高水頭船閘閥門頂止水安裝變形試驗(yàn)與數(shù)值模擬*

魏述和，王 新

(1.凱里學(xué)院 建筑工程學(xué)院，貴州 凱里 556011；2.南京水利科學(xué)研究院，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

當(dāng)前，船閘建設(shè)正朝著高水頭的方向持續(xù)發(fā)展，也對(duì)船閘閥門止水的水密性提出了更高的要求。船閘閥門頂止水初始安裝位置的確定與其安裝變形及受力特性密不可分，直接關(guān)系到閥門水封系統(tǒng)的工作可靠性和使用壽命。三峽船閘反弧門頂止水歷次更換中，止水橡皮在閥門全關(guān)位置緊貼門楣，擰緊壓板后在螺栓預(yù)緊力作用下，止水橡皮在門楣處壓縮變形約2 mm，通過(guò)幾年運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，這種初始安裝位置要求對(duì)20～30 m的工作水頭是合適的，但對(duì)于三峽中間級(jí)船閘40 m以上的工作水頭并不合適，止水使用壽命無(wú)法達(dá)到預(yù)期[1]。因此，研究閥門頂止水的安裝變形特性具有重要意義，可為止水初始安裝位置的確定和頂止水變形預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

止水安裝變形研究大多是關(guān)于水工鋼閘門。陳五一等[2]采用數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)伸縮式水封水密性及封水判斷依據(jù)進(jìn)行研究，建立基于封頭接觸寬度和接觸應(yīng)力的判斷依據(jù)，但只適用于特殊形式的伸縮式水封；劉禮華等[3]根據(jù)伸縮式止水的受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種水庫(kù)庫(kù)壓自行封閉的高壓閘門止水，并結(jié)合某大型水電工程進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出高壓閘門止水水密性的變化規(guī)律和封頭間隙對(duì)此的影響；楊斌等[4]采用數(shù)值仿真研究充壓伸縮式水封封頭外伸特性，計(jì)算多工況的臨界封水背壓值并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，認(rèn)為計(jì)算仿真可信度高，可采用仿真計(jì)算代替試驗(yàn)，從而顯著降低試驗(yàn)成本；張紹春等[5]通過(guò)某高水頭弧形閘門伸縮式水封的切片試驗(yàn)，研究3種不同形式止水的變形及封水性能，認(rèn)為伸縮式水封中采用軟硬不同的復(fù)合斷面性能最佳；王新等[6]研發(fā)止水切片試驗(yàn)方法，研究了半圓頭型頂止水的變形特性。然而，高水頭船閘普遍采用的反弧門半圓頭型頂止水，與水工鋼閘門的止水形式和工作特性差異很大，其安裝變形特性的相關(guān)研究很少。從物理模型與數(shù)學(xué)模型的互補(bǔ)性考慮，本文采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)高水頭船閘閥門半圓頭型頂止水安裝變形特性進(jìn)行研究。

1 研究方法

以高水頭船閘反弧門半圓頭型頂止水為研究對(duì)象，采用1:1切片試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究不同安裝扭矩作用下止水的變形輪廓、位移、頭部伸長(zhǎng)、接觸寬度等變形特征和按第四強(qiáng)度理論衡量的等效應(yīng)力分布規(guī)律。

1.1 切片試驗(yàn)

研發(fā)的模擬反弧門頂止水安裝條件的切片試驗(yàn)裝置如圖1所示。在閥門寬度方向，按兩個(gè)安裝螺栓布置寬度考慮，螺栓間距為120 mm，試驗(yàn)裝置切片寬度取240 mm，安裝螺栓橫向?qū)ΨQ布置，在裝置側(cè)面對(duì)應(yīng)止水安裝的位置布置有機(jī)玻璃觀察窗，以便觀測(cè)止水的變形。用于試驗(yàn)的頂止水試件見圖2，取自工程實(shí)際使用的止水材料。止水安裝采用自制的扭力扳手，可實(shí)時(shí)顯示記錄安裝的扭矩值。止水安裝按多個(gè)不同扭矩考慮，包括52.6、83.5、114.4、145.4 N·m，變形利用固定相機(jī)通過(guò)側(cè)面有機(jī)玻璃觀察窗觀測(cè)，然后由計(jì)算機(jī)處理得到變形輪廓和變形量。

