弧形鋼閘門主梁布置位置優(yōu)化研究

王 蓓

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟(jì)南 250013）

1 工程背景

某水電站是一座以防洪和發(fā)電為主，兼具其他多種功能的綜合性小型水利工程。電站的主要水工建筑物有大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)以及泄洪設(shè)施。電站大壩為混凝土重力壩，按照百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，千年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。大壩的溢流壩段位于大壩的右岸，為WES實用溢流堰設(shè)計，堰頂高程為55.10 m。溢流壩閘門為露頂式鋼閘門，設(shè)計水位為400.0 m，壩前超高水位為0.5 m，底坎的高程為380.8 m，弧形鋼閘門的高度為19.7 m，寬度為14.0 m。閘門的面板和主梁為16 Mn鋼設(shè)計，其余構(gòu)件均采用Q235B鋼，彈性模量為206 GPa，重度為78.5 kN/m3，泊松比為0.3。對于弧形鋼閘門，其主梁和支臂結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了弧門的主框架，其布置形式的合理設(shè)計可以使主框架受力良好，提高閘門的承載力和安全性，保證弧形鋼閘門的正常、安全運行[1]。基于此，此次研究力求通過數(shù)值模擬的方法，探討主梁布置位置對閘門結(jié)構(gòu)剛度和強度的影響，并提出具體的工程設(shè)計建議。

2 有限元模型的構(gòu)建

2.1 計算軟件的選擇

ANSYS是一款由美國ANSYS公司開發(fā)的通用有限元軟件，在工程設(shè)計和分析領(lǐng)域具有十分廣泛的影響，已經(jīng)成為當(dāng)前增長最快的CAE軟件，可以用解決結(jié)構(gòu)、流體、電力等諸多領(lǐng)域的數(shù)值模擬計算問題，具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景[2]。ANSYS軟件主要由前處理、分析計算以及后處理3個主要模塊，不僅具有功能強大、操作簡單的優(yōu)勢，同時還可以為廣大用戶提供多種二次開發(fā)工具[3]。基于此，此次研究選擇ANSYS有限元軟件進(jìn)行計算模型的構(gòu)建。

參數(shù)化建模技術(shù)是當(dāng)前計算機數(shù)值模擬研究領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)性技術(shù)，是指采用一組參數(shù)確定研究對象的具體幾何特征，從而實現(xiàn)模型的設(shè)計參數(shù)和研究對象幾何尺寸的有效對接，從而實現(xiàn)研究對象建模的參數(shù)驅(qū)動[4]。由此次研究對象的具體特點可知，其十分適合采用參數(shù)化建模技術(shù)，因此采用軟件中自帶的APDL（ANSYS Parametric Design Language）參數(shù)化設(shè)計語言進(jìn)行研究對象的參數(shù)化建模，實現(xiàn)弧形閘門的參數(shù)化幾何模型的建立、參數(shù)化網(wǎng)格劃分、參數(shù)化材料屬性的定義、參數(shù)化荷載與邊界約束條件的施加以及參數(shù)化的后處理[5]。

2.2 有限元模型的建立

在鋼閘門的幾何模型建立過程中，以順河向指向上游的方向為X軸正方向，以豎直向上的方向為Y軸正方向；以垂直于X軸指向右岸的方向為Z軸的正方。由于此次研究需要對有限元模型進(jìn)行多次計算，因此支臂箱型梁、面板、主梁、橫向次梁、縱向次梁部分使用ANSYS 中的Shell63板殼單元進(jìn)行模擬，支臂的橫撐、斜撐、橫撐間的連接板、小梁等結(jié)構(gòu)使用ANSYS 中的Beam188梁單元進(jìn)行模擬[6]。最終，鋼閘門模型被劃分為15 976個網(wǎng)格單元，12 247個計算節(jié)點，模型的網(wǎng)格剖分示意圖如圖1所示。

圖1 弧形鋼閘門三維有限元模型示意圖

2.3 計算荷載與邊界條件

研究中按照水電站的設(shè)計工況進(jìn)行鋼閘門的靜力分析，其工作狀態(tài)為關(guān)閉擋水狀態(tài)。施加在閘門上的主要荷載有兩部分，一是設(shè)計水位條件下上游的水壓荷載，二是閘門的自重荷載[7]。此外，科學(xué)合理的邊界條件對保證數(shù)值模擬計算結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性具有重要意義。鑒于鋼閘門的門檻具有顯著的約束作用，因此其門葉底部和門檻接觸的部位相對固定，不會產(chǎn)生明顯的豎向位移，因此在上述位置施加豎向位移約束。由于支臂和支座均安放在鉸結(jié)構(gòu)上，可以進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)動，因此需要在支鉸結(jié)構(gòu)部位施加全位移約束，同時在繞X軸和Y軸方向施加轉(zhuǎn)動約束。

