大跨度下卧式底枢翻板门的结构应力与变形分析
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２ 常州市武进区水利工程建设管理中心ꎬ 江苏 常州 ２１３０００ꎻ
３ 扬州大学水利科学与工程学院ꎬ 江苏 扬州 ２２５１２７)
摘要: 针对某运河江边枢纽的 ６０ｍ 宽大跨度下卧式底枢翻板门方案ꎬ 分别采用空间体系有限元计算法与平面体
系计算法对该闸门的结构内力进行分析比较ꎬ 综合 ２ 种算法结果确定最终闸门设计方案ꎮ
式公园ꎬ 为营造出良好的景观效果ꎬ 要求节制闸单
依次布有边梁和 １１ 根纵向隔板ꎬ 梁系均采用实腹
和一座净宽 ６０ｍ 节制闸组成ꎮ 因该枢纽紧邻开放
别布有顶梁和 ７ 根主梁ꎬ 竖直方向则从一侧至中间
式焊接组合钢梁ꎮ 结构具体布置如图 １ 所示ꎮ
孔布置ꎬ 可供选择的方案有大跨度下卧式底枢翻板
门
、 大孔径双扉平面钢闸门等ꎮ 本文对其中大
２０２０ 年第 ３ 期
理论研究
水利技术监督
ＤＯＩ: １０ ３９６９ / ｊ ｉｓｓｎ １００８￣１３０５ ２０２０ ０３ ０５７
大跨度下卧式底枢翻板门的结构应力与变形分析
王振红１ ꎬ 管义兵１ ꎬ 赵开南２ ꎬ 陈 华３
(１ 江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司ꎬ 江苏 苏州 ２１５１２８ꎻ
１ ３ 结构布置
闸门尺寸为 ６３ ６ｍ × ３ ５ｍ × ９ ３７ｍ( 长 × 厚 ×
２１０
对于建立的有限元模型ꎬ 结合闸门实际运行工
况ꎬ 其简化的约束荷载包括: 底部滚轮所在位置的
支撑约束和闸门跨度方向的移动约束ꎬ 即局部坐标
收稿日期: ２０１９￣１０￣２８
作者简介: 王振红(１９８６ 年—) ꎬ 女ꎬ 工程师ꎮ
水体密 度 ρ ＝ １０００ｋｇ / ｍ３ ꎻ 闸 门 材 料 为 Ｑ３４５ꎬ
由 ＳＬ７４—２０１３« 水利水电工程钢闸门设计规范» [８]
可知ꎬ 其材料参数如下: 弹性模量( Ｅ) 为 ２０６ＧＰａꎬ
泊松比( ν) 为 ０ ２８ꎬ 密度 ( ρ) 为 ７８５０ｋｇ / ｍ ꎻ 重力
３
加速度( ｇ) 为 ９ ８ｍ / ｓ２ ꎮ
跨度下卧式底枢翻板门 [４￣５] 方案进行研究ꎬ 论证该
２ 空间体系有限元分析
方案技术上的可行性ꎮ
２ １ 有限元计算模型
[１￣３]
常规翻板门宽度一般在 ４ ~ １６ｍ 左右ꎬ 该闸门
为提高有限元计算结果的计算精度ꎬ 在对闸门
跨度达 ６０ｍꎬ 在国内外现役及在建工程中均属少
进行 Ａｎｓｙｓ 分析时ꎬ 对于主要的面板结构采用高阶
根据 ＳＬ ７４—２０１３ꎬ 本工程闸门承受的水平荷
(２) 主梁ꎮ 主梁的最大位移如图 ４ 所示ꎬ 最大
载有静水压力、 动水压力、 浪压力等ꎻ 竖向荷载主
梁( 底部主梁) 最大位移为 ７ １ｍｍꎬ 均小于允许挠
门分为面板、 主梁、 次梁等构件分别进行计算ꎮ 其
主梁主要承受弯矩和剪力作用ꎬ 其应力计算结
关键词: 大跨度ꎻ 底枢翻板门ꎻ 有限元计算ꎻ 平面体系计算