圖1 1:1切片試驗(yàn)裝置

圖2 頂止水試件

1.2 數(shù)值模擬

切片試驗(yàn)可以模擬不同安裝荷載作用下止水的變形特性，但無(wú)法獲得止水的應(yīng)力分布，因此，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用有限元數(shù)值模擬方法重點(diǎn)分析止水的應(yīng)力特性。止水安裝中涉及壓板、止水、座板、胸墻等，它們之間有接觸約束作用，數(shù)值模擬重點(diǎn)需要解決止水與各結(jié)構(gòu)在邊界上的接觸問(wèn)題。

令tSc是每個(gè)物體接觸的整個(gè)面積，L為1和2分別表示物體I和J，則在時(shí)刻t給出的虛功原理為：

(1)

對(duì)應(yīng)于時(shí)刻t線性化的有限元離散方程是：

(2)

(3)

橡膠止水材料采用Mooney-Rivilin模型，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)所用的橡膠進(jìn)行材料力學(xué)試驗(yàn)，獲得其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，進(jìn)而擬合得到模型參數(shù)C01=445 722.2、C10=125 362.4，用于數(shù)值計(jì)算分析。采用平面應(yīng)變假定，建立的止水二維模型網(wǎng)格如圖4所示，所有與止水接觸的面都設(shè)置接觸條件，采用接觸算法求解。胸墻和座板底部全約束，壓板上表面施加荷載，荷載通過(guò)式(4)由安裝扭矩?fù)Q算得到：

(4)

式中：F為壓緊力；T為扭矩；d為螺栓直徑；Kt為換算系數(shù)。

圖3 止水材料力學(xué)試驗(yàn)曲線

圖4 止水有限元模型

2 結(jié)果分析

通過(guò)1:1切片試驗(yàn)和數(shù)值模擬分別得到了安裝扭矩為0、52.6、83.5、114.4和145.4 N·m作用下的變形輪廓、頭部凸起和接觸寬度等安裝變形特征，以及不同安裝荷載作用下止水的應(yīng)力分布。

2.1 止水安裝變形

2.1.1變形云圖

不同安裝荷載條件下切片試驗(yàn)和數(shù)值模擬獲得的止水變形結(jié)果如圖5所示。左側(cè)為試驗(yàn)照片，右側(cè)為計(jì)算變形云圖，試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果顯示，止水在逐漸增大的預(yù)緊扭矩作用下，壓板擠壓止水壓縮變形，與上壓板接觸的止水上表面豎向壓縮，止水頭部向右伸長(zhǎng)，并在傾斜胸墻的約束下，向上凸起；隨著預(yù)緊扭矩增大，止水與胸墻接觸愈加緊密，接觸寬度逐漸增大；從變形特性看，試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

圖5 止水安裝變形試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果

2.1.2止水變形量

切片試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算止水頭部變化輪廓對(duì)比見圖6，圖中實(shí)線為切片試驗(yàn)變形輪廓線，虛線為數(shù)值模擬得到的輪廓，傾斜細(xì)實(shí)線為胸墻位置。試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，但止水頭部右下部分在各級(jí)荷載作用下均出現(xiàn)偏差，其原因是數(shù)值模擬時(shí)在止水與胸墻接觸處未產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，而試驗(yàn)過(guò)程中觀察到加載時(shí)止水與胸墻間產(chǎn)生了小幅度相對(duì)滑動(dòng)?？傮w來(lái)看，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果輪廓線吻合度較好。

圖6 切片試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

荷載逐漸增大，壓板壓緊止水，并且在止水座限制下頭部受到擠壓。止水從與墊板接觸表面向上到與壓板接觸表面位移逐漸增大，半圓形頭部由于受到傾斜胸墻的限制，位移變形小于壓板下部區(qū)域的止水變形，預(yù)緊荷載增大時(shí)位移分布也是呈現(xiàn)同樣規(guī)律；安裝扭矩52.6 N·m，位移最大值為6.0 mm，出現(xiàn)在與壓板接觸表面的最左側(cè)；安裝扭矩為83.5、114.4、145.4 N·m，位移最大值分別為8.9、10.5和13.0 mm，最大值同樣出現(xiàn)在相同位置附近。最小值均出現(xiàn)在與墊板接觸的止水下表面和與胸墻接觸的半圓形頭部位置。

