(辽宁江河水利水电新技术设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110003)

1 概 述

铸铁闸门是水利工程中一种典型的金属结构，起到关闭、开启或局部开启水工建筑物过水通道的作用。与钢结构闸门相比，铸铁闸门具有良好的耐腐蚀、安装简单、使用寿命长、日常维护简单等优点，适用于渠系涵闸、排灌泵站等建筑物的小型闸门和孔口尺寸较小的水库涵洞闸门等中小型水利工程[1]。

水利工程安全评价中，水工闸门等金属结构的受力分析是重要的一个环节。由于使用铸铁闸门的水利工程规模通常较小，其受力分析往往被忽略。有的水利工程管理部门检测维护，多采用传统的结构应力检测方法如电测方法，在对铸铁闸门进行应力检测时，也常面临由于闸门尺寸较小、变形较小而导致现场无法布点检测或数据分析时偏差较大等问题。

目前，有限元方法发展日趋成熟，在工程模拟仿真领域应用愈发广泛，其高效简洁的特点与传统结构应力检测方法相比优势明显，在水利工程安全评价领域得到了越来越多的应用[2-6]。

ANSYS Workbench是ANSYS公司推出的新一代协同仿真有限元分析软件，该软件对于底层功能进行集成，可实现结构建模、材料定义、网格划分和数据处理输出等功能，界面友好易学，方便工程技术人员快速掌握应用。本文应用ANSYS Workbench对水利工程平面拱形铸铁闸门进行三维有限元分析，对其主要构件进行强度和刚度校核，为铸铁闸门的安全检测和评价提供参考。

2 计算模型及参数

2.1 工程概况

南河沿排灌站位于大洼县东风镇境内，大辽河右岸，距大辽河河口32.8km，处于渤海湾感潮段，是大洼灌区一座历史较长的大型排灌两用泵站。南河沿排灌站规模为中型，该站等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级，设计洪水标准为50年一遇；校核洪水标准为200年一遇；地震基本烈度为Ⅷ度。本次有限元分析的对象为该水利工程引渠的平面拱形铸铁闸门。

2.2 单元划分

闸门为平面拱形铸铁闸门，设计尺寸为2.10m(宽)×3.10m(高)，根据现场实测闸门尺寸，建立闸门三维模型(见图1)。坐标系定义为：x轴沿横梁轴向，y轴沿闸门对称轴垂直向上，z轴沿逆水流方向指向闸门上游。采用国际单位制，应力单位为Pa，位移单位为m。横梁自下而上依次编号为1号、2号、3号、4号、5号和6号，纵梁从上至下、从右向左依次编号为1号、2号、3号、4号和5号，面板自下而上依次编号为1号、2号和3号。

图1 三维实体建模

定义结构三维实体数值模拟的单元类型可分为两种：一种是使用shell63单元体的三维片体有限元模型，具有计算量较小的优点，但是无法体现结构细节部分的受力情况；另外一种是使用solid45单元体的三维实体有限元模型，具有模型细节体现较好的优点，但计算量较大。

根据铸铁闸门受力特点，考虑计算精度要求，本闸门仿真分析选择三维实体有限元模型，采用solid45单元体。为了大幅度提高网格划分效率，同时采用三种网格划分方法：一是使用扫掠网格对形体简单的构件进行划分，二是采用多域扫掠型网格对由多个形体简单部分组成的构件进行划分，三是采用自动网格对形体复杂的构件进行划分，网格划分结果见图2。计算模型单元总数为15261个，节点总数为95262个。

图2 钢闸门有限元模型

2.3 材料特性与约束情况

闸门各构件的外形尺寸(包括构件厚度)均按实际测量取值。

闸门主要构件的材料为HT200(灰铸铁)，材料的弹性模量取E=1.5×105MPa，泊松比取μ=0.25，重度γ=72.5kN/m3。

闸门底部受垂直向(y向)约束，因门槽的作用，闸门在支撑处受顺水流方向(z向)约束。

2.4 计算荷载和计算工况

计算荷载主要考虑作用于闸门的静水压力和闸门自重。

计算工况为：极限水位情况下闸门作用水头8.34m，闸门下游无水。

3 结构应力计算结果与分析

3.1 强度评判标准

闸门主要构件材料为HT200(灰铸铁)。对于闸门结构进行强度校核时，应首先确定材料的容许应力。根据《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL 74—2013)[7]5.2.3中关于灰铸铁件容许应力的规定，HT200牌号灰铸铁轴心抗压和弯曲抗压应力容许值为[σt]=150MPa，抗剪容许应力为[τ]=35MPa。

根据《水利水电工程金属结构报废标准》(SL 226—1998)[8]的规定，对于大中型工程的闸门，材料的容许应力应乘以0.90～0.95的使用年限修正系数(该工程各闸门使用年限短，取0.95)，故闸门主要构件的材料容许应力为[σ]′ =0.95×150MPa= 142.5MPa，[τ]′=0.95×35MPa= 33.25MPa。

3.2 应力计算结果与分析

3.2.1 面板

在闸门极限水位下，面板最大正应力为117.75MPa，出现在面板背水侧6号横梁与面板连接处(见图3)。

图3 面板背水侧正应力云图

在闸门极限水位下，面板最大剪应力为29MPa，出现在面板背水侧5号横梁与面板连接处(见图4)。

图4 面板背水侧剪应力云图

面板最大正应力、最大剪应力均小于材料的容许正应力和容许剪应力，因此面板强度满足要求。

3.2.2 横梁

在闸门极限水位下，6根主横梁最大正应力为12.368MPa，出现在6号横梁与面板连接处(见图5)。

图5 横梁正应力云图

在闸门极限水位下，横梁最大剪应力为29MPa，出现在6号横梁与面板连接处(见图6)。

图6 横梁剪应力云图

横梁最大正应力、最大剪应力均小于材料的容许正应力和容许剪应力，因此横梁强度满足要求。

3.2.3 纵梁

在闸门极限水位下，5根纵梁最大正应力10.419MPa，出现在4号纵梁与5号横梁连接处(见图7)。

图7 纵梁正应力云图

在闸门极限水位下，纵梁最大剪应力为2.939MPa，出现在5号纵梁与6号横梁连接处(见图8)。

图8 纵梁剪应力云图

横梁最大正应力、最大剪应力均小于材料的容许正应力和容许剪应力，因此横梁强度满足要求。

3.3 刚度计算结果与分析

对于受弯构件，应根据挠度计算结果进行刚度校核。根据《铸铁闸门技术条件》(SL 545—2001)[9]的规定，门板挠度应不大于构件长度的1/1500。门板、横梁实测长度2.57m，允许挠度值为1.713mm。在极限水位下，闸门面板最大挠度1.592mm，横梁的最大挠度值1.592mm，均满足刚度要求(见图9)。

图9 闸门总体挠度云图

4 结 论

本文基于ANSYS Workbench对铸铁闸门进行三维有限元分析，对闸门的主要构件进行强度和刚度校核。计算结果显示，铸铁闸门主要构件满足材料强度、刚度要求。结果表明：基于ANSYS Workbench三维有限元分析适合对中小型水利工程的铸铁闸门进行强度、刚度复核，计算成果对铸铁闸门的设计、后期安全评价有一定的指导意义。