

3.1 位移计算结果及分析

对5种工况下门槽结构最大位移计算进行汇总(见表1)，并对计算结果进行如下分析。

表1 门槽结构各工况最大位移计算结果汇总 mm

(1)从工况的角度进行分析。工况1与工况4门槽结构各部件的位移变形均大于其他工况，即在119 m水头作用下门槽结构出现最大的位移变形，为不利工况。

(2)从部件最大位移的角度进行分析。门槽结构最大位移发生在上、下游墙面板上，最大值约为12 mm；上、下游门楣面板的位移也较大，最大值为10 mm，此外，腰箱面板的位移最大值为8 mm；门槽结构其他部件的最大位移均不超过4.5 mm。

3.2 应力计算结果及分析

对5种工况下门槽结构各部件的最大折算应力进行汇总(见表2)，并对计算结果进行如下分析。

表2 门槽结构各工况最大折算应力计算结果汇总 MPa

(1)从工况的角度进行分析。工况1与工况4门槽结构各部件的最大折算应力均大于其他工况，即在119 m水头作用下门槽结构出现最大的应力，为不利工况。

(2)从部件最大折算应力的角度进行分析。上/下游墙面板、主轨、反轨及侧轨分别与门楣底腹板及底槛面板相交处均出现较大的局部应力峰值，其最大值已达到Q345B材料的屈服极限345 MPa，小于材料强度极限490 MPa。由于上述最大应力峰值发生在局部且材料有良好的塑性能力，故能满足强度要求。

3.3 稳定性计算结果及分析

(1)工况1与工况为2门槽结构受到外水压力，从计算结果来看，工况1为不利工况。

(2)从部件来看，门槽结构最可能发生失稳的部件为门楣竖板，稳定系数为1.2。

(3)门槽结构能满足稳定性要求。

3.4 自振特性计算结果分析

门槽结构前10阶自振频率及振型计算结果见表3，门槽结构一阶振型示意图如图4、图5所示。下面对计算结果进行分析。

表3 门槽结构前10阶自振特性计算结果

续表

图4 门槽结构一阶振型示意图(斜视)

图5 门槽结构一阶振型示意图(顶视)

(1)门槽结构的第1阶自振频率为23.539 Hz，振型为门槽结构绕竖直向扭转振动，第2阶自振频率为28.235 Hz，振型为上段门槽结构沿顺河向振动，第3阶自振频率为31.804 Hz，振型为门槽结构沿竖直向振动，第4阶自振频率为35.031 Hz，振型为下段门槽结构沿横顺河向振动。

(2)34.730～36.821 Hz为门槽各板件的局部振动频率带，其中从34.730 Hz开始发生门楣梁腹板局部振动，从35.065 Hz开始发生底槛梁腹板局部振动。

(3)高于36.821 Hz的频率区段门槽结构将发生其他形态的振动。

4 结论

(1)关于闸门结构安全性的问题。前述计算结果为不考虑外包混凝土的门槽结构的在静力荷载作用下的计算值，门槽结构能满足强度、刚度、稳定性要求，工程实安装后，外包混凝土对门槽结构有支撑加固作用。

(2)关于门槽结构自振特性的问题。前述计算结果为不考虑外包混凝土的门槽结构的自振特性，工程实际安装后，由于门槽结构有外包混凝土，因此，上述计算结果与工程实际情况有差异。

(3)关于结构设计的问题。将门槽结构上、下游墙面板上的肋板延伸到与门槽相连的方管及方管变圆管的肋板上，并在方管上沿环向增设肋板，以上肋板将门槽结构、方管、方管变圆管连成一个整体，提高结构的受力性能。

参考文献：

[1]DL/T 5013—1995 水利水电工程钢闸门设计规范[S].

[2]《水电站机电设计手册》编写组.水电站机电设计手册：金属结构(一)[M].北京：水利电力出版社，1988.