淺談溢洪道弧形鋼閘門設(shè)計中容易忽略的幾個問題

【摘要】溢洪道弧形鋼閘門是水利樞紐中的重要組成部分，常采用斜支臂結(jié)構(gòu)形式?；⌒武撻l門通常簡化為平面假設(shè)模型進行設(shè)計，在設(shè)計過程中由于對一些次要構(gòu)件不夠重視，在工程運行中出現(xiàn)一些問題。本文通過多模型對比分析溢洪道弧形閘門在設(shè)計過程中容易忽略的問題，為設(shè)計提供一定的指導作用。

【關(guān)鍵詞】弧形鋼閘門；位移；支臂；頂次梁；壓桿穩(wěn)定；ansys

弧形鋼閘門有啟閉力小、運行可靠、結(jié)構(gòu)受力合理、門槽平滑等優(yōu)點，在水利樞紐溢洪道中成為首先閘門形式。在溢洪道中采用的弧形鋼閘門主要為斜支臂形式，斜支臂弧形鋼閘門支臂空間角度關(guān)系多，結(jié)構(gòu)為空間受力?，F(xiàn)行《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》SL 74-2013中主要介紹了主梁和支臂的平面假定計算方法。實際證明運用平面假定進行主梁和支臂的設(shè)計是安全可靠的。但由于設(shè)計人員在設(shè)計過程中關(guān)注于主要受力構(gòu)件的設(shè)計計算，忽略了某些次要構(gòu)件的設(shè)計而發(fā)生安全隱患。本文主要分析的問題有（1）有限元計算和平面假設(shè)計算結(jié)果對比（2）支臂結(jié)構(gòu)的合理布置問題。（3）為減小閘門門頂位移，在頂次梁上加斜撐，改變頂次梁的計算模型的問題。

1、分析模型

本文以一個10（寬）×13.55（高）-13.05米溢洪道弧形工作鋼閘門為例進行相關(guān)研究。安照《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》SL 74-2013進行主要結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計，面板半徑為15米，支鉸高度9米，門葉采用雙主橫梁式，支臂為斜支臂，門體、支臂主材為Q345B，啟閉機采用液壓啟閉機，吊耳設(shè)置在邊梁下部靠近底主梁位置。按規(guī)范要求進行面板、次梁、豎梁、主梁、支臂結(jié)構(gòu)計算，根據(jù)計算結(jié)果用ansys進行復核，復核模型分3種考慮：（1）只計算門葉和支臂，不考慮支臂斜撐和頂次梁斜撐；（2）考慮門葉、支臂和支臂斜撐；（3）考慮門葉、支臂、支臂斜撐、頂次梁設(shè)置斜撐。三個模型采用相同的邊界條件和荷載，支鉸為一組鉸接支座，考慮啟閉機的作用閘門吊耳為另一組鉸接支座。

2、設(shè)計結(jié)果與分析

有限元計算與平面假設(shè)計算結(jié)構(gòu)對比

通過有限元分析弧形鋼閘門整體應力水平和按規(guī)范計算值相當，但在位移變形上與平面假設(shè)分析結(jié)果相差較大。

通過計算對比知按規(guī)范要求對溢洪道弧形閘門進行設(shè)計，主要構(gòu)件是安全可靠的。由于平面假設(shè)計算構(gòu)件位移時，只是考慮的構(gòu)件自身的位移，沒有考慮在整體結(jié)構(gòu)中位移的疊加，造成和有限元計算結(jié)果相差較大。

支臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

支臂結(jié)構(gòu)為一榀桁架，采用平面假設(shè)計算時支臂主梁按剛架進行計算。在設(shè)計過程中，往往只對上下支臂進行計算，忽略支臂斜撐的設(shè)計，在實際工程出現(xiàn)支臂斜撐壓彎的情況。不設(shè)斜撐，支臂跨中最大變形為6.16mm，支臂整體剛度偏弱，豎桿均為受壓桿容易出現(xiàn)壓桿失穩(wěn)，這種支臂結(jié)構(gòu)的布置形式不夠合理。在支臂結(jié)構(gòu)中設(shè)置斜桿使支臂形成一個空間桁架結(jié)構(gòu)，支臂的整體剛度增大，支臂在跨中位置位移減小到3mm，第一道豎桿由受壓變?yōu)槭芾?；但由于增加斜桿使結(jié)構(gòu)受力變得復雜，K型斜撐是超靜定結(jié)構(gòu)再加上邊界條件復雜采用手算有一定的難度。通過對比上述兩種模型的計算結(jié)果支臂結(jié)構(gòu)采用空間桁架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計能提高整體剛度，改善結(jié)構(gòu)受力狀況，結(jié)構(gòu)更為合理。

頂次梁支撐桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

溢洪道弧形鋼閘門由于豎梁上懸臂段較大，在水壓力作用下產(chǎn)生較大的位移，設(shè)計時為減小懸臂端位移，在頂次梁和支臂之間加設(shè)一道斜撐所示。由于增設(shè)的這一道斜撐改變了頂次梁的受力狀態(tài)，頂次梁由多跨連續(xù)梁變?yōu)閱慰绾喼Я?。采用簡圖進行驗算頂次梁的受力和斜撐的作用。

通過頂次梁支撐的對比計算可知，溢洪道弧形閘門最大位移發(fā)生在頂次梁的懸臂端位置。在頂次梁和支臂之間設(shè)置斜撐可以減小門體頂部的位移但是作用不明顯，主要原因在于門頂位移是由門體、支臂變形疊加造成。頂次梁在沒有設(shè)置支撐桿時最大應力為32N/mm2，發(fā)生在豎梁支撐位置；設(shè)置支撐桿后的最大應力為45 N/mm2，發(fā)生在支撐桿位置。受力狀態(tài)的變化和計算模型改變相符合?？刂崎T體頂部位移除加大構(gòu)件截面外，沒有別的可靠方法，設(shè)計中在門頂位移滿足要求的情況下，可考慮改善閘門止水和止水座板來適應門體的變形。

3、結(jié)論

通過按平面理論假設(shè)計算和有限元分析對比，溢洪道弧形工作閘門按現(xiàn)行規(guī)范要求進行主要結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全可靠的。但由于溢洪道弧形閘門為空間結(jié)構(gòu)，按傳統(tǒng)做法無法精確得到結(jié)構(gòu)位移、支臂等復雜結(jié)構(gòu)受力情況，在技術(shù)成熟的情況下將有限元技術(shù)引入到水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計中是很必要的。

參考文獻：

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[2]陳紹蕃，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理 [M].北京：科學出版社，2005.

[3]胡友安，王孟.水工鋼閘門數(shù)值模擬與工程實踐 [M].北京：中國水利水電出版社，2010.

作者簡介：黃臣勇（1983-），男，四川資陽人，貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，助理工程師，研究方向：水工金屬結(jié)構(gòu)。