身份证号：320683197808046416
陈栋
（南通巿精华建设工程监理有限公司）
[摘要]：以大顶子山航电枢纽工程表孔弧形闸门为研究对象，建立三维有限元模型，对闸门结构进行静力计算。在已有模型基础上对闸门进行了试验冰水压力作用下挡水工况的计算。计算结果可为类似的工程提供参考。
[关键词]：弧形闸门；三维有限元；水压力；冰压力
DadingzishanNavigationPowerJunctionEngineeringarcsteelgateinfiniteelementanalysis
IDnumber:320683197808046416
ChenDong
(NantongCityessenceConstructionSupervisionCompanyLimited)
[Abstract]:inDadingzishanNavigationpowerjunctionsurfaceradialgateastheresearchobject,theestablishmentofthree-dimensionalfiniteelementmodel,thegatestructurestaticcalculation.Intheexistingmodelbasedongateexperimentswerecarriedoutundertheactionofwaterpressurewaterretainingconditioncalculation.Thecalculationresultscanprovidereferenceforsimilarengineering.
[Keywords]:theradialgate;finiteelement;waterpressure;icepressure
1概述
松花江大顶子山航电枢纽工程表孔弧形工作闸门，孔口尺寸20×10m（宽×高），弧门面板半径13m，底槛高程106.00m，支铰高程115.5m，设计水头=10.00m。为了保证闸门正常运行，考虑静冰压力对弧门的作用，对弧形闸门进行三维有限元计算，对弧形闸门的状况进行了安全评估。按3#门进行计算。3#门上游试验水位115.73m，下游试验水位108.83m。
2闸门有限元计算模型
孔口尺寸20×10m（宽×高），弧门为两支臂主横梁式闸门，弧面半径13m，支臂为箱形截面。弧门结构材料为16Mn，弹性模量E=206000MPa，泊松比μ=0.3，质量密度ρ=7.85×109t/mm3。按（SL74-95）《水利水电工程钢闸门设计规范》，闸门构件允许应力见表1。其中面板允许应力[σ]‘=1.1×1.4×0.9[σ]=1.39[σ]，其他构件允许应力[σ]‘=0.9[σ]，0.9为大型闸门应力折减系数。根据规范规定，1.1×1.4为考虑面板进入塑性的系数。
表1闸门构件允许应力(MPa)
闸门结构有限元计算程序采用国际通用的有限元程序ANSYS。弧门有限元计算选取一个由壳单元、杆单元在空间联结而成的组合有限元模型（见图2-1），
构件
钢材厚度(mm)
材料
[σ]
0.9
[σ]
1.39
[σ]
面板
16mm以下
Q345
230
320
其他
构件
16mm以下
Q345
230
207
17~25
Q345
220
198
26~36
Q345
205
184.5
次梁
15mm以下
Q235
160
144
3闸门静力计算荷载
静力计算荷载为面板水压力、静冰压力与闸门自重。
松花江大顶子山航电枢纽工程为库面开阔的大型平原水库,静冰压力应乘1.25的系数，因此单位宽度静冰压力为P=245×1.25=306.25kN/m。
根据有关测试资料，假设冰压力在冰层上部0.4m厚度范围内为常数p，冰层下部0.6m厚度范围冰压力按线性变化，考虑到冰水压力的连续性，冰压力从p减小到静水压力0.01MPa，由400p+0.5(0.01+p)600=P=306.25得p=0.4332MPa。
考虑冰压力后，闸门受到的荷载大大增加。闸门顶部冰压力为0.4332MPa，相当于在闸门顶部受到水头为43.32m的水压力！以冰厚度范围计算，单位宽度闸门受水压力合力为5kN/m，冰压力合力为306.25kN/m，冰荷载为水荷载的61倍。
3#门上游水位115.73m，下游水位108.83m。
冰、水压力按面板法向作用在面板中面上。3#门冰、水压力示意图见图3-2。图中考虑了闸门下游的冰、水压力。在闸门顶部有较大的上游冰压力0.433MPa，在闸门底部有较大的下游冰压力0.364MPa，水压力值与冰压力值比较则较小。
按闸门设计水头10m计算，闸门设计水压力分布最大水压力为0.084MPa，远远小于闸门最大冰压力0.433MPa。
4试验冰水压力作用下闸门挡水工况计算结果
经过计算得出如下结果：
（1）面板上部位移非常大，达到56.4mm。中纵隔板顶部位移也很大，为32.1mm。
（2）弧门上横梁跨中挠度为13.1-4.5=8.6mm,小于允许挠度[f]=/600=13200/600=22mm。主横梁刚度满足规范[1]要求。
面板Mises应力见图4-1。面板在上游与冰接触部位的应力非常大，远远大于允许应力320MPa，不满足要求。
次梁腹板弯曲应力见图4-2，最大应力大于允许应力144MPa，不满足要求。
图4-3上支臂腹板轴向应力(MPa)图4-4上支臂翼缘轴向应力(MPa)
上支臂腹板最大轴向应力为346.9MPa，大于允许应力198MPa。支臂腹板应力不满足规范要求。
上支臂翼缘最大轴向应力为467.3MPa，大于允许应力198MPa。支臂翼缘不满足规范[2]要求。
支臂连接杆腹板Mises应力见图4-5，最大Mises应力为32.1MPa，小于允许应力207MPa，支臂连接杆腹板应力满足规范[2]要求。
支臂连接杆翼缘Mises应力见图4-6，最大Mises应力为97.9MPa，小于允许应力198MPa，支臂连接杆翼缘应力满足规范要求。
图4-5支臂连接杆腹板Mises应力(MPa)图4-6支臂连接杆翼缘Mises应力(MPa)
5结论
（1）设计水头下闸门位移应力都满足要求。
（2）冰水压力作用下，闸门面板上部与冰直接接触部位受较大压力作用，闸门上部变形较大。闸门多个部位应力超出允许应力，闸门应力不满足要求。闸门应力比较大的部位有面板顶部、横梁与支臂连接处、纵隔板后翼缘与上横梁连接处、支臂。上支臂应力远大于允许应力。同时上支臂弯曲应力较大，会显著降低上支臂的稳定性。
（3）从计算来看，上游静冰荷载对钢闸门来说是非常危险的。SL74-95《水利水电工程钢闸门设计规范》[3]、SL211-2006《水工建筑物抗冰冻设计规范》[2]明确规定水工钢闸门不允许承受静冰压力。
下游静冰荷载对闸门而言是反向荷载，会减小支臂的压力，对支臂受力是有好处的。但要注意对门叶部分、特别是对面板的影响。根据计算，下游静冰荷载对本闸门没有产生大的不利应力。
参考文献
[1]中华人民共和国水利行业标准.SL211-2006水工建筑物抗冰冻设计规范.
[2]中华人民共和国电力行业标准.DL5077-1997水工建筑物荷载设计规范.
[3]中华人民共和国行业标准.SL74-95水利水电工程钢闸门设计规范