高卓 张辉 易伟

随着计算机仿真技术的高速发展，有限元技术在水利工程中的应用逐渐普及，为提高设计效率，提升设计质量，增加计算书的说服力，国内外项目都偏向传统平面理论计算结合有限元计算的方法。本文以某项目表孔弧形闸门为分析对象，利用有限元法分析其在多种工况下的变形和应力，证实有限元分析法在水工金属结构中的重要作用。

1 基本资料

1.1 工程概况

某工程主溢洪道设有5孔溢洪道泄洪闸。每孔溢洪道泄洪闸设置1套表孔弧形闸门，在洪水期用来控制堰的水位和通过堰的流量。闸门为常闭状态。每套弧门通过1套液压启闭机操作。溢洪道表孔弧形闸门的结构布置如图1所示。

图1 某项目表孔弧形闸门纵向布置示意图

1.2 弧门模型及特性参数

图2 所示为表孔弧形闸门三维模型及柱坐标系示意图，坐标系原点位于支铰轴线中心，z轴为弧门支铰轴向，y轴为弧形闸门转动方向，x轴方向为弧形闸门径向。弧形闸门的主要特性参数如下：

图2 弧形工作闸门三维模型及坐标系

2 强度及刚度准则

2.1 材料及许用应力

根据项目的相关技术要求，弧形闸门的许用应力见表1。

表1 弧形闸门许用应力 MPa

2.2 许用挠度

根据项目的相关技术要求，露顶式工作闸门主梁的许用挠度与计算跨度之比不应超过1/1 000。经计算，主梁许用挠度为12 mm。

式中 [fz]——主梁许用挠度，mm；

Lz——主梁计算跨度，12 000 mm。

露顶式工作闸门次梁的许用挠度与计算跨度之比不应超过1/250。经计算，主梁许用挠度为8 mm。

式中 [fc]——次梁许用挠度，mm；

Lc——次梁计算跨度，2 000 mm。

3 计算模型及工况

3.1 有限元模型

图3所示为表孔弧形闸门有限元模型，共含31 915个节点，28 161个单元，为了提高计算效率和节省计算成本，计算模型忽略门体上的螺栓孔及止水装置。

图3 弧形闸门有限元模型

3.2 计算工况

表2为弧形闸门计算工况，工况1为闭门挡水情况下，计算正常蓄水位水压力和闸门自重的对闸门的影响；工况2、工况3和工况4均为极端工况，工况2为闭门挡水情况下，计算校核洪水位水压力和闸门自重对闸门的影响，工况3则考虑正常蓄水位情况下单缸持住的极端情况，工况4为启门瞬间情况下，计算正常蓄水位下水压力、启门力和闸门自重对闸门的影响。

表2 有限元计算工况

4 结果提取与分析

4.1 强度校核

弧形工作闸门在水压力、自重和启门力的作用下，应力分布较为复杂，但是整体云图变化趋势依然符合结构设计和外荷载的作用趋势。

工况4下闸门应力值达到最大，最大应力为251 MPa，发生在边梁（吊耳板）与底主梁连接部位，如图4所示，可以考虑加设加劲板予以加强。

图4 工况4闸门整体应力云图（单位：Pa）

表3为弧形闸门面板、上主梁、下主梁、隔板等零部件在4种工况下的应力汇总表。

表3 弧形闸门零部件应力结果汇总 MPa

4.2 刚度校核

图5所示为校核洪水位下闸门整体径向变形云图，从图中可知，闸门的最大径向变形位于闸门面板顶部次梁中间，变形方向朝向支铰旋转轴线，最大变形达到了5.55 mm，满足刚度要求。

图5 工况2闸门整体径向变形云图（单位：m）

图6 所示为正常蓄水位和启门力共同作用下闸门整体径向变形云图，从图中可知，闸门的最大径向变形位于门叶两主梁中间部位，变形方向朝向支铰旋转轴线，最大变形为4.50 mm，满足刚度要求。

图6 工况4闸门整体径向变形云图（单位：m）

表4为弧形闸门面板、上主梁、下主梁、隔板等零部件在4种工况下的径向变形汇总表。

表4 弧形闸门零部件径向变形结果汇总 mm

5 结 语

（1）通过对弧形闸门的有限元分析后，可知该闸门的结构设计满足强度、刚度要求，局部发生应力集中的部位需设置加强筋，如闸门和底槛接触的面板底边缘部位以及边梁与主梁连接部位。

（2）挡水工况下，闸门顶、底主梁的应力值相差无几，但是考虑启门力作用后，底主梁的应力远远大于顶主梁的应力，故在以后表孔弧门的设计中，若顶、底主梁截面一致，可以考虑让顶主梁承担更多的水压力，这样在启门力作用下，顶、底主梁的受力会更均衡。

（3）在校核洪水位作用下，面板顶部发生了较大的挠度变形，根据水压力的趋势，理论上面板上最大变形应该在闸门面板下半部分，发生这种现象主要是闸门顶部刚度不足造成的，可以采用加大顶次梁截面或者细化面板梁格的措施优化改进。