张军，田海平，黄波(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

水电站二级放空洞偏心铰弧形闸门静力特性有限元分析

张军，田海平，黄波
(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

建立了大东江水电站二级放空洞偏心铰弧形闸门的精细化模型，采用有限元法研究了闸门在自重、静水压力、温度荷载、支铰沉陷等不同荷载组合下的静力特性。结果表明闸门在各种工况下应力较大区域均较小，对闸门强度的影响较小，刚度计算满足设计要求，计算结果为闸门运维检修工作提供重要技术支持。

偏心铰弧形闸门；静力特性；刚强度；有限元

大东江水电站二级放空洞工作闸门于1988年投运。其设计参数挡水面积、水头及总水压力三大指标高出当时国内已有水平。闸门为偏心铰弧形闸门〔1〕是在常规门型难以满足闸门的孔口尺寸、在建筑物中的位置、水力条件、止水装置、结构型式、门槽体型等特殊要求而诞生的，能有效解决高水头闸门的渗漏、缝隙射流产生的空蚀、振动及泥沙磨损等问题。

目前对弧形闸门的静力特性研究较多〔2－7〕，对偏心铰弧形闸门的研究相对较少〔2〕，而对偏心较弧形闸门在各种工况下的静力研究则更少。2016年3月，东江水电站偏心铰弧形闸门进行了全面检修，为了解和掌握闸门在检修后的静力特性，采用三维有限元法分别计算了闸门可能存在的3种不同荷载组合的工况，并进行了比较分析。

1 计算

1.1 计算原理

采用三维有限元法的静力控制方程:

1.2 计算模型

弧形闸门门叶的面板、纵梁、横梁、肋板及它们之间的联系板等采用ANSYS的壳单元Shell63模拟，共划分49 537个单元。支臂主板、撑板、撑板翼缘及弧形闸门的支承铰是整个闸门中最重要的组成部分，它的作用是将闸门上全部水压力和部分门重传给基础闸墩，并保证闸门能绕水平轴转动，采用三维二次四面体单元Solid187，共划分32 154个单元。因此，闸门整体三维有限元模型单元总数为81 691个。图1列出了闸门的空间有限元网格图。

图1 弧形闸门三维有限元网格模型水平侧视图和俯视图

1.3 计算工况

根据设计资料，该工作闸门结构材料为16Mn钢(即Q345)，其弹性模量E为2.12×105N/mm2，泊松比γ为0.31，密度ρ为7 870 kg/m3，线膨胀系数2.12×10－5。

工况1:面板施加最大操作水头121.92m(校核洪水位)；约束情况:①支铰中心圆柱面轴向和径向约束；②面板底缘法向约束。

工况2:在环境温差－10℃时，面板施加最大操作水头121.92m(校核洪水位)；约束情况:①支铰中心圆柱面轴向和径向约束；②面板底缘法向约束。

工况3:在1支铰沉陷5mm时，面板施加最大操作水头121.92m(校核洪水位)；约束情况:①另一支铰中心圆柱面轴向和径向约束；②面板底缘法向约束。

1.4 刚强度评价标准

按照文献〔7〕，各主要部件材料的容许应力列于表1。

闸门强度采用第4强度理论的等效应力进行评价，由于受力状况不同，闸门各部件的强度评判标准亦不相同。东江水电站二级放空洞弧形闸门各部件厚度主要集中在第3组，少部分位于第2、4、5组。

表1 闸门各主要部件材料的容许应力

对于受弯部件，应根据挠度计算结果进行刚度校核。根据文献〔8〕的规定:对于潜孔式工作闸门，其主梁的最大挠度与计算跨度的比值，不应超过1/750。闸门横梁左右支臂间的跨度为4 000 mm，其容许出现的最大挠度为5.33 mm；闸门主梁上下支臂间的跨度为6000mm，其容许出现的最大挠度为8.00mm。

2 计算成果分析

图2显示偏心铰弧形闸门典型工况(工况1)应力较大区域云图，表2列出了工况1－3弧门静力有限元分析的主要计算成果，表3为工况1－3弧门主要结构的等效应力计算结果，表4给出了工况1－3弧门面板、横梁、纵梁的径向位移特征值。

图2 工况1应力较大区域云图

由图2可知，门叶应力较大区域大多位于主横梁与纵梁联系板和肋板处，存在几何形状突变等问题，箱体中部的主横梁圆方孔底部区域也存在一定应力集中，支臂应力较大区域集中于上下支臂间的撑板翼缘角落处，其中以靠近门叶的撑板翼缘区域最为明显，这些应力集中区域均存在几何形状的突变，其余工况应力较大区域与之相差不大。

