超大型三斜支臂弧形钢闸门设计及有限元分析

!""#! $$%%%&'()*+),!-.+/)0&1) 234!56789:9 $.7+;;)75665<9=8>7=6=87?576=K
第 @@ 卷 增 5 人民珠江A =6=8 年 : 月ABCDEFE4GCE
超大型三斜支臂弧形钢闸门设计及有限元分析
杨宗儒甘志军张发茂
中水珠江规划勘测设计有限公司广东A广州A>56:56
表 #$闸门设计基本参数
数值
闸门参数
58 *
孔口高度
56I *
防洪高水位
I:&> *
封水高度
=@&65 *
闸门材料
5 $:66
闸门容许应力调整系数
595&=> ^B/
钢材实际容许剪应力
数值 =@&> * 556&>5 * =@&65 * w8>>h
6&I> 55@&K> ^B/
5@6
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/# 框架受荷载示意" *'Ql'Ql$*#
e# 框架在荷载作用下弯矩示意" Ql'Ql-*#
图 5$闸门框架计算简图
!&%&#$主梁及支臂截面参数 考虑到闸门跨度大%挡水水头高%闸门主梁及支
臂均采用箱型梁结构& 主梁及支臂截面见图 56'55&
图 #"$闸门主梁截面 CC
!&%&!$结构计算 根据.水电站机电设计手册/ 及应力组合可分
主梁支座剪应力 $^B/
9=&5
主梁支座折算应力 $^B/ 5@@&9
中框架 主梁端部折算应力 $^B/
@K&I
启门 工况 K@&5 JK8&6 JI6&I >6&> 9=&5 5@:&K :5&8
55>&K 支臂平面内压弯应力 $^B/ 5>K&>
5I5&: 5I5&>
I=&= 支臂平面外压弯应力 $^B/ 566&>
下框架 主梁端部折算应力 $^B/
@6&5
5=@&6 支臂平面内压弯应力 $^B/
5=@&6
J6&> I&5 J5=K&6 KK&= 56@&9 5K8&@ 55I&:
5I8&8 5I9&9
支臂平面外压弯应力 $^B/
主梁跨中挠度 $** 主梁跨端挠度 $**
56@&5 5=6&6
5&@I 5&@@
摘 要为了研究超大型弧形钢闸门设计方法同时验证设计的正确性及合理性选取海南省南渡江迈湾水利枢纽工 程溢流坝三斜支臂弧形钢闸门作为分析对象 首先采用传统的平面体系假设方法确定闸门主梁支臂的布置型式 并对闸门在 = 种典型的受力工况全水头挡水工况启门 下工况进行结构计算与分析然后再采用有限元法模拟闸 门的实际运行环境对闸门进行有限元仿真分析 总结 = 种分析方法的特点为同类型闸门的设计提供借鉴和参考 关键词弧形钢闸门水利水电工程平面体系假设方法有限元法 中图分类号PG::8&@AA文献标志码hAA文章编号5665<9=8>=6=8 ?5<6589<6:
的要求& 邓雪松(@) 在. 溢流表孔弧形工作闸门设计 和应用/ 中对布尔津山口水利枢纽工程溢流表孔弧 形工作闸门的设计进行详细介绍%通过闸门曲率半 径'支铰高度'框架结构'启闭机选择的设计%总结出 上述各自设计要点& 张雪才等(>) 在. 水工弧形闸门 结构的 DB2F建模方法/ 中通过 DB2F参数化语言 简历弧门几何模型和有限元模型%提高闸门的设计 效率&
"=#
总水压力!
?b槡?=;UK=;b@> @6> Ql
"8#
总水压力方向!
