弧形钢闸门三维有限元静力安全评价

托尔巴衣尔，张雪才，彭慧荣，张进华，张海龙

(1.乌鲁瓦提水利枢纽管理局, 新疆 和田 848000；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司, 河南 郑州 450003)

乌鲁瓦提水利枢纽位于新疆和田河西支流域喀拉喀什河中游河段，坝址地理坐标为东经79°27′11″、北纬36°49′29″，是一座具有灌溉、防洪、发电等综合效益的控制性水利枢纽工程，为大(2)型工程，主要由主坝、副坝、溢洪道、冲沙洞、冲沙洞及发电引水洞等主要建筑物组成。拦河坝为混凝土面板砂砾石坝，坝顶高程1 967.0 m，主坝高133.0 m，坝顶长365.0 m；副坝高67.0 m，坝顶长108.0 m。水库坝址以上控制流域面积19 983.0 km2，多年平均净流量22.27亿m3，多年平均流量70.60 m3/s。水库正常蓄水位1 962.0 m，正常蓄水位对应库容3.227亿m3，死水位1 924.0 m，死库容0.984亿m3，调节库容2.243亿m3，水库汛限水位1 959.5 m，防洪高水位1 962.25 m，防洪库容0.226亿m3，设计洪水位1 962.43 m，校核洪水位1 963.29 m，水库总库容3.336亿m3。

为排泄水库中的泥沙和减少泥沙淤积，在大坝左岸设有1孔冲沙洞，其中冲沙洞进口底板高程为1 894.0 m，工作闸门为弧形闸门、尺寸为2.5 m×2.5 m(长×宽)。该水利枢纽从1999年首台机组发电至今，已安全运行20多年，鉴于冲沙洞弧门结构的锈蚀和磨损等原因，结构的安全性会有所降低，依据《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》[1](SL101—2014)的要求应对该弧门进行安全检测，但因该弧门不具备原型检测的条件，为确保弧形闸门的安全，特采用空间有限元法[2-13]对该弧形闸门强度和刚度进行分析，并依据现行闸门设计规范[14-15]对其进行安全评价。

1 分析模型

1.1 几何模型和有限元模型

根据冲沙洞弧门结构的型式和受力特点，并考虑到弧形闸门是一种典型的空间薄壁结构体系[16]，整个弧门结构采用shell 181四节点壳体单元模拟，网格划分时为得到高质量的网格形状，采用映射网格划分。采用空间有限元建立冲沙洞弧门的几何模型和有限元模型见图1，最终划分的单元数和结点数分别为49 664个和48 801个。鉴于弧门空间结构的复杂性，建立模型时采用整体直角坐标系和局部柱坐标系相结合的方式，其中：整体坐标系坐标原点在左支铰处，X方向沿水流方向，Y方向竖直向上，Z方向与XY平面垂直向右，符合笛卡尔坐标系的右手法则；局部坐标系坐标原点为两支铰连线的中点处，φlocal方向在上下支臂夹角平分线上，Zlocal方向与整体坐标系Z向平行。

图1 冲沙闸弧形闸门结构模型

1.2 结构尺寸和材料特性

鉴于该冲沙洞弧门结构已运行超过20 a，为更接近闸门结构实际尺寸，按设计尺寸统一考虑2 mm的锈蚀厚度，面板厚度为22.0 mm，纵梁翼缘厚度为22.0 mm、腹板厚度为20.0 mm，横梁翼缘厚度为24.0 mm、腹板厚度为22.0 mm，支臂腹板和翼缘厚度为24.0 mm。根据现行闸门设计规范[14～15]中可知闸门结构材料特性见表1。

表1 闸门结构的材料参数

1.3 边界条件

实际工程中弧形闸门在关闭挡水时，其面板底部在水压力作用下相当于直接与闸底板接触，有限元分析时一般直接约束面板底部的线位移；门叶的边梁处，直接约束垂直水流方向和沿水流方向的线位移来模拟边墩对闸门的约束作用；闸门支铰处不允许有线位移，约束3个方向的线位移和2个方向的角位移，仅放松可绕支铰转动的角位移。闸门在瞬间开启时，面板底部的约束消失，边梁和支铰处的约束依然存在，此时还要考虑启闭杆(液压启闭机)的约束作用。

