弧形闸门排水孔对其工作性态的影响分析.pdf

第3 5卷第 8期 2 0 1 3年 8月 人民黄河 YELL OW RI VER Vo 1 ． 3 5 。 No ．8 Au g ．， 2 01 3 【 水利水 电工程 】 弧形闸门排水孔对其工作性态的影响分析 黄 勇， 杨光明， 贾文斌 ( 河海大学 能源与电气学院， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要： 以某水电站溢洪道工作闸门为例， 利用A N S Y S软件建立了弧形 闸门三维有限元仿真分析模型。分析比较了不 设排水孔、 开设排水孔两种情况下弧形闸门各构件应力、 变形的差异， 并通过改变排水孔截面尺寸的方法， 分析 了弧形闸 门各构件应力、 变形随排水孔截面尺寸的变化规律。研究结果表明： 开设排水孔以后， 闸门的工作性态发生很大变化； 而 当排水孔截面尺寸小于 1 ／ 4主梁腹板宽度时， 闸门各构件的应力、 变形几乎不受排水孔截面尺寸的影响， 因此排水孔的 截面尺寸应在 1 ／ 4主梁腹板宽度内选取。 关键词：弧形闸门；排水孔；应力；变形；有限元法 中图分类号 ： r v 6 6 3 文献标 志码 ： A d o t ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 — 1 3 7 9 ， 2 0 1 3 ． 0 8 ． 0 3 3 I mp a c t o f Dr a i n Ho l e s o f Ra d i a l Ga t e o n i t s W o r k Be h a v i o r HU ANG Yo n g，YAN G Gu a n g — mi n g ，J I A We n — b i n ( C o l l e g e o f E n e r g y a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，H o h a i U n i v e r s it y ，N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ac c o r d i n g t o t h e s p i l l wa y w o r k g a t e in a h y d r o p o w e r s t a t i o n，t h e r a d i a l g a t e 3 一D fin i t e e l e me n t s i mu l a t i o n a n a l y s i s mo d e l wa s e s t a b - l i s h e d ba s e d O I I ANS YS s o f t wa r e ．T h e d i ff e mn c e s o f r a d i a l g a t e c o mp o n e n t s ’s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n we r e a n a l y z e d a n d c o mp are d u n d e r t wo d i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，wh i c h we r e s e t a n d n o t s e t d r a i n h o l e s ．T h e v a r i a t i o n l a ws o f r a d i a l g a t e c o mp o n e nts’s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n wi t h t h e s e c t i o n s i z e s o f d r a i n h o l e s we r e a n aly z e d，b a s e d o n t h e me t h o d wh i c h c h a n g i n g t h e s e c t i o n s i z e s o f d r a i n h o l e s T h e r e s u l t s s h o w t h a t a f t e r s e t t i n g d r a i n h o l e s ，t h e w o r k b e h a v i o r o f r a d i a l g a t e c h a n g e d g r e a t l y ．