( ) #6 b/'1"/)
K; ?;
bK*9I]
"@#
式中A?;$$$闸门受到的水平水压力%Ql,.$$$动
水系数%宜取 5&6 T5&=%本工程为露顶式溢
流坝弧形闸门%取 5&=,/$$$水的重度%Ql$*8,
:;$$$上游 水 头% *, A,;$$$孔 口 宽 度% *, K;$$$闸门受到的垂直水压力% Ql, 4*$$$ 弧门面板半径%*,#5 $$$上游水面线'面板 交点与支铰中心 的 连 线 与 水 平 面 的 夹 角%
!$弧形钢闸门结构设计
弧形钢闸门在全水头挡水状态及启门瞬间时% 结构受力情况最为复杂(K JI) %因此本文选取以上 = 种情况进行结构分析& !&#$闸门基本参数
闸门设计基本参数见表 5&
收稿日期=6== J6I J6@ 作者简介杨宗儒"599=$# %男%硕士%工程师%主要从事水工金属结构设计& CJ*/+L!56>8:56:68MNN&1O*
;轴的转动
吊耳处固定约束%支铰约束 <'
=
启门工况
;'B的位移及绕 <';轴的转动
图 #%$全水头挡水工况下应变云图 7)
%&!$不同工况下闸门的静力分析 由应力云图可知% 不考虑 局 部 应 力 应 变 集 中
点(58) %闸门 在 = 种 不 同 工 况 下 的 最 大 应 力 值 为 5I9 ^B/%小于材料的许用应力%说明闸门的整体强 度满足要求& 闸门的最大变形量为 58&8= **%考虑 到闸门整体变形的累计效果%闸门的整体刚度满足 要求&
由图 5=$5> 知%= 种工况下%上主梁应力应变 值较小%中'下主梁的应力应变分布较为均匀%支臂 整体应力应变较为均匀%说明闸门主梁'支臂的布置 相对合理&
图 #&$启门工况下应力云图 7)
图 #'$启门工况下应变云图 7)
5@8
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本文以海南省南渡江迈湾水利枢纽工程为研究 背景%选取溢流坝弧形钢闸门作为分析对象& 该型 闸门孔口宽%挡水水头高%采用露顶主横梁三斜支臂 布置型式%为超大型结构设备& 闸门启闭及运行过 程中闸下水流条件变动频繁'闸门各结构受力复杂% 本文采用传统的平面体系假设计算方法(:) 与有限 元分析方法 相 结 合% 以 充 分 验 证 设 计 的 合 理 性' 安 全性&
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人民珠江A=6=8 年增刊 5
Байду номын сангаас
图 #$露顶式弧形钢闸门
图 &$直支臂式弧形钢闸门
图 !$潜孔式弧形钢闸门
图 '$主横梁式弧形钢闸门
图 %$斜支臂式弧形钢闸门
图 ($主纵梁式弧形钢闸门
闸门参数 孔口宽度 正常蓄水位 底槛高程 上游水头 闸门容许挠度 钢材实际容许正应力
水平水压力" 考虑动水系数 .b5*=# !
?;b5= -.-/-:=;-A,;
"5#
竖直水压力" 考虑动水系数 .b5*=# !
[ K;b5= -.-/-4=*
/" #5 U#= # 5I6
J;+)=#= J
( ) ] ;+)" #5 J#= # J=;+)" #5 U#= # ;+)" #5 =J#= # = A,;
人民珠江A=6=8 年增刊 5
!&!$闸门水压力计算(K%9) 闸门水压力计算简图见图 K&
图 2$闸门水压力计算简图 CK; L
闸门的主梁'支臂进行初步布置%见图 I%闸门面板 上悬段 长 度 I 6>6 **% 中' 上 主 梁 间 简 支 段 长 度 9 666 **%中'下主梁间简支段长度 I :66 **%下悬 段长度 5 8>6 **& 其中中'下主梁所受的水压力合 力作用线与总水压力作用线方向基本重合& 由图 I 及表 5 参数可以得到!!露顶式弧形闸门面板曲率 半径与闸门高度比值为 5&59"推荐范围 5&6 T5&>#, "过流时弧门支铰不受水流及漂浮物冲击,#支铰 距底槛高度与门高的比值为 6&@9" 推荐范围 5 $8 T 8 $@# & 以上参数均符合. 水利水电工程钢闸门设计 规范/ &
本工程斜支臂弧形钢闸门由主梁及支臂组成的 框架计算简图见图 9%共有上'中'下 8 组主框架%8 组主框架结构型式相同%荷载大小不同%其中中'下 主框架荷载较大%故分析时主要分析中'下主框架&
5@5
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人民珠江A=6=8 年增刊 5
" q# ,#= $$$下游水面线'面板交点与支铰中 心的连线与水平面的夹角%" q# ,?$$$闸门
