銹蝕因素對(duì)弧形鋼閘門靜力性能影響的研究與分析

張鳳來

(遼寧省喀左縣凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 喀左 122300)

1 工程背景

石佛寺水庫是遼河干流上的一座控制性水利工程，也是遼寧省最大的平原水庫[1]。水庫于2003年5月開工建設(shè)，2005年10月主體工程完工。水庫樞紐主要由主壩、副壩、泄洪閘以及穿壩建筑物構(gòu)成。工程的閘壩全長42.6 km，其中主壩長12.4 km，副壩長29.9 km，共有泄洪閘16孔。工程按照100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，300年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，設(shè)計(jì)庫容1.85億m3，其中防洪庫容1.60億m3。水庫泄洪閘的弧形閘門為表孔露頂設(shè)計(jì)，弧門為雙主梁斜支臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其面板、支臂以及門槽導(dǎo)板均為焊接鋼結(jié)構(gòu)，吊耳為鑄鐵材料。閘門的寬度和高度分別為12.5 m和10.0 m，采用液壓啟閉機(jī)進(jìn)行操作[2]。

水工鋼閘門的工作環(huán)境較為特殊，極易生銹腐蝕并造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低[3]。雖然在設(shè)計(jì)中一般都通過增加厚度的方式保證一定的銹蝕裕度，并采取相應(yīng)的防腐處理，但是在日常運(yùn)行過程中，仍舊不可避免的產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象。從當(dāng)前的研究來看，大部分學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)是鋼閘門的初始設(shè)計(jì)優(yōu)化，而對(duì)運(yùn)行期間銹蝕破壞作用的影響關(guān)注不多[4]。基于此，此次研究以石佛寺水庫鋼閘門為例，對(duì)銹蝕因素對(duì)弧形鋼閘門靜力性能影響展開研究，以期為工程建設(shè)和運(yùn)行管理提供有益的借鑒。

2 有限元模型的構(gòu)建

2.1 計(jì)算軟件的選擇

ANSYS是美國ANSYS公司開發(fā)一款大型商用有限元軟件，具有良好的工程適應(yīng)性和廣闊的應(yīng)用空間。該軟件的特點(diǎn)是具有強(qiáng)大的建模功能和求解計(jì)算能力，特別是在網(wǎng)格的劃分、優(yōu)化功能方面比較出色，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、流體、熱場等分析功能的完美融合[5]。此外，該軟件還支持參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，可以通過重新定義和修改參數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)重復(fù)任務(wù)的計(jì)算和模擬工作，可以大幅節(jié)省模擬計(jì)算的工作量[6]。因此，研究中選擇ANSYS有限元軟件進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建。

2.2 有限元模型的建立

在幾何模型的構(gòu)建過程中，首先建立弧形鋼閘門的整體直角坐標(biāo)系，以平行于水流的方向?yàn)閄軸的正方向，以豎直向上的方向?yàn)閅軸正方向，以閘門支鉸軸線的方向?yàn)閆軸的正方向。弧形鋼閘門為斜支臂和雙主梁結(jié)構(gòu)，主要由面板、主梁、橫梁、隔板、邊梁以及支臂等結(jié)構(gòu)組成。其中，閘門的門葉面板采用SHELL63 板單元進(jìn)行模擬[7]。其余部分的主梁、橫梁、隔板、邊梁以及支臂均作等截面梁處理，采用BEAM188梁單元進(jìn)行模擬。經(jīng)過有限元網(wǎng)格剖分，整個(gè)鋼閘門模型被離散為10 274個(gè)網(wǎng)格單元，11 021個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，模型的網(wǎng)格剖分示意圖如圖1所示。閘門的材料比較單一，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，質(zhì)量密度為7850 kg/m3。

圖1 弧形鋼閘門三維有限元模型示意圖

2.3 計(jì)算荷載與邊界條件

在研究過程中，需要對(duì)銹蝕和不銹蝕工況下的閘門靜力進(jìn)行分析，因此閘門的工作狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)。閘門荷載主要由兩部分構(gòu)成，一是鋼閘門本身的自重荷載，二是閘門在擋水過程中所受到的水壓荷載[8]。在鋼閘門正常關(guān)閉的情況下，主要有底止水為主的豎向支撐作用，兩支鉸部位設(shè)置位移約束，因此在底部的止水位置施加豎向位移約束，在支鉸部位施加全位移約束，繞X軸和Y軸施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束。