2.4 優(yōu)化思路

背景工程鋼閘門有3道主梁，分別記作上主梁、中主梁和下主梁。在主梁的位置布置方面，首先根據(jù)等水壓力原理[8]，將中主梁置于總水壓力的作用線上，然后改變上主梁和下主梁與中主梁之間的間距，從而獲得最佳設(shè)計方案[9]。3道主梁可以將弧形閘門的面板自上而下分為4部分，其間距分別記為a、b、c、d。其中b為上主梁和中主梁之間的間距，c為中主梁和下主梁之間的間距，是此次研究的主要變量。研究中首先保持c不變，對b進(jìn)行優(yōu)化，然后保持優(yōu)化后的b不變，對c進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得主梁位置的最佳方案。

3 優(yōu)化計算結(jié)果與分析

3.1 上主梁位置優(yōu)化

按照上節(jié)的優(yōu)化思路，保持中主梁和下主梁之間的間距c為4.5 m不變，以1.5 m的間隔設(shè)計3.0 m、4.5 m、6.0 m、7.5 m和9.0 m 5個不同的上主梁和中主梁之間的間距b值進(jìn)行模擬計算，其對應(yīng)的a值分別為10.6 m、9.1 m、7.6 m、6.1 m和4.6 m，所有方案的d值均為2.2 m。利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值模型，對不同方案下的主梁應(yīng)力分布進(jìn)行計算，并從計算結(jié)果中提取出主梁的上翼緣、下翼緣以及腹板等關(guān)鍵部位的各向應(yīng)力最大值，結(jié)果如表1所示。從表1的計算結(jié)果來看，上翼緣的第一主應(yīng)力值隨著上主梁與中主梁間距b值的增大而增大，且大于6.0 m時的增幅極為有限。其余各關(guān)鍵部位的各向應(yīng)力值均呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征，且上主梁與中主梁間距b值為6.0 m時最小。由此可見，上主梁和中主梁間距為6.0 m時為最佳。

表1 不同上主梁位置關(guān)鍵部位應(yīng)力最大值單位：MPa

3.2 下主梁位置優(yōu)化

根據(jù)上節(jié)的計算結(jié)果，上主梁和中主梁之間的間距為6.0 m時最優(yōu)。因此，保持上主梁和中主梁之間的間距為6.0 m不變，以0.5 m的間隔設(shè)計2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m和5.0 m 6個不同的中主梁和下主梁之間的間距c值進(jìn)行模擬計算，其對應(yīng)的d值分別為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值均為7.6 m。利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值模型，對不同方案下的主梁應(yīng)力分布進(jìn)行計算，并從計算結(jié)果中提取出主梁的上翼緣、下翼緣以及腹板等關(guān)鍵部位的各向應(yīng)力最大值，結(jié)果如表2所示。從表2的計算結(jié)果來看，下翼緣的第一主應(yīng)力值隨著下主梁與中主梁間距c值的增大而增大，但是增大的幅度并不大。其余各關(guān)鍵部位的各向應(yīng)力值均呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征，且下主梁與中主梁間距c值為4.5 m時最小。由此可見，下主梁和中主梁間距為4.5 m時為最佳。

3.3 水位降低的受力影響計算分析

根據(jù)上文的計算結(jié)果，上主梁和中主梁以及中主梁和下主梁之間的間距分別為6.0 m和4.5 m時弧門關(guān)鍵部位的受力情況較好。考慮到水庫運行過程中的水位經(jīng)常低于設(shè)計水位，而這種情況下弧門的受力條件是否仍舊較好，需要進(jìn)一步探討?；诖耍谄溆鄺l件不變的情況下，對水位低于設(shè)計水位1.0 m的低水位進(jìn)行計算，結(jié)果如表3所示。由計算結(jié)果可知，在低水位條件下，僅有上翼緣的第3主應(yīng)力和Mises 應(yīng)力最大值較設(shè)計水位工況有所增大，但是增大的幅度較為有限，其余各部位的應(yīng)力值均有不同程度的減小。由此可見，本文提出的最佳方案在低水位情況下亦可以取得良好的受力優(yōu)化效果，建議在工程設(shè)計中應(yīng)用。

表3 不同水位高度關(guān)鍵部位應(yīng)力最大值單位：MPa

4 結(jié)論

此次研究以具體工程為背景，探討了弧形鋼閘門主梁設(shè)置位置優(yōu)化問題，并獲得如下主要結(jié)論。

（1）從不同上主梁與中主梁間距下關(guān)鍵部位的應(yīng)力計算結(jié)果來看，上主梁和中主梁間距為6.0 m時為最佳。

（2）從不同下主梁與中主梁間距下關(guān)鍵部位的應(yīng)力計算結(jié)果來看，下主梁和中主梁間距為4.5 m時為最佳。

（3）從不同水位高度工況的計算結(jié)果來看，上主梁和中主梁以及中主梁和下主梁之間的間距分別為6.0 m和4.5 m的方案在低水位情況下亦可以取得良好的受力優(yōu)化效果，建議在工程設(shè)計中應(yīng)用。