弧形闸门在关闭挡水时，承受的荷载主要来自静水压力和自重，其中静水压力沿水深方向是线性变化，采用软件中的SFGRAD命令以面荷载梯度的方式施加，自重采用ACEL命令施加。弧形闸门在瞬间开启时，承受的荷载主要来自静水压力、自重和启门力，其中静水压力和自重施加方式不变，启门力以集中荷载的方式直接施加到吊耳板上。其中弧门全关时，设计水头83.0 m，无启门力；弧门瞬间开启时，设计水头83.0 m，启门力1 000 kN。

2 强度和刚度评价标准

现行规范中根据钢材厚度或直径将钢材的强度设计值分为5组，不同厚度的钢材按组选取强度设计值，应首先确定材料的容许应力，而容许应力与钢材的厚度直接相关，闸门各构件材料的厚度不等，其容许应力亦不相同，不同部位构件的允许应力如表2所示。

表2 闸门不同构件的允许应力

钢材容许应力不仅与钢材厚度有关，还与闸门的重要程度和运行条件有关。根据闸门设计规范，对大、中型工程的工作闸门和重要事故闸门，容许应力应乘以0.90～0.95的调整系数，结合该闸门的实际情况取0.9。此外，《水利水电工程金属结构报废标准》[17](SL 226—98)规定，对在役闸门进行结构强度验算时，材料的容许应力应按使用年限进行修正，容许应力应乘以0.90～0.95的使用年限修系数，考虑使用年限修系数为0.90。

由于受力状况不同，闸门各构件的强度评判标准亦不相同。对于闸门承重构件和连接件，应校核正应力σ和剪应力τ，校核公式为σ≤[σ]t，τ≤[τ]t，式中[σ]t、[τ]t均为调整后的容许应力，各部分构件调整后的容许应力详见表3。对于组合梁中同时受较大正应力和剪应力作用处，除校核正应力和剪应力外，还应校核折算应力σz，校核公式为σz≤1.1[σ]t。对于面板而言，考虑到面板本身在局部弯曲的同时还随主(次)梁受整体弯曲的作用，故应对面板校核折算应力σz，校核公式为σz≤1.1α[σ]t。式中α为弹塑性调整系数，b/a>3，α取1.4；b/a≤3，α取1.5，a、b为面板计算区格短边和长边的长度，m;从面板与主次梁的焊缝算起可知α为1.4，面板的折算应力为182.25 MPa。

表3 考虑闸门类型和使用年限因素后不同构件的允许应力

3 分析结果及安全评价

3.1 弧门全关时结构的强度和刚度

3.1.1 整体结构强度和刚度

设计水位下，冲沙闸弧形闸门全关时整体结构的强度和刚度见图2。

图2 整体结构等效应力云图和位移云图

由图2知，弧形闸门结构的最大等效应力为132.0 MPa，位于主梁与支臂的连接处，整体结构满足强度要求；弧形闸门结构的最大位移位于顶梁与第一根次横梁之间靠近跨中的梁格处，为1.70 mm，整体结构满足刚度要求。

3.1.2 面板结构强度和刚度

设计水位下，冲沙闸弧形闸门全关时面板结构的强度和刚度见图3。

图3 面板结构的应力云图和位移云图

由图3知，面板结构最大等效应力位于主横梁与面板连接处，为122.0 MPa，满足强度要求；面板结构的最大位移位于顶梁与第一根次横梁之间靠近跨中的梁格处，为1.70 mm，满足刚度要求。

3.1.3 次横梁结构强度和刚度

设计水位下，冲沙闸弧形闸门全关时次横梁结构的强度和刚度见图4。

图4 次横梁结构等效应力云图和位移云图

由图4知，次横梁结构最大等效应力位于第一根(由上至下)次横梁腹板处，为45.9 MPa，满足强度要求；次横梁结构的最大位移位于第一根次横梁下翼缘跨中，为1.25 mm，满足刚度要求。

3.1.4 主横梁结构强度和刚度

设计水位下，冲沙闸弧形闸门全关时主横梁结构的强度和刚度见图5。

图5 主横梁结构等效应力云图和位移云图

由图5知，主横梁结构最大等效应力位于主梁与支臂的连接处，为132.0 MPa，满足强度要求；主横梁结构最大位移位于上主横梁下翼缘跨中处，为1.09 mm，满足刚度要求。

