平面钢闸门主梁排水孔对结构受力的影响.pdf

第3 8卷第12期 2016年12月 人民黄河 YELLOW RIVER V〇1.38,N o.12 D ec.,2016 【 工 程 勘 测 设 计 】 平面钢闸门主梁排水孔对结构受力的影响 郭 泽 宽 ， 张洪明 ( 昆明理工大学建筑工程学院， 云 南 昆 明 650500) 摘要： 以 某 水 电 站 平 面 钢 闸 门 设 计 为 例摘要： 以 某 水 电 站 平 面 钢 闸 门 设 计 为 例，利 用利 用ANSYS软 件 建 立 三 维 有 限 元 分 析 模 型软 件 建 立 三 维 有 限 元 分 析 模 型，对 主 梁 腹 板 有 无 排 水 孔 及 孔 口 尺对 主 梁 腹 板 有 无 排 水 孔 及 孔 口 尺 寸不同时 闸 门 各 个 构 件 应 力寸不同时 闸 门 各 个 构 件 应 力、变形进行分析变形进行分析。研 究 结 果 表 明研 究 结 果 表 明，当 近 椭 圆 孔 口 尺 寸 为当 近 椭 圆 孔 口 尺 寸 为700 mmx350 mm时时，各个构件的应力各个构件的应力 与 变 形 值 均 符 合 规 范 要 求与 变 形 值 均 符 合 规 范 要 求，部 分 区 域 的 应 力 集 中 效 应 减 弱部 分 区 域 的 应 力 集 中 效 应 减 弱，闸门各构件的应力闸门各构件的应力、变 形 几 乎 不 受 开 孔 的 影 响变 形 几 乎 不 受 开 孔 的 影 响，平面闸门构件平面闸门构件 应 力应 力、变形随着排水孔 截 面 尺 寸 变 小 而 减 小变形随着排水孔 截 面 尺 寸 变 小 而 减 小，为 保 证 结 构 安 全为 保 证 结 构 安 全，设 计 时 需 进 行 严 格 的 力 学 分 析设 计 时 需 进 行 严 格 的 力 学 分 析。 关 键 词 ：平 面 闸 门关 键 词 ：平 面 闸 门；排 水 孔排 水 孔；有 限 元 法有 限 元 法；应力 中 图 分 类 号 ： 应力 中 图 分 类 号 ：TV663 文 献 标 志 码文 献 标 志 码：A doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2016.028 闸门是用来关闭、 开启或局部开启水工建筑物中 过水孔口的活动结构， 其主要作用是控制水位、 调节流 量,它的安全和适用在很大程度上影响着整个水工建 筑物的运行效果。在水工闸门中平面钢闸门使用较为 广泛。平面钢闸门一般由主梁、 次梁（ 包括水平次梁、 竖直次梁、 顶梁和底梁） 和边梁组成[1-2]。由于门叶结 构需要开启和关闭以发挥挡水作用， 因此闸门在动水 启闭过程中会受到水流向下的吸力[3],为了减少水流 下吸力对于闸门本身机构和启闭的影响， 常常会在主 梁腹板处布置孔洞[4]， 闸门闭门工作水头越高， 所需 的孔洞开孔面积越大。目前国家相关规范中没有关于 主梁腹板开孔的具体要求和计算方法,平面钢闸门主 梁腹板开孔大小的选择仍然存在问题,按照平面结构 体系的计算方法,将结构分割会造成计算结果存在较 大误差。因此， 笔者通过有限元软件的模拟计算， 分析 主梁腹板排水孔对高水头平面钢闸门结构安全性的 影响。 1有限元软件建模 某大坝工作闸门设计采用复式结构的梁格布置, 根据实际布置及止水需要， 闸门面板侧为下游,梁系结 构 侧 为 上 游 ， 孔 口 尺 寸 6. 0 m X 8. 5 m,底檻高程 1 130 m,设计挡水水头93 m。闸门沿门高方向分成4 节 ， 底节2.1 m、 其他均为2.2 m,面板、 主梁、 纵梁、 水平 次梁和竖向隔板等重要构件主要由10〜 35 mm厚的板 或型钢焊接而成， 闸门结构主材质为Q345B钢 ， 其弹 性模量为2.06X105 MPa,泊松比为0.3,密度为7 850 kg/m3。闸门主梁腹板设4 个 1 200 mmX850 mm的近 椭圆形孔口。在建立有限元模型时， 面板、 主梁、 次梁、 边梁等均使用SHELL281单元（ 壳单元） ， 壳单元厚度 • 122 • 通过壳截面工具分别定义， 然后依据设计要求将不同 壳 体 横 截 面ID号 分 配 给 面 板 和 梁 格 结 构 ， 经过 ANSYS的有限元网格划分， 得 到 120 143个 节 点 、 40 327个单元。约束条件:闸门底部受铅直向约束（ ^ = 0),闸门在边梁支承轴处受顺水流方向约束（ R = 0), 为保持计算模型的几何不变性,假定闸门底部中间节 点侧向无位移（ R = 0)。计算荷载主要为闸门自重、 上游面板承受水梯度荷载(设计水头93 m)[5]。 2计算结果与分析 2.1排水孔对闸门工作性态的影响 对闸门主梁腹板设4 个近椭圆形排水孔与不设排 水孔两种情况进行对比， 平面闸门各主要受力构件 Mises等效应力计算结果及所在部位见表1,最大变形 计算结果见表2。