中图分类号: ＴＶ６６ 文献标识码: Ｂ 文章编号: １００８￣１３０５(２０２０)０３￣０２１０￣０３
苏南某运河江边枢纽由一座流量 １２０ｍ３ / ｓ 泵站
高) ꎬ 闸门为左右对称结构ꎬ 水平方向从上至下分
简支梁 进 行 计 算ꎮ 材 料 的 容 许 应 力 参 照 ＳＬ ７４—
２１１
２０２０ 年第 ３ 期
基金项目: 江苏省水利厅项目(２０１８０１４)
理论研究
２０２０ 年第 ３ 期
水利技术监督
图 １ 闸门总体结构布置
图 ２ 有限元计算模型
系下的 ｘ、 ｚ 向约束ꎻ 闸门侧止水和底止水位置施
加的垂直闸门方向的约束ꎬ 即总体坐标系下的 ｚ 向
约束ꎻ 闸门对称面上的对称约束 [１２￣１５] ꎮ
作用载荷包括: ①闸门所受的重力作用ꎬ 即总
设计的安全、 经济及合理性ꎬ 本文采用三维有限元
ＢＥＡＭ１８９ [９￣１１] ꎮ 考虑到闸门结构及承担荷载的对称
壳单 元 ＳＨＥＬＬ２８１ 建 模ꎬ 部 分 次 梁 则 采 用 梁 单 元
见ꎮ 因该闸门跨度大、 受力复杂ꎬ 为确保闸门结构
空间应力分析与平面体系计算方法相对比 [６￣７] ꎬ 分
性ꎬ ＡＮＳＹＳ 静力分析时仅需建立一半的计算模型ꎬ
２ ３ 有限元计算结果
(１) 挡水面板ꎮ 图 ３ 为内河侧挡水面板的折算
应力云图ꎬ 由图知最大折算应力约为 １８５ＭＰａꎬ 满
足规范要求ꎮ 最大折算应力位于中间滚轮 ２ 处的横
梁翼缘与内河侧挡水面板接触位置ꎮ
图 ５ 主梁正应力云图( 单位: ＭＰａ)
３ 平面体系计算
３wk.baidu.com１ 计算模型
图 ３ 挡水面板折算应力云图( 单位: ＭＰａ)
建立的闸门模型如图 ２ 所示ꎮ
析闸门在最不利工况下的应力、 变形等情况ꎬ 为闸
图 ２ 中所示坐标为总体笛卡尔坐标系ꎬ ｘ 方向
门结构的优化设计提供技术支撑ꎮ
１ 计算工况及相关参数
为闸门跨度方向ꎬ ｙ 正方向为闸门高度方向ꎻ ｚ 正
１ １ 计算工况
轮位置施加转动约束ꎬ 在滚轮所在轴心位置建立了
方向则由内河侧指向长江侧ꎮ 此外ꎬ 为了对底部滚
局部柱坐标系( 未在图中显示) ꎬ 其中 ｘ 方向为滚轮
以节制闸挡潮时的最不利工况为例ꎬ 进行计算
分析ꎬ 即: 长江侧水位( ｈ１ )７ ９６ｍ( 镇江吴淞高程ꎬ
下同) ꎻ 内河侧水位( ｈ２ )４ ０ｍꎮ
１ ２ 计算相关参数
径向ꎬ ｙ 方向为滚轮转动方向ꎬ ｚ 方向则为闸门跨
度方向ꎮ
２ ２ 模型载荷及约束条件
在门槽上简支梁、 次梁简化为支承在主梁上的连续
位移为 １０ ５４ｍｍꎬ 位于闸门 １ 号主梁中心ꎬ ７ 号主
要有结构自重、 启闭力等ꎮ 内力计算时将平面钢闸
度[１ / ６００] Ｌ ＝ １０４ ７ｍｍꎬ 满足规范要求ꎮ
中面板简化为四边固支的双向板、 主梁简化为支承
果如图 ５ 所示ꎮ 其中最大弯曲应力为 １４８ＭＰａꎬ 位
体坐标 系 下 的 ｙ 方 向 惯 性 力ꎻ ② 长 江 侧 水 位 ＋
７ ９６ｍꎻ 内河侧水位 ＋ ４ ００ｍꎮ
图 ４ 主梁位移云图( 单位: ｍ)
于中间滚轮 ２ 附近的底横梁上ꎻ 主梁最大剪应力为
