基于ANSYS淺析表孔弧形閘門支臂及其支承結(jié)構(gòu)靜力特性

楊 松，陶光慧，覃志強(qiáng)，何 偉，李云峰

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550000)

弧形閘門作為一種重要的擋水設(shè)施，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，所承受的水壓力完全由支臂結(jié)構(gòu)傳遞，而根據(jù)大量的工程實(shí)例來看，弧形閘門失事破壞多發(fā)生在支臂部位[1-4]，故弄清楚支臂及其支承結(jié)構(gòu)在工作時(shí)處于何種受力和變形狀態(tài)尤為重要。現(xiàn)結(jié)合工程實(shí)例，采用大型有限元分析軟件ANSYS建立表孔弧形閘門有限元模型模擬實(shí)際工況，按空間體系模擬計(jì)算支臂及其支承結(jié)構(gòu)的受力變形，較按平面結(jié)構(gòu)體系計(jì)算方法更接近實(shí)際。

1 工程概況

依托工程位于芙蓉江干流下游河段，總庫容3259萬m3，正常蓄水位為383 m，相應(yīng)庫容為2332萬m3，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。依托工程為河床式電站，其溢洪道設(shè)有5道表孔弧形閘門作為工作閘門，孔口尺寸為12.5 m×19.6 m(B×H)，設(shè)計(jì)水頭約19.1 m，操作條件為動(dòng)水啟閉，可局開控制泄量，啟閉設(shè)備采用液壓啟閉機(jī)。此溢洪道工作閘門為典型的表孔弧形閘門，且其結(jié)構(gòu)布置方式也較為典型，故作為本次研究的依托工程。

2 有限元模型的建立

2.1 依托工程支臂結(jié)構(gòu)布置型式

依托工程溢洪道工作閘門為典型的雙主梁雙支臂表孔弧形閘門，其支臂為斜支臂，采用箱型截面梁。圖1為依托工程支臂及其支承結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置示意圖，在上下支臂之間設(shè)置兩道豎直支桿，分別為前豎直支桿和后豎直支桿，均采用箱型截面梁，在前豎直支桿與門葉結(jié)構(gòu)之間設(shè)置圖示前斜支桿，兩豎直支桿之間設(shè)置圖示后斜支桿，斜支桿均采用工字型截面梁。

圖1 依托工程支臂結(jié)構(gòu)布置型式示意圖

2.2 有限元模型的建立

水工鋼閘門是一種典型的鋼結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)為空間薄壁結(jié)構(gòu)體系[5-6]，為更真實(shí)地反映依托工程表孔弧形閘門支臂及其支承結(jié)構(gòu)的受力變形情況，本次分析擬建立完整的閘門結(jié)構(gòu)有限元模型。根據(jù)ANSYS軟件內(nèi)置各單元性質(zhì)，將整個(gè)閘門門葉結(jié)構(gòu)及支臂體系均離散為殼單元，將啟閉機(jī)活塞桿、吊軸及支鉸結(jié)構(gòu)均離散為實(shí)體單元，其中殼單元采用能較好模擬閘門薄壁結(jié)構(gòu)體系實(shí)際受力情況的shell63來模擬，實(shí)體單元采用等參數(shù)實(shí)體單元solid45來模擬，據(jù)此所建立有限元計(jì)算模型。經(jīng)單元?jiǎng)澐?，離散后的表孔弧形閘門有限元模型共計(jì)30 182個(gè)節(jié)點(diǎn)、25 194個(gè)板殼單元和16 684個(gè)實(shí)體單元。此次分析按表孔弧形閘門的實(shí)際工況施加邊界條件，其中，閘門在支鉸處受X(支鉸軸向) 、Y(逆水流方向)、Z(豎直方向)方向的平動(dòng)約束，以及繞Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，僅保留其繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；在閘門門葉結(jié)構(gòu)面板上施加0～18.718 MPa的梯度面荷載模擬靜水壓力，沿兩活塞桿軸向各施加2800 kN集中力荷載模擬啟閉力，同時(shí)沿豎直方向施加9.8 m/s2的慣性荷載模擬閘門自重；閘門材料屬性按Q345B材料屬性設(shè)置，泊松比μ=0.3，彈性模量E=206 000 MPa，密度γ=78.5 kN/m3。