2.1.3止水頭部凸起高度

從螺栓中心、止水上表面為基準(zhǔn)，測(cè)量止水頭部受門楣約束時(shí)的凸起高度。頭部凸起高度變化如圖7所示。未加載時(shí)，由于上壓板的自重作用，止水受壓，頭部產(chǎn)生1.17 mm的凸起；逐漸加載，半圓頭型止水頭部向上凸起高度逐漸增大，切片試驗(yàn)結(jié)果顯示，安裝扭矩從52.6 N·m增大到145.4 N·m時(shí)，凸起高度從2.41 mm增大到8.47 mm，近似線性變化；數(shù)值模擬表明，同樣加載方式凸起高度從3.27 mm增大到8.97 mm，與試驗(yàn)結(jié)果契合。研究表明，隨著安裝扭矩增大，頭部凸起高度相應(yīng)增大，變化近似線性。

圖7 止水頭部凸起高度

2.1.4接觸寬度

水密性與止水座板間的接觸寬度密切相關(guān)，圖8為止水座上止水橡膠的接觸寬度變化曲線，安裝扭矩增大，接觸寬度相應(yīng)增大。安裝扭矩施加前，由于上壓板的自重作用，止水受壓，半圓形頭部位置與止水座接觸寬度為11 mm；逐漸加載，頭部與止水座進(jìn)一步壓緊，接觸寬度繼續(xù)增大，切片試驗(yàn)結(jié)果顯示，安裝扭矩從52.6 N·m增大到145.4 N·m時(shí)，接觸寬度從25.2 mm增大到33.2 mm，呈非線性變化趨勢(shì)；數(shù)值模擬表明，同樣加載時(shí)接觸寬度從14.9 mm增大到24.1 mm，與試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律相同。試驗(yàn)與數(shù)值模擬的接觸寬度存在約10 mm的初始誤差，這是由于試驗(yàn)加載前，上壓板的自重所導(dǎo)致。分析表明，隨著安裝扭矩增大，止水座上橡膠接觸寬度相應(yīng)增大，呈非線性增大趨勢(shì)。

圖8 止水頭部與胸墻接觸寬度

2.2 等效應(yīng)力

按第四強(qiáng)度理論，不同安裝扭矩作用下止水等效應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果見圖9。安裝扭矩逐漸錨緊壓板擠壓止水，壓板和墊板之間的止水部分處于相對(duì)高的等效應(yīng)力狀態(tài)，半圓形頭部除了與胸墻接觸的部位外，其余部位未受約束，處于低應(yīng)力狀態(tài)，逐漸增大安裝扭矩等效應(yīng)力呈現(xiàn)相同的分布狀態(tài)。52.6 N·m安裝扭矩作用下，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在止水上表面與壓板接觸的兩側(cè)邊緣處，為0.8 MPa左右，屬于應(yīng)力集中現(xiàn)象，其余大部分區(qū)域等效應(yīng)力處于0.4 MPa的水平；半圓形頭部處于相對(duì)低的等效應(yīng)力水平，大部分不超過(guò)0.2 MPa，而受胸墻止水座約束而受擠壓的部位等效應(yīng)力顯著增大，但未超過(guò)0.5 MPa。隨著安裝扭矩增大到83.5、114.4和145.4N·m，止水最大等效應(yīng)力分別達(dá)到1.5、2.6和3.6 MPa，均出現(xiàn)在壓板角點(diǎn)與止水接觸位置。由加載過(guò)程止水應(yīng)力分布特性看出，壓板、座板與半圓頭接觸區(qū)域的應(yīng)力梯度較大，加之閥門頻繁啟閉，止水反復(fù)變形，該位置最易發(fā)生損壞，與止水實(shí)際使用情況相符。

圖9 等效應(yīng)力云圖(單位：MPa)

3 結(jié)論

1)基于力學(xué)試驗(yàn)獲得原型材料參數(shù)和接觸力學(xué)計(jì)算理論，止水變形數(shù)值模擬結(jié)果與1:1切片試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，為止水應(yīng)力、動(dòng)力等數(shù)值分析奠定基礎(chǔ)。

2)隨著安裝扭矩增大，止水頭部凸起高度近似線性增大；胸墻與止水接觸寬度呈非線性變化，增大速率隨著安裝扭矩增大而遞減。

3)在各級(jí)安裝扭矩作用下止水最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在壓板角點(diǎn)位置，屬于應(yīng)力集中現(xiàn)象；止水頭部與壓板、座板接觸邊界位置應(yīng)力梯度最大，是止水最易發(fā)生損壞的部位。

4)本文僅研究了閥門止水的安裝受力變形，水壓作用下的變形規(guī)律及初始狀態(tài)的疊加分析應(yīng)做進(jìn)一步研究。