４０ １ＭＰａꎬ 均满足规范要求ꎮ
计算时将水压力等效作用在靠近内河侧的挡水
面板上且未考虑浮箱浮力对闸门的影响ꎮ
３ 扬州大学水利科学与工程学院ꎬ 江苏 扬州 ２２５１２７)
摘要: 针对某运河江边枢纽的 ６０ｍ 宽大跨度下卧式底枢翻板门方案ꎬ 分别采用空间体系有限元计算法与平面体
系计算法对该闸门的结构内力进行分析比较ꎬ 综合 ２ 种算法结果确定最终闸门设计方案ꎮ
式公园ꎬ 为营造出良好的景观效果ꎬ 要求节制闸单
依次布有边梁和 １１ 根纵向隔板ꎬ 梁系均采用实腹
和一座净宽 ６０ｍ 节制闸组成ꎮ 因该枢纽紧邻开放
别布有顶梁和 ７ 根主梁ꎬ 竖直方向则从一侧至中间
式焊接组合钢梁ꎮ 结构具体布置如图 １ 所示ꎮ
孔布置ꎬ 可供选择的方案有大跨度下卧式底枢翻板
门
、 大孔径双扉平面钢闸门等ꎮ 本文对其中大
２０２０ 年第 ３ 期
理论研究
水利技术监督
ＤＯＩ: １０ ３９６９ / ｊ ｉｓｓｎ １００８￣１３０５ ２０２０ ０３ ０５７
大跨度下卧式底枢翻板门的结构应力与变形分析
王振红１ ꎬ 管义兵１ ꎬ 赵开南２ ꎬ 陈 华３
(１ 江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司ꎬ 江苏 苏州 ２１５１２８ꎻ
１ ３ 结构布置
闸门尺寸为 ６３ ６ｍ × ３ ５ｍ × ９ ３７ｍ( 长 × 厚 ×
２１０
对于建立的有限元模型ꎬ 结合闸门实际运行工
况ꎬ 其简化的约束荷载包括: 底部滚轮所在位置的
支撑约束和闸门跨度方向的移动约束ꎬ 即局部坐标
收稿日期: ２０１９￣１０￣２８
作者简介: 王振红(１９８６ 年—) ꎬ 女ꎬ 工程师ꎮ
水体密 度 ρ ＝ １０００ｋｇ / ｍ３ ꎻ 闸 门 材 料 为 Ｑ３４５ꎬ
由 ＳＬ７４—２０１３« 水利水电工程钢闸门设计规范» [８]
可知ꎬ 其材料参数如下: 弹性模量( Ｅ) 为 ２０６ＧＰａꎬ
泊松比( ν) 为 ０ ２８ꎬ 密度 ( ρ) 为 ７８５０ｋｇ / ｍ ꎻ 重力
３
加速度( ｇ) 为 ９ ８ｍ / ｓ２ ꎮ
跨度下卧式底枢翻板门 [４￣５] 方案进行研究ꎬ 论证该
２ 空间体系有限元分析
方案技术上的可行性ꎮ
２ １ 有限元计算模型
[１￣３]
常规翻板门宽度一般在 ４ ~ １６ｍ 左右ꎬ 该闸门
为提高有限元计算结果的计算精度ꎬ 在对闸门
跨度达 ６０ｍꎬ 在国内外现役及在建工程中均属少
进行 Ａｎｓｙｓ 分析时ꎬ 对于主要的面板结构采用高阶
根据 ＳＬ ７４—２０１３ꎬ 本工程闸门承受的水平荷
(２) 主梁ꎮ 主梁的最大位移如图 ４ 所示ꎬ 最大
载有静水压力、 动水压力、 浪压力等ꎻ 竖向荷载主
梁( 底部主梁) 最大位移为 ７ １ｍｍꎬ 均小于允许挠
门分为面板、 主梁、 次梁等构件分别进行计算ꎮ 其
主梁主要承受弯矩和剪力作用ꎬ 其应力计算结
关键词: 大跨度ꎻ 底枢翻板门ꎻ 有限元计算ꎻ 平面体系计算
中图分类号: ＴＶ６６ 文献标识码: Ｂ 文章编号: １００８￣１３０５(２０２０)０３￣０２１０￣０３
