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三维有限元法在钢闸门安全检测中的应用 |
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作者：卜现港 夏仕锋 |
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1.概况
水工钢闸门在运行多年以后，由于锈蚀、磨损和老化等原因。其安全性能有所降低。根据SL101-94《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》的要求，应对闸门进行安全检测。其中，强度和刚度是评价闸门安全性能的重要指标。有些闸门的强度和刚度可以通过原形观测得到，而有些闸门不具备检测条件，如无法调节水位、水位过低等而不能检测。有限元方法采用空间薄壁结构理论，所建立的模型能反映闸门的几何形状、工作特点，作为原形观测的有效补充和检验手段，可以发挥重要的作用。本文以红枫电站滋洪道工作闸门为例，在没有进行原形应力和变形检测的情况下，采用ALGOR软件对闸门进行了三维有限元计算，并对如何利用计算结果判别闸门的强度和刚度作了详细的研究，为闸门的安全评估提供了依据。
红枫水电站位于贵州省中部，是猫跳河7个梯级电站的首级电站，具有发电、灌溉、防洪、供水、养殖、旅游等综合经济效益。电站枢纽为二等工程，主要由大坝、左岸开敞式溢洪道、右岸引水发电隧洞（兼做防空洞）、厂房等建筑物组成，在溢洪道上设有4扇露顶式弧形钢闸门，闸门尺寸宽、高为12.0m*6.3。电站于1958年开工，1959年底下闸蓄水，1960年建成发电。
由面板、主横梁、斜支臂、纵梁、水平次梁等构件组成，是典型的空间薄壁结构体系，闸门所承受荷载通过各构件的相互传递来共同承担。为真实反映闸门各构件的受力状态，根据闸门的蚀余厚度建立了模型。
2 计算模型及参数
2. 1 单元划分
根据闸门结构形式和受力特点并结合构件的形状，将闸门面板、主横梁、边梁、支臂臂杆、支臂撑杆、纵梁腹板、水平次梁腹板等离散为板单元，纵梁翼缘、水平次梁翼缘、支臂间其他连接件等离散为梁单元。据此所建立的闸门有限元计算模型见图1，计算模型的节点总数为8 263个，单元总数为9 810个。在划分单元时使各个部件在相互连接处具有相同的节点，并且尽量使板单元长宽比接近于1,最大不超过3，以保证结果的准确性.
图1 闸门结构有限元计算模型
2.2约束处理
闸门底部受铅直向支撑约束，在支铰处受3个方向位移约束及绕Y轴,Z轴的转动约束。其中，坐标系定义为:二轴沿主横梁轴向，y轴沿水流方向,z轴沿铅直方向，零点位于门底。
2. 3计算荷载与计算工况
计算荷载主要考虑作用于阿门的静水压力、浪压力、闸门自重及钢丝绳对闸门产生的箍压力。计算工况为:设计水位1240.0 m,底槛高程1234.0 m，闸门作用水头6.0 m.
2. 4结构尺寸与材料特性
因各构件的外形尺寸难以精确测得，故按设计图纸取用，构件的截面厚度采用现场实测的蚀余厚度。由于处于对称位置构件的蚀余厚度不尽相同，闸门并非对称结构，因而计算结果也不完全对称。闸门主要构件的材料为Q235钢，弹性模量E为206 GPa，泊松比?为0.3，容重Υ为78. 5 kN/m3 .