W h e n t h e s e c t i o n s i z e i s l e s s t h a n 1 ／ 4 wi d t h o f ma i n b e a m we b，t h e g a t e c o mp o n e n t s’s t r e s s a n d d e — f o rm a t i o n s l e n o t a ffe c t e d b y t h e s e c t i o n s i z e s o f d r a i n h o l e s ．T h e s e c t i o n s i z e s o f d r a i n h o l e s s h o u l d b e c h o s e n i n t h e r a n g e o f 1 ／ 4 wi d t h o f ma i n b e a m w e b ． Ke y wo r d s ：r a d i al g a t e；d r a i n h o l e s ；s t r e s s ；d e f o rm a t io n；f i n i t e e l e me n t me t h od 弧形闸门具有启闭省力、 运转可靠、 泄流条件良好等特点， 在水利工程中得到广泛应用。它一般由面板 、 梁、 支撑结构等 组成， 其中梁是最广泛使用的一种构件， 如水平主次梁、 纵向次 梁 、 边梁等。梁的构造形式很多， 主要有型钢梁 、 组合梁、 桁架 和钢架梁等， 无论采用哪种形式， 拼接焊成的弧形闸门都有较 多的梁格 、 棱角、 夹缝等， 很容易积水， 这种潮湿的环境形成电 化 学腐蚀的客观条件， 加速了闸门的腐蚀， 从而影响闸门的安 全性状， 如结构承载能力下降， 刚度和稳定性降低等⋯。在实 际设计、 制造时， 通常需要在易积水部位开设排水孑 L 。孔的存 在不可避免地产生孔边应力集中现象， 使孔 口附近的应力大 小、 应力状态与变形状态发生较大变化 。在弧形闸门中， 排 水孔一般设置在主梁腹板上 ， 而主梁是弧形闸门的主要受力和 传力构件， 因此计算分析排水孔及其不同截面尺寸对弧形闸门 各构件工作性态的影响显得很有必要。目前弧形闸门基本上 参照设计规范 按平面结构体系方法进行设计， 采用一般结构 力学和容许应力方法进行计算， 这种方法把整个结构体分割成 相互独立的构件， 不能准确反映整个闸门各构件的相互联系。 而相关规范中未提及排水孔的设计 ， 通常是设计人员按照以往 经验及实际情况进行设置， 具有较大的盲 目性和不可靠性。水 1 0 6 工钢闸门的有限元法 是将闸门作为一个整体的空间结构体 系进行分析计算 ， 准确地计算出各构件的应力及变形 ， 能够充 分体现出闸门较强的空间效应 ， 已广泛应用于各类闸门的设计 分析中 - 9 i 。笔者应用 A N S Y S有限元分析软件， 建立 r闸门 在不设排水孔 、 开设不同截面尺寸排水孔时的有限元仿真分析 模型， 比较了不设排水孔 、 开设排水孔两种情况下弧形闸门各 构件应力、 变形的差异， 分析了弧形闸门各构件应力、 变形随孔 口截面尺寸的变化规律， 从数值模拟方面为排水孔的合理设计 提供了重要依据。 1 有限元模型建立 1 ． 1 闸门结构 某水 电站 溢洪 道共 4孑 L ， 孔 口净宽 1 5 ． 0 n l ， 设 4扇 1 4 ． 8 4 1 11 X 1 5 ． 5 m( 宽 X高) 露顶式弧形工作钢闸门。闸门弧长 1 8 ． 0 I n ， 支铰中心高程为 1 3 5 ． 5 i n ， 底坎高程为 1 2 8 ． 0 in， 设计水 收稿 日期 ： 2 0 1 2 — 1 2 - 0 3 作者简介： 黄 勇( 1 9 8 8 一) ， 男， 陕西汉 中人， 硕 士研 究 生， 研 究方向 为水工金 属 结构安全监测与评价。 E ma i l ：h u a n g y o n g l u t @ 1 6 3 ． c o n 人 民 黄 河2 0 1 3年第 8期 位为 1 4 3 ． 