闸门槽顶盖螺栓群连接强度校核研究

靳 康，程 盼，许 闯

(华北水利水电大学，河南 郑州 450000)

1 概述

螺栓群连接作为一种可靠且快速的连接方式广泛应用于钢结构中。保证螺栓群中各螺栓的强度本质上就是保证钢结构的连接强度和稳定性。然而在实际工程中，螺栓群的布置形式复杂多样，往往导致群内不同位置螺栓受力大小和形式均有较大差别，在遭遇危险工况时可能发生局部螺栓连接失效进而引发螺栓群整体失效的情况[1]。因此，在对螺栓群进行校核时不能只关注整体，还需要了解群内单个螺栓的受力情况。为了能够评估结构内所有螺栓的安全性，论文以潜孔水利闸门的门槽顶盖的螺栓群为研究对象，介绍在危险工况下螺栓连接强度的简化计算方法[2- 3]。

2 问题分析

2.1 问题描述

某水库潜孔平面滑动闸门由液压启闭机驱动完成启门或闭门操作。液压启闭安装在闸门槽正上方的顶盖上。顶盖由多块钢板焊接而成，其底缘钢板边缘一周开有52个螺栓孔。顶盖与门槽金属结构之间通过螺栓群相连，且接缝处作密封防水处理。由于水库蓄水位远高于顶盖高程，当闸门全关挡水时，水会充满门槽，并使顶盖受到方向向上的水压。蓄水位越高，顶盖所受水压越大，进而导致螺栓受力越大。因此需要在最高水位工况(即处于设计水头时)对顶盖连接螺栓的强度进行校核，保证结构安全性。

2.2 工况分析

门槽顶盖为钢板焊接结构，主要结构材料为Q345B，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，质量密度取7850kg/m3。闸门主要参数特性表见表1。

表1 闸门主要参数特性表

分析顶盖不同工况下的受力情况，最终确定顶盖螺栓所处最危险工况为：水位达到设计水头100m，闸门全关，此时门槽内充水，顶盖底缘受到垂直向上的水压。

(1)水压载荷：水压力作用在底盖底缘钢板面上，按下式计算：

p=ρgh

式中，p—水压,MPa;ρ—水体密度，取1000kg/m3；g—重力加速度，取9.8m/s2；h—蓄水位与顶盖底缘高程差，通过计算为84.85m。

(2)其他载荷：启闭机自重，15t；顶盖自身重力，以重力加速度方式加载；进人孔盖的重量，401kg。

3 有限元模型简化

综合考虑效率和计算精度，采用通用三维建模软件建立顶盖的实体模型，再导入有限元分析软件进行网格划分得到顶盖的有限元模型[4]。考虑到如果在顶盖模型上开孔并装配螺栓进行有限元分析将使模型零件数量、接触面数量大增，直接导致计算量成倍增加，并且螺栓孔附近极易出现应力集中现象干扰最终结果判断[5]，因此基于等效思维的方法将顶盖与螺栓分开进行计算。具体方法如下。

(1)对顶盖螺栓群进行编号，如图1所示(共计52个)

图1 顶盖螺栓位置编号(图为顶盖仰视图)

(2)利用有限元软件对顶盖底缘钢板面进行面切分[6]，留出所有螺栓轴线和底缘钢板面的交点。之后划分网格得到有限元模型(共生成30391个单元，217549个节点)，如图2所示。

图2 顶盖划分后的有限元模型

(2)约束顶盖底面座圈，对顶盖进行一次有限元计算，得到顶盖分析结果并依据复核评判方法[7]进行结果分析(文章重点为螺栓强度校核，顶盖分析结果不再赘述)。

(3)再将步骤(2)中所留交点设置为施加固定约束的点，等效代替螺栓群的锚固作用，进行第二次有限元计算如图3所示。

图3 顶盖螺栓位置固定约束

第一次计算后可得到顶盖的分析结果，不受螺栓及开孔的影响(文章研究目标是螺栓，顶盖分析结果不再赘述)；第二次计算目的是提取所有约束点的支反力，将其近似作为各螺栓的实际受力，此时不关注其他计算结果。

4 结果处理分析

计算后提取各约束点支反力数据汇总见表2。

表2 工况一各螺栓支反力情况汇总

(续表)

将表2数据绘制成折线如图4所示。从图中可以看出，X向的力(绝对值)相比其余两个方向小得多，因此主要考虑Y、Z两向的受力。通过比较发现编号22的螺栓同时在Y、Z两个方向受力都为最大值(编号38为编号22的对称位置，此处支反力略小于编号22)。同时对比实际图纸中螺栓分布情况来看，编号22的螺栓与其相邻螺栓距离较远，受力大符合预期。因此最终选取编号22的螺栓进行强度校核。

图4 各螺栓位置点沿X、Y、Z向支反力曲线图

编号22螺栓三向支反力分别为13060N(X向)，-319630N(Y向)，220570N(Z向)，总支反力为388570N。螺栓为符合GB 897—88标准的M48型号，性能等级5.6，查GB 50017—2003《钢结构设计规范》确定螺栓强度标准，并取安全系数为1.3，则其许用应力情况见表3。

表3 性能等级5.6的螺栓许用应力*

查GB/T 16823.1—1997确定M48螺栓有效截面积为1470mm2，则螺栓实际拉应力为：

螺栓实际剪应力为：

=150.31MPa<161.5MPa=[τ]

式中，σb—拉应力，N;τ—剪应力，N;FY—Y向受力，N;FX+Z—X、Z两向合力，N;A—螺栓有效截面积，mm2。

综上，螺栓在闸门关闭且为设计水头工况下满足使用要求。

5 结语

通过使用有限元方法对顶盖螺栓群的分析计算，找到了综合受力最大的螺栓的安装位置，并对此螺栓强度进行了校核。结果表明螺栓满足使用要求，从而保证了结构在特殊工况下的使用安全性。

本文以顶盖螺栓群分析为例提出了一种快速完成螺栓群校核的方法。此方法能够帮助确定螺栓群中易出现失效的螺栓位置，指导工程维护人员进行有针对性的维护检修工作。然而，对于简化模型与实际结构的偏差所造成的计算结果误差是否会影响到校核结果，文章并未进行研究，未来仍需要进行深入探讨。