3强度评判标准
3. 1容许应力
容许应力与钢材的厚度直接相关，阿门各构件材料的厚度不等，其容许应力亦不相同。闸门支臂翼缘及腹板所用钢材的厚度大于16mm，属钢材尺寸分组中的第2组，其容许应力为[σ]=150MPa,[τ]=90MPa. 闸门其余构件所用钢材的厚度均不大于16 mm，属钢材尺寸分组中的第1组，其容许应力为[σ]=160MPa , [τ]=95MPa。
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DL/T5013-95《水利水电工程钢闸门设计规范》规定，对于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。此外，SL226-98《水利水电工程金属结构报废标准》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的使用年限修正系数。根据以上规定，取容许应力的修正系数k=0.95.0.95=0.9修正后的闸门构件材料的容许应力列于表1。
4应力计算结果与分析
4. 1面板
在设计水位下，闸门面板最大折算应力为170. 9 MPa,出现在由上主横梁,4号水平次梁(水平次梁从上到下依次编为1~7号)及相邻纵梁所组成的区格上。面板下游面折算应力值线见图2。面板的最大折算应力小于折算应力容许值214.5MPa，面板强度满足要求。
面板下游面折算应力、上主横梁腹板轴向应力、6号纵梁腹板轴向应力等值线
4. 2主横梁
主横梁由前翼缘(与面板相贴)、腹板、后翼缘组成。腹板的主要作用是抗弯抗剪，后翼缘主要作用是抗弯。在设计水位下，主横梁最大应力值列于表2。表中σz为沿主横梁轴线方向的正应力(x方向)，σy为沿y轴方向的正应力，τ为剪应力，σzk为折算应力。闸门上主横梁轴向应力等值线见图2。由计算结果可知主横梁的正应力σx的分布与Π型结构按平面休系计算的结果相吻合。在与支臂连接处还有较强的压应力σy .此压应力以较快的速度沿轴向递减。
在设计水位下，闸门主横梁轴线方向的最大正应力στ为-93. 2 MPa，出现在主横梁与支臂连接处的后翼缘上，垂直于轴线方向的最大正应力ay为-80.3 MPa,最大剪应力:为50.2 MPa,最大折算应力σzk为126.5 MPa，均出现在主横梁腹板与支臂连接处的局部区域。闸门主横梁最大应力均小于相应材料的应力容许值。
4. 3纵梁
闸门纵梁从左向右依次编号为1~7号。在设计水位下，纵梁最大应力值列于表3。表中σz为最大轴向应力值，σy垂直于σz，τ为最大剪应力，σzk为最大折算应力。闸门6号纵梁轴向应力等值线见图2.
由计算结果可知:纵梁上的应力分布反映了其作为带有悬臂段的简支梁的特性。支臂支撑在2,6号纵梁上，对其上的应力造成了较大的影响。以4号纵梁为中心，各纵梁的应力基本呈对称分布。各纵梁最大应力均出现在纵梁腹板与上主横梁连接处。闸门纵梁的最大轴向应力σx值为-85.8MPa,垂直于轴线方向的最大正应力σy为-65.8MPa,最大剪应力τ为42.0 MPa,最大折算应力σzk为103.8 MPa，均小于相应材料的应力容许值。
4.4支臂
支臂有2个主平面，一个主平面位于主横梁和支臂框架平面内，称之为主框架平面，另一主平面在上、下支臂组成的平面内。支臂臂杆在2个平面内均受弯矩、轴力作用，为偏心受压杆。支臂截面为工字型，其最大应力出现在翼缘上。在设计水位下，支臂最大轴向应力列于表4.支臂连接系杆件应力较小，表中不再列出。
闸门左右支臂应力的差异反映了两边支臂锈蚀的不同下支臂应力的差异还反映了其所承受荷载的不同。由算结果可知:在设计水位下，闸门支臂臂杆最大轴向应力慎为-110.4 MPa，小于材料的容许应力值。
4. 5水平次梁
水平次梁从上到下依次编号为1-J7号，闸门水平次梁最大正应力列于表So因水平次梁过于细长，等值线不再给出，计算结果表明水平次梁应力分布与按连续梁计算规律相同。水平次梁的最大正应力为86. 4 MPa，小于材料的容许应力。
5结构变形计算结果与分析
根据DL/T5013-95《水利水电工程钢闸门设计规范》要求，闸门除要验算强度外还要进行刚度复核，规定露顶式工作闸门主横梁的最大挠度与计算跨度的比值不应超过1/6000闸门主横梁跨度为7 500 mm，其最大容许挠度为12. 7 mm。由计算结果可知，在设计水位下，闸门上、下主横梁最大挠度值分别为5.2 mm, 4.7mm，均出现在主横梁跨中，小于主横梁挠度的容许值，闸门主横梁刚度满足要求。
6 结语
(l)在建立了闸门三维有限元模型并计算之后，可以得到闸门各构件在荷载作用下的应力分布和变形情况。
(2)在对闸门各构件进行校核时应选择恰当的标准。计算结果表明:在设计水位下.红枫水电站溢洪道工作闸门各构件的应力均小于其应力容许值，主横梁挠度值也小于规范规定的容许值.即闸门的强度、刚度均满足规范要求。(end)
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(12/3/2007) |
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