3 當(dāng)前銹蝕情況的影響分析

3.1 閘門銹蝕模擬

由于石佛寺水庫建成時(shí)間并不長，因此閘門的保護(hù)情況良好，銹蝕并不是特別嚴(yán)重。從外觀來看防腐措施的效果較好，涂層比較均勻。由于檢測的條件有限，因此不考慮閘門焊縫部位的銹蝕，將其各個(gè)部位視為均勻銹蝕，將銹蝕的厚度進(jìn)行平均分布。從具體的模擬方法上來看，首先需要對(duì)閘門的銹蝕量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將閘門全面銹蝕區(qū)域的蝕余厚度設(shè)置為該部位的設(shè)計(jì)厚度減去銹蝕量均值與一倍標(biāo)準(zhǔn)差之后的值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將有限元模型中的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行相應(yīng)的消減，然后對(duì)銹蝕后的閘門情況進(jìn)行模擬。根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料和銹蝕現(xiàn)場調(diào)查的數(shù)據(jù)資料，計(jì)算獲取閘門不同部位的蝕余厚度，結(jié)果如表1所示。

表1 閘門各構(gòu)件蝕余厚度計(jì)算結(jié)果 mm

3.2 應(yīng)力分析

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)現(xiàn)狀鋼閘門銹蝕前和銹蝕后的各關(guān)鍵部位應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出如表2所示的應(yīng)力的最大值。由計(jì)算結(jié)果可知，與銹蝕前相比，各部位的最大應(yīng)力值均有不同程度的增加，其安全穩(wěn)定性并不會(huì)受到顯著影響[9-10]。

表2 銹蝕前后最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

3.3 位移分析

利用構(gòu)建有限元模型，對(duì)現(xiàn)狀鋼閘門銹蝕前和銹蝕后的各關(guān)鍵部位位移進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出如表3所示的位移最大值。由計(jì)算結(jié)果可知，在閘門銹蝕之后，各部位的位移值均出現(xiàn)不同程度的增大，但增大的幅度有限，不會(huì)造成顯著的負(fù)面影響。

4 不同銹蝕深度的影響分析

結(jié)合背景工程鋼閘門面板的銹蝕程度分級(jí)，設(shè)置1 mm、2 mm、3 mm和4 mm等四種不同的銹蝕深度，對(duì)鋼閘門關(guān)鍵部位的應(yīng)力和位移進(jìn)行計(jì)算，以分析不同銹蝕深度對(duì)閘門靜力性能的影響。

表3 銹蝕前后最大位移計(jì)算結(jié)果 mm

4.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)現(xiàn)狀鋼閘門不同銹蝕深度工況下的各關(guān)鍵部位應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出如表4所示的應(yīng)力最大值。由計(jì)算結(jié)果可知，隨著銹蝕深度的增加，面板的應(yīng)力值呈現(xiàn)出不斷變大的特征，并且增加的速率不斷加快。其余部位的應(yīng)力值雖然也呈現(xiàn)出不斷增大特點(diǎn)，但變化幅度較小。由此可見，閘門的銹蝕對(duì)面板的應(yīng)力影響較大，對(duì)其余部位的影響不明顯。究其原因，面板是鋼閘門結(jié)構(gòu)中直接承受水壓力的構(gòu)件，銹蝕對(duì)面板的應(yīng)力影響較大。

表4 不同銹蝕深度各部位應(yīng)力最大值 MPa

4.2 位移計(jì)算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)現(xiàn)狀鋼閘門不同銹蝕深度工況下的各關(guān)鍵部位位移進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出如表5所示的位移最大值。由計(jì)算結(jié)果可知，隨著銹蝕深度的增加，弧形鋼閘門整體與各部位的位移值呈現(xiàn)出不斷增大的態(tài)勢，說明銹蝕深度越深，閘門整體和各部位的位移值越大。從具體增長變化特征來看，各部位位移值的增長基本呈現(xiàn)出線性變化的特點(diǎn)。由此可見，鋼閘門的銹蝕會(huì)對(duì)閘門結(jié)構(gòu)的位移量造成比較明顯的影響，在閘門運(yùn)行管理中予以足夠的重視。

表5 不同銹蝕深度各部位位移最大值 MPa

5 結(jié) 論

(1)對(duì)現(xiàn)狀銹蝕情況的計(jì)算結(jié)果表明，閘門各部位的位移和應(yīng)力值均有不同程度的增大，但是增加幅度較小，且均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)閘門的安全穩(wěn)定性造成顯著影響。

(2)面板應(yīng)力值受銹蝕深度的影響較大，其余部位的應(yīng)力值受銹蝕深度的影響較小。

(3)閘門位移值隨著銹蝕深度的增加，基本呈現(xiàn)出線性變化的特點(diǎn)。

(4)在閘門運(yùn)行過程中，建議做好結(jié)構(gòu)防腐處理，特別是面板部位的防腐處理，減少安全隱患。