由表1 可知， 不设置排水孔情况下, 闸门最大Mises等效应力为445 MPa,出现在底节门叶 的边梁支撑轴处， 其应力集中部位范围较小， 并未贯穿 整个支撑轴四周,故可以忽略其对闸门整体受力的影 响;在主梁腹板上开设1 200 mmX850 mm近椭圆形排 水孔后， 闸门出现最大Mises等效应力为533 MPa,发 生在闸门底节门叶结构最下部位置主梁腹板处， 同时 其他主梁腹板应力也超过了 500 MPa,并且超出允许 应 力 198 MPa的区域已经贯穿整个构件。孔口周围 两个位置应力分别为350、 535 MPa,分别超出允许应 收 稿 日 期收 稿 日 期=2015-12-08 基 金 项 目 ： 国家自然科学基金资助项目（基 金 项 目 ： 国家自然科学基金资助项目（51369013)。 作 者 简 介 ： 郭 泽 宽 （ )。 作 者 简 介 ： 郭 泽 宽 （1990— ) ， 男， 天 津 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 研究方 向为水工结 构 工 程 。 通 信 作 者 ： 张 洪 明 （ — ) ， 男， 天 津 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 研究方 向为水工结 构 工 程 。 通 信 作 者 ： 张 洪 明 （1962— ) ， 男， 云 南 昆 明 人 ， 教 授 ， 博 士 ， 研— ) ， 男， 云 南 昆 明 人 ， 教 授 ， 博 士 ， 研 究方向为计算力学。究方向为计算力学。 E-mai1：： hmzhang8888@ 人 民 黄 河 2016年 第 12期 力 7 7 % 、 170%。比较开设排水孔前后各个构件的等效 应力， 面板、 顶节门叶主梁腹板及翼缘、 中节门叶主梁 腹板及翼缘、 底节门叶主梁腹板及翼缘均有所增加， 增 幅分别为 3 2 % 、 215%、 11%、 266%、 2 2 % 、 223%、 2 1 % ， 边梁位置应力变化较小。在排水孔所在的主梁腹板上 应力较大， 各个主梁腹板上的最大等效应力均已超过 允许应力;在距离排水孔较远的面板、 主梁翼缘、 纵梁、 边梁等位置， 大部分应力值均小于或接近允许应力， 应 力情况与无孔时基本相同， 不会造成闸门的破坏。排 水孔周围存在的应力集中现象改变了排水孔附近的应 力状态， 随着与排水孔距离的增加， 局部应力集中现象 带来的影响逐渐减弱。 由图1 可知:靠近边梁的主梁腹板上的排水孔周 围均出现应力集中， 应力集中出现范围包围了靠近两 侧边梁的两个排水孔， 并且此处应力集中范围从排水 孔周围一直延伸至边梁位置， 成为闸门结构安全的一 个薄弱环节， 处于较危险状态。水工钢闸门在承受静 力荷载时， 只要构造处理恰当， 应力集中的影响就不严 重， 原因是建筑钢具有良好的塑性， 当荷载增加时， 在 高峰应力区产生塑性变形， 应力峰值达到屈服强度时 即不再增大， 可以使应力集中现象得以缓和。但从图 1 可以看出， 设排水孔后主梁腹板上的应力集中区域 贯穿整个腹板， 并且包围孔口， 多点应力值超过允许应 力值， 因此应力集中愈加严重， 结构本身存在破坏的 危险。 表 1平 面 闸 门 各 构 件M is e s等 效 应 力 及 所 在 位 置 Mises等效应力等效应力/MPa 构件 主梁腹板 构件 主梁腹板 设排水孔 主梁腹板不 设排水孔 主梁腹板不 设排水孔 所在位置 面板 设排水孔 所在位置 面板353267 主要挡水结构物， 与梁主要挡水结构物， 与梁 格等相连 顶节门叶主梁 格等相连 顶节门叶主梁 腹板腹板 516164 位于闸门门叶结构最上 部位置主梁 顶节门叶主梁 翼缘 位于闸门门叶结构最上 部位置主梁 顶节门叶主梁 翼缘 221199 位于闸门门叶结构最上 部位置主梁 中节门叶主梁 位于闸门门叶结构最上 部位置主梁 中节门叶主梁 腹板腹板 516141 位于闸门门叶结构中部 位置主梁 中节门叶主梁 翼缘 位于闸门门叶结构中部 位置主梁 中节门叶主梁 翼缘 229188 位于闸门门叶结构中部 位置主梁 底节门叶主梁 位于闸门门叶结构中部 位置主梁 底节门叶主梁 腹板腹板 533165 位于闸门门叶结构最下 部位置主梁 底节门叶主梁 翼缘 位于闸门门叶结构最下 部位置主梁 底节门叶主梁 翼缘 232191 位于闸门门叶结构最下 部位置主梁 顶节门叶边梁 位于闸门门叶结构最下 部位置主梁 顶节门叶边梁437435 位于闸门门叶结构最上位于闸门门叶结构最上 部位置两侧 中节门叶边梁 部位置两侧 中节门叶边梁387429 位于闸门门叶结构中部位于闸门门叶结构中部 位置两侧 底节门叶边梁 位置两侧 底节门叶边梁421445 位于闸门门叶结构最下位于闸门门叶结构最下 部位置两侧部位置两侧 表 2阐 门 各 构 件 最 大 位 移 及 所 在 位 置 位移位移/mm 构件 主梁腹板 设排水孔 主梁腹板 构件 主梁腹板 设排水孔 主梁腹板 不设排水孔 所在位置 面板 不设排水孔 所在位置 面板10.47.36 主要挡水结构物，主要挡水结构物， 与梁与梁 格 、 行走支撑连接 