0 m， 启闭设备为4台28 0 0 k N固定卷扬式启闭机。 溢洪道工作闸门为露顶式双主横梁斜支臂圆柱铰弧形钢闸门， 板梁结构。面板支承在由主横梁、 纵梁 、 边梁和小横梁组成的 梁格上， 面板与梁格直接焊接， 支臂与主横梁采用焊接和螺栓 连接构成主框架。主横梁 、 支臂臂杆均为焊接“ 工” 字形截面组 合梁 ， 支臂腹杆为2根 2 5号槽钢、 斜撑杆为 2根 1 4 0 m m1 4 0 m m的角钢或2 5号槽钢 ； 边梁、 纵梁均为焊接 T形截面组合梁， 共 7根 ； 小横梁( 含顶、 底梁 ) 为 2 8号槽钢 ， 共 1 9根。在上下主 横梁腹板的中间位置， 各开设6个直径为 6 0 m m的排水孔。 1 ． 2 弧形闸门三维实体模型建立 水工钢闸门按空间结构计算时， 其有限元模型的建立一般 有 3种， 即板梁结构、 部分空间薄壁结构和完整空间薄壁结 构” 。 。 ： 板梁结构 ， 面板采用壳单元模拟 ， 主梁 、 水平次梁 、 竖直 次梁、 底梁、 边梁及支臂采用梁单元模拟； 部分空间薄壁结构 ， 面板采用壳单元模拟 ， 主梁及竖直次梁的腹板采用壳单元模 拟， 翼缘主要受轴向力作用可采用杆单元模拟， 水平次梁、 底 梁、 边梁及支臂采用梁单元模拟； 完整空间薄壁结构 ， 构成闸门 结构的所有板件包括面板、 主梁 、 水平次梁、 竖直次梁、 底梁、 边 梁及支臂的腹板和翼缘等均采用壳单元模拟。板梁结构模型 最精简， 完整空间薄壁模型计算结果更为准确。 工作闸门是一种典型的空间薄壁结构体 系， 由一系列板、 壳 、 梁、 杆等构件组合而成。正常工作时， 闸门所承受荷载将通 过各构件的相互传递来共同承担， 面板、 主横梁、 纵( 边 ) 梁、 支 臂等将发生弯曲、 扭转 、 剪切、 轴向拉压等组合变形， 因此计算 模型的选择必须考虑到各构件的几何性质、 变形特征和受力方 式以及相互作用关系等， 以正确反映出闸门的整体作用以及各 构件的实际工作状态。根据弧形闸门的结构形式和受力特点， 选择完整空间薄壁模型进行计算。将闸门面板、 主横梁、 纵梁、 边梁 、 小横梁、 支臂离散为壳单元 中的 S h e l l 6 3单元 ， 支臂间竖 杆和斜拉杆离散为梁单元中的 B e a m1 8 8单元， 支铰简化离散为 实体单元中的 S o l i d 4 5单元。闸门的材料主要为 1 6 Mn钢( 相当 于 Q 3 4 5 ) 和 A 3钢 ( 相 当于 Q 2 3 5) ， 其 弹性模量为 2 ． 0 61 0 MP a ， 泊松比为 0 ． 2 5 4， 密度为 7 8 0 0 k g ／ m 。考虑弧形闸门结构 和承受荷载的对称性， 只需建立弧形闸门的 1 ／ 2模型即可。弧 形闸门有限元仿真分析模型的节点总数为 2 1 6 6 4个 ， 单元总数 为2 1 7 1 0个。 利用 A N S Y S有限元软件建立弧形闸门在不设排水孔时的 闸门三维实体模型后 ， 通过改变排水孔的截面尺寸， 生成闸门 在相应排水孔截面尺寸下的模型。 1 ． 3 边界条件设置与加载 弧形闸门的约束情况比较复杂， 根据闸门的实际工作运行 情况 ， 设置约束条件如下： 在底缘处施加沿 Y轴的位移约束 ， 在 支铰轴处施加 、 y , z 方向的位移约束和 x , y 方向的转动约束， 在对称面的所有节点上施加对称约束。坐标系采用柱坐标 ， 定 义为 ： 轴沿水流方向， Y轴沿闸门面板的切线方向， 轴沿主横 梁轴向。弧形闸门工作时会受到重力、 水压力 、 波浪压力、 泥沙 压力等的作用， 由于闸门处于少震区， 并且风浪较小， 且这里仅 研究排水孔影响下的闸门工作特性 ， 因此只考虑重力和水压力 两种荷载。重力的加载是在设定好材料密度的前提下， 对整个 结构施加Y方向的重力加速度。水压力利用 A N S Y S定义压力 的原理， 设定好面梯度荷载和方向， 施加到面板上。 2 计算结果与分析 2 ． 1 排水孔对 闸门构件工作性态的影响 不设排水孔、 开设排水孔( 直径为 6 0 m m) 两种情况下， 弧 形闸门各主要受力构件的最大等效应力计算结果及所在部位 见表 1 ， 最大变形量计算结果见表 2 。 表 1 弧形闸门各构件最 大等效应 力及所在部位 厩 板 l6 8 ． 