短支臂下卧式空箱弧形闸门应力分析方法研究

夏鹤鹏 颜红勤 蒋红樱 吴新民 于正委

（1.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司 南京 210029 2.连云港市水利规划设计院有限公司连云港 222000）

1 引言

水利工程弧形闸门设计过程中，闸门主梁设计的计算方法通常是根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（以下简称《规范》）按平面简化计算方法。此次以某短支臂下沉式空箱弧形闸门为研究对象，采用《规范》的常规计算方法、局部框架式计算方法和整体框架计算方法与三维有限元计算方法进行对比分析。比较分析三种平面假设计算结果与三维数值模拟计算结果，为短支臂下沉式空箱弧形闸门前期的设计计算方法提供参考。

2 工程简介

某短支臂下卧式空箱弧形闸门位于江苏省连云港市。该工程具有挡潮、排涝、蓄淡、通航等功能。该水闸闸门总宽度19.90m，门高7.45m，弧面半径5.25m。由于内部港池运行需要，该闸通航净宽18.0m，通航净空10.0m。该闸设计排涝流量为28.3m3/s。闸底板高程-2.00m，闸门采用短支臂下卧式空箱弧形钢闸门，闸门主体为“Π”型框架结构，门叶采用空箱式弓形结构，内部布置6 道横隔板，15 道纵隔板。横隔板沿弧形面板等间距布置，横隔板中心线与弧形面板法线方向一致，中部纵隔板等间距布置，两端各两块纵隔板结合支臂腹板布置。横隔板之间设置小横梁，横隔板、纵隔板和小横梁等高连接。支臂为变截面箱形结构，6 道纵隔板放射形布置，其中心线与门叶横隔板对应。

3 平面简化计算方法

由于该闸门门叶为弓形箱式结构，各主梁腹板高度不一致，采用常规计算方法分析主梁内力存在较大误差。为探索此类闸门简便计算方法，设计了三种不同计算方法：（1）方法一将6 道主梁全部按工字型断面计算。（2）方法二将1、2 道主横梁及5、6 道主横梁分别组合成箱梁进行计算，即将闸门拆分为4 榀主横梁式框架，顶部与底部两榀框架主横梁采用横隔板与前后面板围成的箱形断面，中部两榀框架主梁采用工字型断面，支臂采用平均截面。（3）方法三考虑到门叶与支臂均为闭合箱型结构，将闸门整体作为平面框架结构进行结构分析。

3.1 荷载与内力计算

3.1.1 计算方法一

由于弓形断面门叶的每块横隔板高度均不等，支臂亦为变断面结构，为便于分析闸门内力，作如下假定：门叶自上而下，大小共设有6 道主横梁，考虑到上部与底部4 块横隔板高度较小，计算方法一是按常规方式，6 道主梁全部按工字型断面计算，方法一闸门主框架荷载表见表1。

表1中只列出各框架在不同水位组合下荷载的最大值，鉴于框架受力荷载情况，又由于主梁断面不同，取4、5、6 号框架进行内力分析。

表1 闸门主框架荷载表（方法一）

经计算：4 号框架面板折算应力为54.33MPa，5 号框架面板折算应力为58.56MPa，6 号框架面板折算应力为96.54MPa。4 号框架支臂折算应力为47.73MPa，5 号框架支臂折算应力为80.68MPa，6号支臂面板折算应力为194.36MPa。

3.1.2 计算方法二

计算方法二是将1、2 道主横梁及5、6 道主横梁分别组合成箱梁进行计算，即将闸门拆分为4 榀主横梁式框架，顶部与底部两榀框架主横梁采用横隔板与前后面板围成的箱形断面，中部两榀框架主梁采用工字型断面，支臂采用平均截面。方法二闸门主框架荷载表见表2。

表2中只列出各框架在不同水位组合下荷载的最大值，鉴于框架受力差异和主梁断面不同，取3、4 号框架进行内力分析。

表2 闸门主框架荷载表（方法二）

经计算，3 号框架面板折算应力为54.33MPa，4 号框架面板折算应力为69.75MPa。3 号框架支臂折算应力为47.73MPa，4 号框架支臂折算应力为112.30MPa。

3.1.3 计算方法三

该方法是将整扇闸门门叶和整个支臂作为平面框架结构进行结构分析。将闸门总水压力除闸门孔口宽即为闸门线荷载，考虑水压力荷载下大上小，计算应力时线荷载另乘偏载扩大系数（扩大系数近似按门叶箱梁几何中心到门底竖直距离与水压力合力作用线到门底竖直距离的比值）。不同水位条件下框架线荷载见表3。

