弧形钢闸门主梁布置位置优化研究

王 蓓

（山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013）

1 工程背景

某水电站是一座以防洪和发电为主，兼具其他多种功能的综合性小型水利工程。电站的主要水工建筑物有大坝、引水发电系统以及泄洪设施。电站大坝为混凝土重力坝，按照百年一遇洪水标准设计，千年一遇洪水标准校核。大坝的溢流坝段位于大坝的右岸，为WES实用溢流堰设计，堰顶高程为55.10 m。溢流坝闸门为露顶式钢闸门，设计水位为400.0 m，坝前超高水位为0.5 m，底坎的高程为380.8 m，弧形钢闸门的高度为19.7 m，宽度为14.0 m。闸门的面板和主梁为16 Mn钢设计，其余构件均采用Q235B钢，弹性模量为206 GPa，重度为78.5 kN/m3，泊松比为0.3。对于弧形钢闸门，其主梁和支臂结构共同构成了弧门的主框架，其布置形式的合理设计可以使主框架受力良好，提高闸门的承载力和安全性，保证弧形钢闸门的正常、安全运行[1]。基于此，此次研究力求通过数值模拟的方法，探讨主梁布置位置对闸门结构刚度和强度的影响，并提出具体的工程设计建议。

2 有限元模型的构建

2.1 计算软件的选择

ANSYS是一款由美国ANSYS公司开发的通用有限元软件，在工程设计和分析领域具有十分广泛的影响，已经成为当前增长最快的CAE软件，可以用解决结构、流体、电力等诸多领域的数值模拟计算问题，具有良好的发展和应用前景[2]。ANSYS软件主要由前处理、分析计算以及后处理3个主要模块，不仅具有功能强大、操作简单的优势，同时还可以为广大用户提供多种二次开发工具[3]。基于此，此次研究选择ANSYS有限元软件进行计算模型的构建。

参数化建模技术是当前计算机数值模拟研究领域的重要基础性技术，是指采用一组参数确定研究对象的具体几何特征，从而实现模型的设计参数和研究对象几何尺寸的有效对接，从而实现研究对象建模的参数驱动[4]。由此次研究对象的具体特点可知，其十分适合采用参数化建模技术，因此采用软件中自带的APDL（ANSYS Parametric Design Language）参数化设计语言进行研究对象的参数化建模，实现弧形闸门的参数化几何模型的建立、参数化网格划分、参数化材料属性的定义、参数化荷载与边界约束条件的施加以及参数化的后处理[5]。

2.2 有限元模型的建立

在钢闸门的几何模型建立过程中，以顺河向指向上游的方向为X轴正方向，以竖直向上的方向为Y轴正方向；以垂直于X轴指向右岸的方向为Z轴的正方。由于此次研究需要对有限元模型进行多次计算，因此支臂箱型梁、面板、主梁、横向次梁、纵向次梁部分使用ANSYS 中的Shell63板壳单元进行模拟，支臂的横撑、斜撑、横撑间的连接板、小梁等结构使用ANSYS 中的Beam188梁单元进行模拟[6]。最终，钢闸门模型被划分为15 976个网格单元，12 247个计算节点，模型的网格剖分示意图如图1所示。

图1 弧形钢闸门三维有限元模型示意图

2.3 计算荷载与边界条件

研究中按照水电站的设计工况进行钢闸门的静力分析，其工作状态为关闭挡水状态。施加在闸门上的主要荷载有两部分，一是设计水位条件下上游的水压荷载，二是闸门的自重荷载[7]。此外，科学合理的边界条件对保证数值模拟计算结果的科学性和准确性具有重要意义。鉴于钢闸门的门槛具有显著的约束作用，因此其门叶底部和门槛接触的部位相对固定，不会产生明显的竖向位移，因此在上述位置施加竖向位移约束。由于支臂和支座均安放在铰结构上，可以进行灵活转动，因此需要在支铰结构部位施加全位移约束，同时在绕X轴和Y轴方向施加转动约束。

