船闸三角闸门静力仿真研究

嵇旭红，杜彩霞，周详，史常龙，张慧中，蔡建国，戴振华

（1.常州市港航事业发展中心，江苏 常州 213022；2.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014；3.东南大学，江苏 南京 211189）

船闸三角闸门具有能承受双向水头，而且能在闸门上、下游有一定的水位差时启闭，使用灵活等特点，特别对于受潮汐影响的船闸使用三角闸门比较适用[1,2]。魏村船闸工程采用弧面三角闸门，相比平板闸门，弧面三角闸门具有较强的空间性，因此使用平面分析方法或将闸门组件单独进行受力分析都无法反映弧面三角闸门的实际受力情况[3]。因此，本文使用空间有限元计算方法对三角闸门进行有限元分析，使用有限元分析软件ABAQUS 对船闸在不同工况下的受力情况进行了计算，为闸门的安全使用及优化提供依据。

1 计算模型与计算工况

1.1 闸门基本参数与有限元模型

三角闸门的主体结构由端柱、主支臂、空间联系刚架和面板梁格系组成。面板厚为10mm,闸门高11.6m。防撞部分使用工字形梁、箱型梁及双槽钢，浮箱梁则采用T 形梁，对于空间桁架构件及支臂则采用空心钢管，使用空心焊接球对空间桁架钢管进行连接。闸门结构几何模型如图1 所示。

图1 三角闸门几何模型

由于三角闸门两扇闸门在载荷、约束、结构布置等方面均对称，因此本文取一扇闸门进行静力分析。由于三角闸门在受力时有较强的空间特征，为了得到闸门在实际运行时的工作状态和整体特征，同时考虑闸门各构件之间的连接方式对受力的影响，在建模过程中采用不同的空间三维单元，闸门不同组件采用的网格单元如表1 所示。

表1 闸门不同组件的网格单元类型

闸门采用的钢材为CCSB 和Q355 钢材，钢材密度取7850kg/m³，泊松比为0.3，钢材的弹性模量E 为2.06×105MPa，初估闸门总重为92.85t，重力加速度取9.8m/s2。在分析中考虑浮箱的作用，取等效重力加速度为5.79 m/s2。由于三角闸门整体有限元模型建立时不可避免地会对闸门实际结构细部和构造部件如加劲肋、节点板、焊缝等一些细部的材料等做必要的简化，考虑上述因素，计算自重时将钢材的密度乘以一个大于1 的系数1.1 予以放大，取=1.1×7850=8365 kg/m3，以考虑上述因素对闸门自重荷载的影响。

1.2 计算工况及约束条件

三角闸门的约束情况和实际工作情况均比较复杂，考虑闸门实际运行时受水压力会随通航条件改变，组合得到两种设计工况及约束条件，如表2 所示。

表2 不同工况下的计算水位和约束条件

2 强度、刚度及稳定性的判定标准

参考《船闸闸阀门设计规范》[4]的规定，钢闸门结构采用容许应力法进行结构设计，结构设计强度需要取容许应力，根据厚度的不同，钢材的容许应力分为两组，该工程所采用的钢材厚度范围均小于16mm。同时根据规范规定，容许应力应乘相应的系数0.9-0.95，本文按照闸门等级1 级取调整系数为0.90。

本工程应用的钢材为Q355B 和CCSB 船板，按照Q345 进行计算，因此设计容许应力为230×0.90=207.0 N/mm2。

根据《船闸闸阀门设计规范》[4]的规定，受弯构件和偏心受压构件应验算其挠度。闸门主梁及次梁应满足的最大挠度限值如表3 所示，l 为构件长度。

表3 主、次梁最大挠度限值

根据《船闸闸阀门设计规范》[4]和《钢结构设计标准》[5]规定：三角闸门的受压、受弯及压弯构件均需进行整体稳定验算。空间桁架腹杆主要受到弯矩和轴力的作用，由于桁架腹杆两端弯矩较小，可近似视为轴心受压构件进行验算，根据规范规定，轴心受压构件应满足以下公式：

3 计算结果与分析

3.1 闸门结构应力分析

本文考虑水压力与船闸自身重力作为主要荷载，闸门的强度检验采用第四强度理论，强度校核公式为：

对比两种工况，正向水位差为3.81m 大于反向水位差3.21m，正向设计组合情况下，闸门受的水压力更大，因此正向设计组合为两种工况条件下更为危险的工况条件。计算得到，在正向设计组合的工况条件下，闸门面板最大折算应力为150.7MPa，梁格最大折算应力为145.5MPa，依照《船闸闸阀门设计规范》[4]的规定，对两种工况条件下面板、梁格、主体杆件、防撞杆件及支臂进行强度验算，结果如表4 所示。由表4 可知，计算的两种工况，弧面三角闸门各组件强度均满足要求。

表4 闸门各构件在不同工况下受到的最大折算应力（MPa）

闸门在正向设计组合下的面板、底主梁应力云图如图2 所示，面板应力自上而下逐渐增大，在面板左右两端存在局部应力集中，底主梁最大折算应力满足强度要求。

图2 工况一面板应力云图（单位：MPa）

3.2 闸门结构刚度分析

对于刚度验算，考虑梁格的径向位移，图3 表示了两种工况条件下梁格径向位移云图。从梁格的位移云图可以看出，主梁的最大径向位移均出现在靠近底部浮箱处，另一方面，闸门的位移从上往下也不断增大，主要由于底部所受的荷载较大。在两种工况条件下，主梁的最大挠度分别为3.02mm、2.34mm，次梁的最大挠度分别为3.01mm、2.32mm，均小于最大允许挠度，故刚度满足要求。

图3 不同工况下梁格位移云图

3.3 闸门空间桁架杆稳定性分析

在闸门实际受力中，杆件主要受拉力和压力作用，对于受压杆件，为避免由于杆件失稳导致闸门结构破坏，需要对空间桁架杆件的稳定性进行检验，表5 列出了在两种工况下，桁架杆受到的最大压力。杆件均按轴心受压杆件考虑进行稳定性分析。对于轴心受压杆件，按公式（1）验算其稳定性，杆件最小半径为51mm，按a 类截面考虑，其最小稳定系数取0.886，同时杆件受最大轴力为-1kN，代入式（1）：

表5 空间桁架杆件在不同工况条件下受到的最大轴压力（kN）

因此稳定性满足要求。

4 结论

（1）运用有限元法，使用ABAQUS 对三角闸门进行静力数值分析，得到不同工况条件下，三角闸门的应力与变形情况，分析船闸在不同工况下的受力情况。

（2）根据计算得到的应力及位移结果，对闸门整体及局部进行强度与刚度的校核。结果表明，三角闸门整体及局部的强度与刚度均满足要求。

（3）对不同工况条件下，空间桁架杆件稳定性进行分析，在两种工况条件下，杆件的受压、受拉发生改变，分析结果表明，不同工况条件下，杆件稳定性满足要求。