以表3中列出闸门在不同水位组合下荷载的最大值，鉴于闸门受力荷载情况，取最大荷载290.9kN/m，进行框架内力分析。

表3 闸门不同水位条件下主框架荷载表

经计算，框架面板折算应力为74.12MPa，框架支臂折算应力为139.198MPa。

3.2 闸门主梁应力强度检验

本工程闸门承载结构的钢材采用Q345B，闸门材料厚度＞16～40mm，属第2 组，闸门为工作闸门，又为新型结构，取调整系数为0.9，故钢材的容许应力为：

〔σ〕＝0.9×225 ＝202.5N/mm2

〔τ〕＝0.9×135 ＝121.5N/mm2

（1N/mm2=1MPa）

根据水利水电工程钢闸门设计规范，验算面板折算应力，折算应力结果见表4。

表4 平面应力三种计算方法闸门面板及支臂折算应力表

经计算复核，方法一、方法二、方法三闸门面板、支臂的正应力、剪应力均小于容许应力，折算应力均小于1.1 倍容许应力。

4 三维有限元计算方法

4.1 闸门三维模型构建

根据短支臂下沉式空箱弧形闸门结构图，构建短支臂下沉式空箱弧形闸门的三维计算模型，根据实际使用材料定义闸门模型材料为Q345B 低碳合金钢，其弹性模量为2.06×1011Pa，密度为7820kg/m3，泊松比为0.3。门体面板、梁系、支臂及连接部分为薄壁结构采用SHELL181 单元，门体边梁外侧为实体单元采用SOLID95 单元。整个模型总单元数量为258850 个。依据实际情况，支臂两侧中间轴设置位移、径向和轴向约束，固定栓孔设置固定约束。同时对模型施加载荷，载荷包括闸门自重、两侧静水压力（正向3.00m/-2.00m；反向1.50m/3.96m）、浮力。

4.2 模型闸门应力分析

在正向设计水位（内侧3.00m/外侧-2.00m）工况下，由图1结构应力云图可以看出，主梁框架结构的最大等效应力为71.17MPa，支臂结构的最大等效应力为101.29MPa，分别发生在弧形闸门面板底部和直臂结构的约束固定栓位置附近。

图1 正向工况（3.0m/-2.0m）闸门结构应力云图

在反向设计水位（内侧1.50m/外侧3.96m）工况下，由图2结构应力云图可以看出，主梁框架结构的最大等效应力为71.17MPa，支臂结构的最大等效应力为61.517MPa，分别发生在弧形闸门面板顶部和直臂结构的约束固定栓位置附近。

图2 反向工况（1.50m/3.96m）闸门结构应力云图

5 平面计算法与有限元计算法结果对比

根据结构平面应力计算方法一、二、三和三维有限元计算方法成果，闸门在正向设计水位时底部主梁受力最大，闸门应力分析成果见表5。

表5 不同应力分析方法计算成果比较表

进一步分析结构平面应力分析方法可以得出：

（1）方法一应力分析时将闸门叶拆分为6榀“Π”形框架，并选取线荷载最大的6 号框架为计算对象，结构计算忽略了各框架之间的相互作用。致使支臂的计算应力值几乎是有限元分析法计算成果的两倍，主梁的应力计算成果也存在较大偏差。

（2）方法二为减小拆分对计算成果的影响，将方法一下部的两榀框架组合成一个主梁与臂杆均为箱型断面的框架进行结构应力分析，计算断面接近于相应部位有限元计算的断面，其应力分析成果与有限元整体应力分析的计算成果比较接近。

（3）方法三采用整体分析法，将闸门作为一榀框架进行结构应力分析，此时框架主梁不仅承受弯矩，还承受由荷载偏心形成的扭矩，该扭矩使弓形门叶在横断面上产生剪应力，整体应力分析时没有分析扭矩形成的剪应力，而是在计算线载荷时乘以一个扩大系数，致使闸门应力分析成果产生较大误差。其主梁的最大应力值与有限元分析法主梁的最大值偏差为4.15%，支臂的最大应力值偏差为37.43%。

6 结论

（1）短支臂下卧式空箱弧形闸门门叶为弓形结构，支臂为封闭箱形结构，内部均设纵横隔板，结构复杂，简单计算难以准确分析结构内力，有限元整体应力分析通过数学近似的方法，能较准确地反映闸门受力状态，是这种类型闸门结构应力分析的首选方法。

（2）平面结构应力分析方法一与方法三的计算结果均存在较大误差，不推荐使用该类方法进行闸门结构应力分析。

（3）平面结构应力分析方法二的计算结果存在较小偏差，可用于该类闸门结构尺寸拟定和进行平面结构应力分析的简化方法■