4 00 小 横 梁 jl 卤 、 与 纵l 8 2 ． 1 4 9 上主 梁腹扳 1 4 7 ． 2 8 1与上支臂内侧翼缘连接部位 3 7 6 ． 1 6 3 上主 粱翼缘 1 1 3 ． 7 9 6与上支 臂外侧翼缘连接部位 l 8 2 ． 7 5 2 下主 梁腹板 1 5 4 ． 3 6 5与下支 臂内侧翼缘连接部位 3 9 0 ． 2 3 4 下主梁翼缘 l 4 o ． 4 8 4与下支臂外侧翼缘连接部位 2 0 2 ． 9 3 3 纵梁 腹板 l 5 2 ． 0 1 0 与 上主粱 腹板连接部位 l 5 6 ． 4 3 l 纵粱翼缘 1 I 1 ． 8 7 1 与上主 梁腹板连接部位 I 1 6 ． 8 7 2 边 梁 腹 板 1 0 0 ． 7 2 6 与 上主 梁 腹 板连 接 部 位 1 o 0 ． 7 2 6 边粱翼缘 l 0 2 ． 3 2 0 与上主梁翼缘连 接部位 8 9 ． 8 3 9 支臂 l 】O ． 6 7 3 靠近支铰部位 1 1 3 ． 1 1 9 小横梁与上主梁之间、 与 纵 梁连接部位 与 上 支 臂内 侧 翼 缘 连接 部 位 与上支臂外侧翼缘连接部位 与下支臂内 侧翼缘连接部位 与 下 支 臂 外 侧 翼 缘 连 接 部位 与上主梁腹板连接部位 与上主梁腹板连接部位 与上主梁腹板连接部位 与上主粱翼缘连接部位 靠近支铰部位 表 2 弧形 闸门各构件最大变形量 ( 沿水压方 向) 计算结果 不设排水孔 主梁腹板设排水孔 构 件 瞽变m m形 所 在 部 位 m变 m形 所 在 部 位 由表 1可知， 不设排水孔时， 闸门最大等效应力为 1 6 8 ． 4 MP a ， 发生在小横梁与上主梁之间、 与纵梁连接部位的面板上 ； 开设直径 6 0 m m排水孔以后 ， 闸门最大等效应力为 3 9 0 ． 2 3 4 MP a ， 发生在与下支臂内侧翼缘连接部位的下主梁腹板上 ， 各构 件的最大等效应力发生部位没有变化。比较开设排水孔前后 各个构件的最大等效应力， 面板 、 纵梁腹板、 纵梁翼缘 、 支臂、 上 主梁腹板、 上主梁翼缘、 下主梁腹板 、 下主梁翼缘均有所增加， 增幅分 另 0 为 8 ． 2 ％、 2 ． 9 ％ 、 4 ． 5 ％、 2 ． 2 ％ 、 1 5 5 ． 4 ％、 6 0 ． 6 ％、 1 5 2 ． 8 ％、 4 4 ． 5 ％， 边梁腹板不变， 边梁翼缘减少 1 2 ． 2 ％。在排 水孔所在的主梁腹板上， 应力变化最大， 上下腹板上的最大等 效应力均已超过最大容许应力 ； 在排水孔附近的主梁翼缘上应 力变化较大， 但仍在最大容许应力范围内； 在距排水孔较远的 面板 、 纵梁 、 边梁、 支臂上， 应力受孔的影响很小， 应力的分布情 况以及数值的大小都与无孑 L 时基本相同， 且都不超过最大容许 应力。原因是孔的存在造成孑 L 边应力集中， 改变了排水孔附近 的应力状态， 从而使主梁腹板、 翼缘的应力迅速增大， 而随着距 l O 7 人 民 黄 河2 0 1 3年第 8 期 离的增大， 这种局部应力集中现象逐渐消失。 由表 2可以看出， 开设直径 6 0 m m排水孔前后， 闸门最大 变形量分别为 1 1 ． 9 7 3 m m和 1 3 ． 1 6 5 m m， 最大变形的位置相 同， 都是在面板上沿水压方向的弯曲变形； 开设排水孔后， 闸门 各构件的最大变形量均有所增加 ， 面板、 上主梁腹板、 上主梁翼 缘、 下主梁腹板、 下主梁翼缘、 纵梁腹板、 纵梁翼缘、 边梁腹板、 边梁翼缘和支臂的最大变形量增幅分别为 1 0 ． 0 ％ 、 2 1 ． 0 ％ 、 2 O ． 3 ％ 、 2 1 ． 8 ％ 、 2 1 ． 1 ％ 、 1 5 ． 3 ％ 、 1 7． 4 ％ 、 4 ． 1 ％ 、 3 ． 8 ％ 、 1 ． 2 ％ ； 开设排水孔后 ， 闸门主梁腹板的变形量变化最大 ， 纵梁、 面板次 之， 距孔口最远处的支臂变化最小。 2 ． 2 排水孔截面尺寸变化对闸门构件工作性态的影响 结合闸门主梁腹板宽度( 1 5 0 0 m m) ， 选取排水孔截面尺寸 依次为2 0 、 5 0 、 6 o、 ⋯、 7 5 0 F i l m， 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、 翼缘的应力有明显变化 ， 而其他构件的 变化很小， 可不予考虑。