顶节门叶主梁 格 、 行走支撑连接 顶节门叶主梁 腹板腹板 7.734.74 位于闸门门叶结构最上 部位置主梁 顶节门叶主梁 翼缘 位于闸门门叶结构最上 部位置主梁 顶节门叶主梁 翼缘 7.694.72 位于闸门门叶结构最上 部位置主梁 中节门叶主梁 腹板 位于闸门门叶结构最上 部位置主梁 中节门叶主梁 腹板 7.924.77 位于闸门门叶结构中部 位置主梁 中节门叶主梁 翼缘 位于闸门门叶结构中部 位置主梁 中节门叶主梁 翼缘 7.894.73 位于闸门门叶结构中部 位置主梁 底节门叶主梁 位于闸门门叶结构中部 位置主梁 底节门叶主梁 腹板腹板 8.134.86 位于闸门门叶结构最下 部位置主梁 底节门叶主梁 翼缘 位于闸门门叶结构最下 部位置主梁 底节门叶主梁 翼缘 8.094.83 位于闸门门叶结构最下 部位置主梁 顶节门叶边梁 位于闸门门叶结构最下 部位置主梁 顶节门叶边梁1.741.43 位于闸门门叶结构最上位于闸门门叶结构最上 部位置两侧 中节门叶边梁 部位置两侧 中节门叶边梁1.611.44 位于闸门门叶结构中部位于闸门门叶结构中部 位置两侧 底节门叶边梁 位置两侧 底节门叶边梁1.671.48 位于闸门门叶结构最下位于闸门门叶结构最下 部位置两侧部位置两侧 (b) 闸门主梁腹板等效应力) 闸门主梁腹板等效应力 图 1设 排 水 孔 后 闸 门 局 部 等 效 应 力 （P a) 由表2 可以看出， 设排水孔前后， 闸门最大位移分 • 123 • 人 民 黄 河 2016年 第 12期 别 为 10.4 mm和 7.36 mm,最大位移均位于面板;设排 水孔后， 闸门各构件的最大位移均有所增加， 面板、 顶 节门叶主梁腹板及翼缘、 中节门叶主梁腹板及翼缘、 底 节门叶主梁腹板及翼缘增幅分别为4 1 % 、 6 3 % 、 6 3 % 、 6 6 % 、 6 7 % 、 6 7 % 、 6 7 % ;设排水孔后， 闸门主梁腹板及翼 缘的位移变化最大， 面板次之， 边梁处位移变化最小。 2 . 2 排水孔截面尺寸变化对闸门各构件工作性态的 影响 2 . 2 排水孔截面尺寸变化对闸门各构件工作性态的 影响 结合闸门主梁腹板宽度（ 1 675 mm ),相比于 1 200 mmx850 mm的近捕圆形排水孔,分别选取其孔 口面积的2/3、 1/2、 1/4三种尺寸的排水孔， 即孔口尺 寸为 1 000 mmX650 mm、 950 mmX550 mm、 700 mmX 350 mm,米用相同的边界、 荷载条件进行有限兀建模, 分析排水孔截面尺寸变化对闸门构件工作性态的影 响。计算结果表明， 随着排水孔截面尺寸的变化， 闸门 主梁腹板、 整体、 腹板孔口加强环处的等效应力有明显 变化， 而其他构件的变化很小。排水孔截面尺寸不同 表 3 时闸门整体、 主梁腹板及翼缘、 孔口加强环的等效应力 及位移见表3。可以看出： 孔口尺寸变小后等效应力 减小， 尤其在主梁腹板上等效应力明显减小， 同时超出 允许应力198 MPa的区域明显缩小， 尤其在采用950 mmX550 mm和 700 mmX350 mm尺寸的情况下， 排水 孔口周围的应力集中仅稍稍超出允许应力， 孔口周围 其他位置的计算结果均符合规范要求， 接近允许应力； 孔口加强环上的等效应力明显减小， 同时应力集中的 位置减少为一个， 由于应力集中范围较小， 因此不会造 成闸门出现危险区域;在孔口为1 200 mmx850 mm时 闸门整体最大等效应力位置出现在各个主梁与边梁焊 接位置、 孔口周围， 当排水孔面积变小后， 主梁与边梁 焊接位置的等效应力显著减小,且闸门整体最大等效 应力出现位置变为支撑轴位置， 并未贯穿整个孔口， 可 视为安全情况;当孔口截面尺寸变小时， 闸门整体与主 梁腹板上位移也随之减小， 但在排水孔尺寸较小的情 况下， 孔口尺寸的变化对于闸门变形量的影响较小。 排 水 孔 大 小 不 同 时 闸 门 构 件 的 等 效 应 力 、 位 移 Mises等效应力等效应力/MP5a位移值位移值/m 丄况 整体主梁腹板腹板孔口加强环主梁翼缘整体主梁腹板 孔口 丄况 整体主梁腹板腹板孔口加强环主梁翼缘整体主梁腹板 孔口 1 200 mmx850 mm52553348423210.478.13 孔口孔口 1 000 mmx650mm4173143632138.846.43 孔口孔口 950 mmx550 mm4172693232078.385.94 孔口孔口 700 mmx350 mm4322493071998.035.34 无孔口无孔口4451651917.364.86 3结 论 通过以上分析发现， 闸门排水孔截面尺寸的变化 会导致主梁腹板及闸门整体位移和等效应力变化， 当 近椭圆形孔口尺寸减小为700 mmX350 mm时,各个构 件的应力与位移满足平面闸门设计要求， 排水孔尺寸 的选择会影响闸门的整体安全性。对于门叶结构复杂 并且应用于高水头工况的工作闸门， 在主梁腹板上开 设排水孔的尺寸没有规范可查,建议在设计初期严格 进行理论和计算分析,选择合适的开孔尺寸， 确保闸门 结构安全。 