3.1.5 纵梁结构强度和刚度

设计水位下，冲沙闸弧形闸门全关时纵梁结构强度和刚度见图6。

图6 纵梁结构等效应力云图和位移云图

由图6知，纵梁结构最大等效应力位于次纵梁翼缘与主梁翼缘连接处，为111.0 MPa，满足强度要求；纵梁结构最大位移位于中间次纵梁腹板与顶梁连接处，为1.40 mm，满足刚度要求。

3.1.6 顶梁和吊耳结构强度和刚度

设计水位下，冲沙闸弧形闸门全关时顶梁和吊耳结构的强度和刚度见图7。

图7 顶梁和吊耳结构等效应力云图和位移云图

由图7知，顶梁和吊耳结构最大等效应力位于顶梁腹板处，为55.2 MPa，满足强度要求；顶梁和吊耳结构最大位移位于吊耳板处，为1.48 mm，满足刚度要求。

3.1.7 支臂结构强度和刚度

设计水位下，冲沙闸弧形闸门全关时支臂结构强度和刚度见图8。

由图8知，支臂结构最大等效应力位于与主横梁连接处和支铰处，为106.0 MPa，满足强度要求；支臂结构最大位移位于下支臂与主梁连接处，为0.757 mm，满足刚度要求。

3.2 弧门瞬开时结构的强度和刚度

由文献[18]知瞬间开启工况为闸门结构的最危险工况，为充分保证该弧形闸门结构的安全，同理采用三维有限元法对弧形闸门瞬间开启工况下的强度和刚度进行分析，并对支臂稳定性进行验算，限于篇幅，采用列表的形式给出冲沙闸弧形闸门在设计水位下瞬间开启时结构的强度和刚度分析结果，同时依据规范[19]对两种工况下支臂结构的稳定性进行分析。结果详见表4。

表4 瞬间开启时弧门结构的强度和刚度

由表4可知:(1) 乌鲁瓦提水利枢纽冲沙洞弧形闸门在设计水位下瞬间开启时，弧形闸门结构的强度和刚度均满足当时设计规范[20]和现行设计规范[14-15]的要求；(2) 设计水位下瞬间开启时弧形闸门结构的强度和刚度几乎都有所降低，其中整体结构的强度降低9.09%，刚度降低8.24%；面板结构的强度变化不大，刚度降低8.24%；次横梁结构的强度降低13.73%，刚度降低9.60%；主横梁结构的强度降低7.58%，刚度降低4.59%；顶梁和吊耳板结构的强度降低2.61倍，刚度降低18.24%；支臂结构强度降低4.72%，刚度几乎不变;(3) 顶梁和吊耳板结构的强度降低最大，其次是靠近顶梁结构的次横梁结构和上主横梁结构。弧形闸门全关工况和瞬开工况结构强度和刚度发生变化的最根本的原因是由于启门力的直接作用，从而对顶梁结构、次横梁和上主梁结构的强度和刚度产生影响，并且对顶梁和上主横梁的影响尤其明显。但在实际钢闸门设计工作中很少考虑启门力对闸门结构的影响，仅凭工程经验加厚吊耳板的措施来考虑启门力的影响。通过本研究为完善钢闸门设计提供了理论基础和具体方法。

4 结 论

采用三维有限元法对乌鲁瓦提水利枢纽冲沙洞弧形闸门进行了安全评价，重点分析了设计水位工况和瞬间开启工况下弧形闸门结构的强度和刚度。得到以下结论：

(1) 三维有限元法作为钢闸门安全评价的一种有效方法，可作为钢闸门原型观测的补充手段。

(2) 两种分析工况下弧形闸门结构的强度和刚度均满足当时和现行水工钢闸门设计规范的要求，闸门整体结构是安全的，可继续使用。

(3) 启门力对闸门整体结构的强度和刚度有很大的影响，尤其对闸门顶梁结构和上主横梁结构。

(4) 在闸门设计时要考虑闸门瞬开工况时的闸门结构的安全性，为完善钢闸门产品设计提供了理论基础。