3 靜力分析結(jié)果

研究表孔弧形閘門支臂及其支承結(jié)構(gòu)的靜力特性，為更直觀地反映支臂結(jié)構(gòu)的整體受力情況，取依托工程支臂結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力云圖進(jìn)行研究，如圖2所示。從圖中可以看出，支臂結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力范圍為20～182 MPa，平均應(yīng)力約為101 MPa，其中最大應(yīng)力位置為上支臂下腹板與前斜支桿的連接處，此處有一定的應(yīng)力集中，前斜支桿傳遞較大側(cè)向荷載給上支臂。圖3與圖4為依托工程表孔弧形閘門結(jié)構(gòu)整體變形云圖，從圖中可以看出，閘門整體變形量在0～14.377 mm之間，其中支臂結(jié)構(gòu)部分變形量在0～11.436 mm之間，支臂結(jié)構(gòu)平均變形量7.987 mm，弧形閘門各構(gòu)件均發(fā)生了不同程度的變形，其中門葉結(jié)構(gòu)中部有較大變形，支臂靠近門葉結(jié)構(gòu)的部分變形相對(duì)較大。

圖2 支臂及其支承結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖3 支臂及其支承結(jié)構(gòu)變形圖

圖4 支臂及其支承結(jié)構(gòu)變形

為深入分析表孔弧形閘門支臂及其支承結(jié)構(gòu)的工作情況，現(xiàn)將其各部位的應(yīng)力變形情況分別列出作對(duì)比分析，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 支臂及其支承結(jié)構(gòu)各部位應(yīng)力及變形分布情況

對(duì)比分析依托工程表孔弧形閘門支臂及其支承結(jié)構(gòu)各部位應(yīng)力變形情況得到如下總結(jié)：

(1)支臂作為主要的承力構(gòu)件，其上分布的應(yīng)力相對(duì)較大，應(yīng)力分布較集中的部位主要在上支臂中段下側(cè)及下支臂中段上側(cè)，兩支臂與其支承結(jié)構(gòu)連接的部位有明顯的應(yīng)力集中，下支臂承受的荷載較上支臂稍大，下支臂變形量較上支臂變形量也偏大，兩支臂在與其支承結(jié)構(gòu)連接的部位有明顯變形增大的趨勢，尤其是上支臂與前斜支桿連接處，有明顯向外的側(cè)向變形。

(2)豎直支桿承受荷載較小，除與支臂連接的兩端部荷載分布較大外，支桿中部荷載分布處于較低水平，兩端部荷載較大的部分應(yīng)力集中，豎直支桿變形較大的部位也集中在兩端部與支臂連接處。

(3)前斜支桿承受荷載較大，應(yīng)力較大的部位主要是支桿與支臂連接處以及支桿與門葉連接處，支桿整體荷載分布較為均勻，結(jié)構(gòu)連接處有應(yīng)力集中，上斜支桿比下斜支桿承受的荷載偏大，前斜支桿變形量較大，變形主要發(fā)生在兩前斜支桿與門葉結(jié)構(gòu)連接處，此處的較大變形是由門葉結(jié)構(gòu)中部的較大變形傳遞而來。

(4)后斜支桿承受荷載較小，除與支臂連接的兩端部有荷載集中外，支桿中部整體荷載分布處于較低水平，支桿變形較大的部位也集中在兩端部與支臂連接處。

4 結(jié) 論

本文以依托工程為基礎(chǔ)建立有限元模型模擬大型表孔弧形閘門實(shí)際工作時(shí)的應(yīng)力分布及變形情況，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行參數(shù)分析，研究表孔弧形閘門支臂及其支承結(jié)構(gòu)的靜力特性。不難看出，整個(gè)支臂結(jié)構(gòu)主要靠兩支臂承載，前斜支桿靠近門葉，也承受較大荷載，豎直支桿和后斜支桿均不作為主要承力構(gòu)件，其上分布的應(yīng)力較小且整體變形量也較小。支臂結(jié)構(gòu)各構(gòu)件整體荷載分布較為均勻，較大荷載均出現(xiàn)在各構(gòu)件的連接部位，均為應(yīng)力集中，各構(gòu)件的連接部位同樣也存在一定的變形量突增，其中前斜支桿與門葉結(jié)構(gòu)連接的部位變形尤其明顯，究其原因是由于兩支臂之間的跨度較大，因此面板、縱梁以及橫梁在跨中部位變形較大，并將此較大變形傳遞給前斜支桿，而前斜支桿通常設(shè)計(jì)得也較為薄弱，故出現(xiàn)較大變形并有較大應(yīng)力分布，故前斜支桿為整個(gè)支臂及其支承結(jié)構(gòu)體系的薄弱部位。