主梁腹板、 翼缘的最大等效应力与排 水孔截面尺寸的关系见图 1 、 图 2 。可以看出： 开孔以后最大等 效应力迅速增加； 排水孔直径为 2 O一3 5 0 m m时， 随着排水孔直 径的增加 ， 上、 下主梁腹板上的最大等效应力都在很小的范围 内变化； 当排水孔直径大于 3 5 0 mm时， 最大等效应力开始随孔 径的增加而增加； 主梁翼缘上的最大等效应力随排水孔直径的 增加而增加， 排水孔直径越大， 应力增加得越快； 在排水孔尺寸 变化过程中， 下主梁腹板、 翼缘的最大等效应力始终大于上主梁 的。这表明， 在小截面排水孔尺寸( 直径≤3 5 0 m m) 下， 闸门各构 件的应力随排水孔截面尺寸的变化很小， 即几乎与排水孔截面 尺寸的变化无关； 在大截面排水孔尺寸( 直径 > 3 5 0 m m) 下， 闸门 主梁腹板 、 翼缘的应力随排水孔截面尺寸的增大而增大。同时， 在大截面排水孔下， 主梁腹板的应力分布也发生了变化， 最大等 效应力由支臂内侧翼缘连接部位转移到了孔口部位。 孔13 直径 『 m m 主梁腹板最 大等效应力与孔径的关 系 3 0 0 r ． 魂 ： 里 200} =：== ==== 1 5 o V ／ 。 。 。 。 。 ’ 一 [ 。 秦 蜜藕 藕 善 孔13 直 m 图 2 主梁翼缘最大等效应力与孔径的关系 从应变方面来看 ， 排水孔对闸门各个部件均有影响。沿水 压方向， 主梁、 纵梁 、 面板等构件的变形量随排水孔截面尺寸的 变化趋势同闸门整体变形量随排水孔截面尺寸的变化趋势基 本一致， 其变化规律见图3 。可以看出， 开孔以后最大变形量迅 速增加 ； 排水孔直径为 2 0～ 3 5 0 mm时， 随孔径的增大变形量几 乎不变； 当排水孔直径大于3 5 0 m m时， 最大变形量开始明显变 化 ， 随排水孑 L 直径的增加而增加。这表明， 在小截面排水孔尺 1 0 8 寸( 直径~ 3 5 0 m m) 下， 闸门变形量随 排水孔截面尺寸的增大而增大。在开设排水孔以后， 变形量随 排水孔尺寸的变化同应力随排水孔尺寸的变化基本一致。 3 结语 l 4 } ⋯ ． 一 一 ． ～ ⋯ ． - ， 一 一⋯ ‘ 1 2 } {1 0 } } 。 寓彗 煮藕蘩枣莪嚣 孔口 直 径 k／ m m 图 3 闸I3整体变形量与孔径的关 系 ( 1 ) 闸门在开设直径为 6 0 mm的排水孔以后， 孔边应力集 中使得靠近孔口处的主梁腹板、 翼缘的应力迅速增加， 腹板上 应力增加 1 5 0 ％左右 ， 翼缘上应力增加 5 0 ％左右， 腹板上的应 力已超过允许应力的范围； 面板、 纵梁等其他构件的应力几乎 不受开孔的影响。变形量的增加相对较少， 主梁腹板、 翼缘上 的变化最大， 变形量增加 2 0 ％左右 ， 纵梁 、 面板次之 ， 支臂变化 最小 。 ( 2 ) 当排水孔直径小于 3 5 0 m m( 约为主梁腹板宽度的 1 ／ 4 ) 时， 闸门的应力、 变形及其分布受排水孔截面尺寸的影响均 很小； 而当排水孔直径大于3 5 0 m i l l 时， 闸门主梁腹板 、 翼缘上 的应力及闸门整体的变形均随排水孔截面尺寸的增加而增加， 同时闸门主梁腹板的应力分布也发生变化。 ( 3 ) 闸门主梁腹板上开设排水孑 L 以后， 各构件的受力和变 形均发生不同程度的变化。当排水孑 L 直径小于主梁腹板宽度 的 1 ／ 4时， 闸门构件的受力和变形几乎不受排水孔截面尺寸的 影响， 保持在一定范围内。因此， 从对闸门工作性态的影响来 说 排水孔的截面尺寸应在主梁腹板宽度的 1 ／ 4范围内， 通过 计算比较选取。该研究仅对弧形闸门主梁腹板上排水孔截面 尺寸进行了研究 ， 排水孔的位置、 布置方式等还需深入研究。 参考文献 ： [ 1 ] 郭建斌， 郑圣义 钢闸门腐蚀安全研究[ J ] ． 腐蚀科学与防护技术， 2 0 0 6 ， 1 8 ( 1 )： 7 2—7 5 ． [ 2 ] 陈国荣． 弹性力学[ M] ． 2版． 南京： 河海大学出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 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