表2 静力计算结果

表3 M ises应力计算结果MPa

表4 弧门面板、横梁、纵梁的径向位移特征值

由表2可知，弧门的最大等效应力为638.8MPa。x向(上下支臂中心线方向)位移最大达9.50mm，y向(中心线垂直方向)位移最大达3.38 mm，z向(横水流向)位移最大达1.72mm，弧门结构的合位移最大达9.80mm。环境温差(－10℃)的对最大等效应力影响不超过10 MPa；增大了x向、y向的位移及合位移，降低了z向位移，其中以x向位移的影响最大，增加了5.28 mm。支铰沉陷(5mm)的对最大等效应力的影响不超过20 MPa；增大了x向、y向的位移及合位移，降低了z向位移，其中以y向位移的影响最大，增加了1.66mm。

由表3可知，环境温差增大了面板、支臂主板、支铰的应力，其中以面板、支铰影响较大；支铰沉陷增大了面板、纵梁、横梁、支臂间联系板的应力，其中以支臂间联系板影响较大。

由表4可知，环境温差增大了主横梁、主纵梁的位移差值，范围为0.33～0.54mm，其中主纵梁增加值最大。支铰沉陷增大了面板、主横梁、主纵梁的位移差值，范围为0.07～1.77mm，其中面板增加值最大。

该水电站二级放空洞工作闸门在各种工况下主横梁的最大差值为工况2下的2.02mm，小于最大挠度容许值5.33mm；主纵梁的最大差值为工况3下3.61mm，小于最大挠度容许值8.00mm，若不考虑梁沿径向的变化情况，则最大差值即为梁的最大挠度，若考虑梁沿径向的变化情况，则最大差值不小于梁的最大挠度，闸门刚度满足设计要求。

3 结论

1)对于闸门强度，其应力较大区域范围均较小，对闸门的影响有限，某些应力集中现象是由于几何模型的形状突变不良所致，而对于几何形状突变处，现场大都进行了焊接倒角等过渡处理，局部应力集中现象可得到有效控制。

2)在各种工况下主横梁的最大差值为2.02mm，小于最大挠度容许值5.33mm；主纵梁的最大差值为3.61mm，小于容许值8.00mm，由于最大差值均不小于梁的最大挠度，闸门刚度满足设计要求。

3)环境温差(-10℃)增大了面板、支铰的应力；对x向位移的影响最大，增加了5.28mm，增大了主横梁、主纵梁的位移差值，为0.33～0.54 mm，其中主纵梁增加值最大。支铰沉陷(5 mm)增大了支臂间联系板的应力；以y向位移的影响最大为1.66mm，增大了面板、主横梁、主纵梁的位移差值为0.07～1.77 mm，其中主纵梁增加值最大。应力、位移及其差值的增大，对闸门的强度和刚度均造成了不利影响。

〔1〕郑登有.关于偏心铰弧形闸门〔J〕.水力发电学报，1998 (3):69-77.

〔2〕钱声源.偏心铰弧形闸门静动力特性分析与结构优化研究〔D〕.南京:河海大学，2006.

〔3〕郑克红.高水头弧形钢闸门三维有限元分析〔D〕.南京:河海大学.2005，2-4.

〔4〕周旭云.深孔闸门受力分析方法探讨〔D〕.南京:河海大学.2000.

〔5〕李文娟，沈炜良，马兆敏.弧形闸门三维有限元分析〔J〕.山东大学学报，2003(6)，265-270.

〔6〕陈媛.弧形钢闸门空间结构应力、变形有限元计算分析〔D〕.南京:河海大学，1998.

〔7〕郭光林，蒋桐.大型弧形钢闸门的空间结构分析及计算〔J〕.南京建筑工程学院学报，1999(3):45-50.

〔8〕中国电力工业部.水利水电工程钢闸门设计规范:DL/T5039—1995〔S〕.北京:中国电力出版社，1995.

Static Characteristics Analysis of the Secondary Cavity Eccentric Hinge Radial Gate of Dongjiang Hydropower Station Based on the Finite Element M ethod

ZHANG Jun，TIAN Haiping，HUANG Bo
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

It establishes the secondary cavity eccentric hinge radial gate refined model of Dongjiang hydropower station，and studies the gate static characteristics under different loads including gravity，hydrostatic pressure and temperature load by finite elementmethods.The results indicated that the area of large stress under different condition is small and has affected the gate strength less.Stiffness calculation meets the design requirements.And calculation results provide important technical supports for the gate operation and maintenance work.

eccentric hinge radial gate；static characteristics；stiffness and strength；FEM

TV34

B

1008-0198(2017)03-0016-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.004

2016-12-02