参考文献： [ 1 ] 范崇仁.水工钢结构[ 参考文献： [ 1 ] 范崇仁.水工钢结构[M].4 版.武汉： 中国水利水电出版].4 版.武汉： 中国水利水电出版 社 ， 2008:193-194. [ 2 ] 满广生. 水闸设计及闸室结构的有限元分析[ 社 ， 2008:193-194. [ 2 ] 满广生. 水闸设计及闸室结构的有限元分析[D].合肥:合].合肥:合 肥工业大学， 2003:3-4. [ 3 ] 徐国宾， 訾娟， 高仕赵.平面闸门启闭过程中的动水垂直力数 肥工业大学， 2003:3-4. [ 3 ] 徐国宾， 訾娟， 高仕赵.平面闸门启闭过程中的动水垂直力数 值模拟研究[值模拟研究[J]. 水电能源科学， 2012,30(10) : 132-135. [ 4 ] 黄勇， 杨光明， 贾文斌.弧形闸门排水孔对其工作性态的 ]. 水电能源科学， 2012,30(10) : 132-135. [ 4 ] 黄勇， 杨光明， 贾文斌.弧形闸门排水孔对其工作性态的 影响分析[影响分析[J].人民黄河， 2013,35(8) :106-108. [ 5 ] 雒翠. ].人民黄河， 2013,35(8) :106-108. [ 5 ] 雒翠.ANSYS在平面钢闸门三维有限元分析中的作用在平面钢闸门三维有限元分析中的作用 [ [J].中国水运， 2008,8(5):104-105.].中国水运， 2008,8(5):104-105. • 124 • 人 民 黄 河 2016年 第 12期 Research on the M ain G ird er D rain Holes of Plane Steel G ate Structures GUO Zekuan, ZHANG Hongming (Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500，，China) A b s tr a c t： Taking the design of a plane steel gate of a hydropower station as an example, the periphery of drain holes of a main grider web was analyzed. Based on ANSYS software，a three dimensional finite element analysis model was established by comparing and analyzing mod els of drain holes having various sectional sizes and those without drain holes，change laws of various component stresses and defor^nation val ues could be obtained via calculation. The results show that when an oval orifice size is 700 mmx350 mm，stresses and deformation values of various components do satisfy the criteria set out in a design specification， and a stress concentration effect of the web is weakened， stress and deformation of each gate component are hardly affected by the drain holes，which satisfying the requirement concerning strength of the plane gate and in which stress and deformation volume of the plane gate components are reduced as the reduction of the sectional sizes of the drain holes. Hence， strict mechanical analysis should be executed in design for ensuring the security of structure. K e y w o r d s ：： plane gate；； drain hole；； finite element method；； stress 【 责 任 编 辑 张 华 岩 】 (上接第121页) V ariation C haracteristics of Ecological W ater Requirem ent About Forest and G