受到的总水压力%Ql, #6 $$$总水压力作用 线与水平面夹角%" q# &
!&%$闸门结构设计
根据总水压力大小'方向及表 5 中基本参数%对
图 3$闸门结构布置简图 C
弧形钢闸门的结构计算假定依然采用平面体 系%忽略面板及纵向梁系的曲率影响& 在具体计算 时%往往将闸门各个部分的构件拆解开来进行独立 的力学计算& 先是面板%再是门叶结构%然后是支 臂'支铰'启闭力以及一些其他辅助装置计算& 面板 直接承受水压力产生局部弯曲应力%局部弯曲应力 按照四边固支" 或三边固支一边简支# 的弹性薄板 理论计算,面板和梁系焊接在一起%会对梁产生一个 有效作用宽度& 支臂为偏心受压柱%受到的荷载作 用分解到两个相互垂直的平面内%因此除了进行常 规强度验算外%还应验算支臂在框架平面内'外 = 个 方向的稳定性(56) &
5:6&9 5:@&5
6&89= 5&85
图 ##$闸门支臂截面 CC
由表中计算结果可知%闸门结构设计符合要求&
%$弧形钢闸门有限元分析
为进一步验证闸门结构设计的合理性%采用有 限元法对弧形闸门进行静力分析& 静力分析时%主
5@=
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#$概述
弧形钢闸门作为水利水电工程中普遍采用的门 型之一具有如下优点!一是门叶结构简单%面板为弧 形%闸墩内侧无门槽%泄流时对水流形态影响小,二 是闸门启闭操作时启闭力相对平板闸门小& 弧形钢 闸门主要由转动门体'支臂'预埋件及启闭设备三部 分组成%门体与支臂连接后通过支铰与预埋件连接% 闸门操作时由启闭设备带动门体绕支铰转动从而完 成启闭动作(5) & 弧形钢闸门按照门顶有无水位可 分为露顶式" 图 5# 和潜孔式" 图 =#,按照支臂传力 型式可分为斜支臂式" 图 8# 和直支臂式" 图 @#,按 照门叶结构可分为主横梁式" 图 ># 和主纵梁式" 图 :#& 国内外对于弧形闸门的设计研究较多%曹慧颖 等(=) 在.水荷载在弧形闸门个主要受力部件间的分 配和传递/ 中采用有限元内力法确定水压荷载作用 下闸门各主要受力部件的相互作用力% 消除闸门某 些部位不合理的应力集中现象后根据其有限元计算 成果求解出各构件的内力%验证设计满足要求& 高 卓等(8) 在. 基于 Dl?Z? 的表孔弧形闸门数值分析/ 中直接利用有限元分析软件 Dl?Z? 对表孔弧形闸 门进行数值分析%提取整体结构和主要零部件的应 力'变形云图%验证闸门的结构设计满足强度和刚度
别计算出中'下主框架各结构在全水头挡水工况'启 门瞬间的应力及应变%见表 =&
表 !$中下主框架各结构应力及应变
计算 框架
项目
全水头 挡水工况
主梁跨中截面压应力 $^B/ I:&K
主梁跨中截面拉应力 $^B/ JIK&6
主梁支座截面压应力 $^B/ J:I&9
主梁支座截面拉应力 $^B/ @8&>
人民珠江A=6=8 年增刊 5
要考虑结构自重和上游水压力的作用(55 J5=) &
%&#$闸门荷载及约束
)#水压力& 闸门所受水压力承三角形%水压力
与水深成正比!
?b/-F
">#
式中AF$$$水深%*&
*# 重力& 在有限元分析软件中施加沿自重相
反方向的重力加速度&
+# 约束闸门支铰的 <';'B的位移及绕 <';轴的
转动&
,# 全水头挡水工况在闸门底缘施加 ;轴方向
的位移约束&
4# 启门工况在闸门吊耳孔施加固定约束& 闸
门在 = 种不同工况下的荷载与约束见表 8&
图 #!$全水头挡水工况下应力云图 7)
表 %$闸门不同工况下的荷载与约束
序号
工况
约束
闸门底缘约束竖直方向位移% 5 全水头挡水工况 支铰约束 <';'B的位移及绕 <'
人民珠江A=6=8 年增刊 5
综合比较平面体系假设计算方法与有限元分析 结果= 种计算分析方法得到的结构均满足强度及 刚度要求应力应变分布也都符合水压力造成的分 布特征 有限元法结果相对平面体系假设方法数值 偏大其原因在于闸门整体主要为焊接结构面板与 主梁次梁焊接处支臂主截面与附属结构件焊接处 存在较多的应力集中处闸门所受静水压力也更接 近实际因此有限元法得到的结果可靠度较高 从 限元法得到的面板应力和变形云图也可以看出面 板应力和变形呈方形布置也真实地反映出闸门主 次梁及隔板的布置特征形象直观
主梁跨中挠度 $** 主梁跨端挠度 $**
5&K: 5&K5
58@&@ 58@&8
6&8:9 6&88@
主梁跨中截面压应力 $^B/ K=&:
主梁跨中截面拉应力 $^B/ JK=&9
主梁支座截面压应力 $^B/ J>I&=
主梁支座截面拉应力 $^B/ 8:&I
主梁支座截面剪应力 $^B/ KK&8
主梁跨端折算应力 $^B/ 5=5&K