2.4 优化思路

背景工程钢闸门有3道主梁，分别记作上主梁、中主梁和下主梁。在主梁的位置布置方面，首先根据等水压力原理[8]，将中主梁置于总水压力的作用线上，然后改变上主梁和下主梁与中主梁之间的间距，从而获得最佳设计方案[9]。3道主梁可以将弧形闸门的面板自上而下分为4部分，其间距分别记为a、b、c、d。其中b为上主梁和中主梁之间的间距，c为中主梁和下主梁之间的间距，是此次研究的主要变量。研究中首先保持c不变，对b进行优化，然后保持优化后的b不变，对c进行优化，最终获得主梁位置的最佳方案。

3 优化计算结果与分析

3.1 上主梁位置优化

按照上节的优化思路，保持中主梁和下主梁之间的间距c为4.5 m不变，以1.5 m的间隔设计3.0 m、4.5 m、6.0 m、7.5 m和9.0 m 5个不同的上主梁和中主梁之间的间距b值进行模拟计算，其对应的a值分别为10.6 m、9.1 m、7.6 m、6.1 m和4.6 m，所有方案的d值均为2.2 m。利用上节构建的数值模型，对不同方案下的主梁应力分布进行计算，并从计算结果中提取出主梁的上翼缘、下翼缘以及腹板等关键部位的各向应力最大值，结果如表1所示。从表1的计算结果来看，上翼缘的第一主应力值随着上主梁与中主梁间距b值的增大而增大，且大于6.0 m时的增幅极为有限。其余各关键部位的各向应力值均呈现出先减小后增大的变化特征，且上主梁与中主梁间距b值为6.0 m时最小。由此可见，上主梁和中主梁间距为6.0 m时为最佳。

表1 不同上主梁位置关键部位应力最大值单位：MPa

3.2 下主梁位置优化

根据上节的计算结果，上主梁和中主梁之间的间距为6.0 m时最优。因此，保持上主梁和中主梁之间的间距为6.0 m不变，以0.5 m的间隔设计2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m和5.0 m 6个不同的中主梁和下主梁之间的间距c值进行模拟计算，其对应的d值分别为4.2 m、3.7 m、3.2 m、2.7 m和2.2 m和1.7m，所有方案的a值均为7.6 m。利用上节构建的数值模型，对不同方案下的主梁应力分布进行计算，并从计算结果中提取出主梁的上翼缘、下翼缘以及腹板等关键部位的各向应力最大值，结果如表2所示。从表2的计算结果来看，下翼缘的第一主应力值随着下主梁与中主梁间距c值的增大而增大，但是增大的幅度并不大。其余各关键部位的各向应力值均呈现出先减小后增大的变化特征，且下主梁与中主梁间距c值为4.5 m时最小。由此可见，下主梁和中主梁间距为4.5 m时为最佳。

3.3 水位降低的受力影响计算分析

根据上文的计算结果，上主梁和中主梁以及中主梁和下主梁之间的间距分别为6.0 m和4.5 m时弧门关键部位的受力情况较好。考虑到水库运行过程中的水位经常低于设计水位，而这种情况下弧门的受力条件是否仍旧较好，需要进一步探讨。基于此，在其余条件不变的情况下，对水位低于设计水位1.0 m的低水位进行计算，结果如表3所示。由计算结果可知，在低水位条件下，仅有上翼缘的第3主应力和Mises 应力最大值较设计水位工况有所增大，但是增大的幅度较为有限，其余各部位的应力值均有不同程度的减小。由此可见，本文提出的最佳方案在低水位情况下亦可以取得良好的受力优化效果，建议在工程设计中应用。

表3 不同水位高度关键部位应力最大值单位：MPa

4 结论

此次研究以具体工程为背景，探讨了弧形钢闸门主梁设置位置优化问题，并获得如下主要结论。

（1）从不同上主梁与中主梁间距下关键部位的应力计算结果来看，上主梁和中主梁间距为6.0 m时为最佳。

（2）从不同下主梁与中主梁间距下关键部位的应力计算结果来看，下主梁和中主梁间距为4.5 m时为最佳。

（3）从不同水位高度工况的计算结果来看，上主梁和中主梁以及中主梁和下主梁之间的间距分别为6.0 m和4.5 m的方案在低水位情况下亦可以取得良好的受力优化效果，建议在工程设计中应用。