苏南某运河江边枢纽由一座流量 １２０ｍ３ / ｓ 泵站
高) ꎬ 闸门为左右对称结构ꎬ 水平方向从上至下分
简支梁 进 行 计 算ꎮ 材 料 的 容 许 应 力 参 照 ＳＬ ７４—
２１１
２０２０ 年第 ３ 期
基金项目: 江苏省水利厅项目(２０１８０１４)
理论研究
２０２０ 年第 ３ 期
水利技术监督
图 １ 闸门总体结构布置
图 ２ 有限元计算模型
系下的 ｘ、 ｚ 向约束ꎻ 闸门侧止水和底止水位置施
加的垂直闸门方向的约束ꎬ 即总体坐标系下的 ｚ 向
约束ꎻ 闸门对称面上的对称约束 [１２￣１５] ꎮ
作用载荷包括: ①闸门所受的重力作用ꎬ 即总
设计的安全、 经济及合理性ꎬ 本文采用三维有限元
ＢＥＡＭ１８９ [９￣１１] ꎮ 考虑到闸门结构及承担荷载的对称
壳单 元 ＳＨＥＬＬ２８１ 建 模ꎬ 部 分 次 梁 则 采 用 梁 单 元
见ꎮ 因该闸门跨度大、 受力复杂ꎬ 为确保闸门结构
空间应力分析与平面体系计算方法相对比 [６￣７] ꎬ 分
性ꎬ ＡＮＳＹＳ 静力分析时仅需建立一半的计算模型ꎬ
２ ３ 有限元计算结果
(１) 挡水面板ꎮ 图 ３ 为内河侧挡水面板的折算
应力云图ꎬ 由图知最大折算应力约为 １８５ＭＰａꎬ 满
足规范要求ꎮ 最大折算应力位于中间滚轮 ２ 处的横
梁翼缘与内河侧挡水面板接触位置ꎮ
图 ５ 主梁正应力云图( 单位: ＭＰａ)
３ 平面体系计算
３wk.baidu.com１ 计算模型
图 ３ 挡水面板折算应力云图( 单位: ＭＰａ)
建立的闸门模型如图 ２ 所示ꎮ
析闸门在最不利工况下的应力、 变形等情况ꎬ 为闸
图 ２ 中所示坐标为总体笛卡尔坐标系ꎬ ｘ 方向
门结构的优化设计提供技术支撑ꎮ
１ 计算工况及相关参数
为闸门跨度方向ꎬ ｙ 正方向为闸门高度方向ꎻ ｚ 正
１ １ 计算工况
轮位置施加转动约束ꎬ 在滚轮所在轴心位置建立了
方向则由内河侧指向长江侧ꎮ 此外ꎬ 为了对底部滚
局部柱坐标系( 未在图中显示) ꎬ 其中 ｘ 方向为滚轮
以节制闸挡潮时的最不利工况为例ꎬ 进行计算
分析ꎬ 即: 长江侧水位( ｈ１ )７ ９６ｍ( 镇江吴淞高程ꎬ
下同) ꎻ 内河侧水位( ｈ２ )４ ０ｍꎮ
１ ２ 计算相关参数
径向ꎬ ｙ 方向为滚轮转动方向ꎬ ｚ 方向则为闸门跨
度方向ꎮ
２ ２ 模型载荷及约束条件
在门槽上简支梁、 次梁简化为支承在主梁上的连续
位移为 １０ ５４ｍｍꎬ 位于闸门 １ 号主梁中心ꎬ ７ 号主
要有结构自重、 启闭力等ꎮ 内力计算时将平面钢闸
度[１ / ６００] Ｌ ＝ １０４ ７ｍｍꎬ 满足规范要求ꎮ
中面板简化为四边固支的双向板、 主梁简化为支承
果如图 ５ 所示ꎮ 其中最大弯曲应力为 １４８ＭＰａꎬ 位
体坐标 系 下 的 ｙ 方 向 惯 性 力ꎻ ② 长 江 侧 水 位 ＋
７ ９６ｍꎻ 内河侧水位 ＋ ４ ００ｍꎮ
图 ４ 主梁位移云图( 单位: ｍ)
于中间滚轮 ２ 附近的底横梁上ꎻ 主梁最大剪应力为
４０ １ＭＰａꎬ 均满足规范要求ꎮ
计算时将水压力等效作用在靠近内河侧的挡水
面板上且未考虑浮箱浮力对闸门的影响ꎮ