rass in the C entral and Southern Ningxia LI Jinyan1 ， 2 (1.School of Civil and Hydraulic Engineering， Ningxia University， Yinchuan 750021，，China；； 2.Engineering Research Center for Efficient Utilization of Water Resources in Modern Agriculture in Arid Regions， Yinchuan 750021，，China) A b str a c t ：： The study chose 8 counties from north to south in the central and southern Ningxia as research object to estimate the regional vege tation potential evaporation and ecological water requirement of rainfall consumptive from month to month. On this basis， we analyzed the spa tial and temporal variation characteristics of potential evaporation. The results indicate that a) the change rule of the potential evaporation shows a trend of increasing month by month from January to July and starting to fall from August to December. Spatial distribution of potential evaporation is increasing gradually from south to north；； b) spatial and temporal variation of balance law between rainfall and ecological water requirement for vegetation was analyzed，， it shows that ecological water shortage in the central is more serious than that in the southern，， the most serious water shortage is existing in the Yanchi which is northernmost county in central arid zone. On the contrary ecological water re quirement for forest land is in a state of surplus throughout the growing season in Jingyuan County which locates in the southernmost. Spatial and temporal variation relationship between rainfall consumptive ecological water requirement and water resources was further discussed. The result shows that there is still adequate space for the regional vegetation building in Yanchi， Tongxin and Haiyuan located in the central arid zone and relatively dr^^ area such as Yuanzhou， Xiji and Peng^^ang located in southern mountains region. It illustrates that the increasing vege tation planting proportion is bigger in Longde and Jingyuan located in the southern mountains zone. K e y w o r d s ：： ecological water requirement；； water resource；； rainfall resource；； forestland；； grassland；； central and southern of Ningxia 【 责 任 编 辑 吕 艳 梅 】 • 125 •