杨 松，陶光慧，覃志强，何 伟，李云峰

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550000)

弧形闸门作为一种重要的挡水设施，由于结构的特殊性，所承受的水压力完全由支臂结构传递，而根据大量的工程实例来看，弧形闸门失事破坏多发生在支臂部位[1-4]，故弄清楚支臂及其支承结构在工作时处于何种受力和变形状态尤为重要。现结合工程实例，采用大型有限元分析软件ANSYS建立表孔弧形闸门有限元模型模拟实际工况，按空间体系模拟计算支臂及其支承结构的受力变形，较按平面结构体系计算方法更接近实际。

1 工程概况

依托工程位于芙蓉江干流下游河段，总库容3259万m3，正常蓄水位为383 m，相应库容为2332万m3，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等。依托工程为河床式电站，其溢洪道设有5道表孔弧形闸门作为工作闸门，孔口尺寸为12.5 m×19.6 m(B×H)，设计水头约19.1 m，操作条件为动水启闭，可局开控制泄量，启闭设备采用液压启闭机。此溢洪道工作闸门为典型的表孔弧形闸门，且其结构布置方式也较为典型，故作为本次研究的依托工程。

2 有限元模型的建立

2.1 依托工程支臂结构布置型式

依托工程溢洪道工作闸门为典型的双主梁双支臂表孔弧形闸门，其支臂为斜支臂，采用箱型截面梁。图1为依托工程支臂及其支承结构的结构布置示意图，在上下支臂之间设置两道竖直支杆，分别为前竖直支杆和后竖直支杆，均采用箱型截面梁，在前竖直支杆与门叶结构之间设置图示前斜支杆，两竖直支杆之间设置图示后斜支杆，斜支杆均采用工字型截面梁。

图1 依托工程支臂结构布置型式示意图

2.2 有限元模型的建立

水工钢闸门是一种典型的钢结构，其主体结构为空间薄壁结构体系[5-6]，为更真实地反映依托工程表孔弧形闸门支臂及其支承结构的受力变形情况，本次分析拟建立完整的闸门结构有限元模型。根据ANSYS软件内置各单元性质，将整个闸门门叶结构及支臂体系均离散为壳单元，将启闭机活塞杆、吊轴及支铰结构均离散为实体单元，其中壳单元采用能较好模拟闸门薄壁结构体系实际受力情况的shell63来模拟，实体单元采用等参数实体单元solid45来模拟，据此所建立有限元计算模型。经单元划分，离散后的表孔弧形闸门有限元模型共计30 182个节点、25 194个板壳单元和16 684个实体单元。此次分析按表孔弧形闸门的实际工况施加边界条件，其中，闸门在支铰处受X(支铰轴向) 、Y(逆水流方向)、Z(竖直方向)方向的平动约束，以及绕Y、Z轴的转动约束，仅保留其绕X轴的转动自由度；在闸门门叶结构面板上施加0～18.718 MPa的梯度面荷载模拟静水压力，沿两活塞杆轴向各施加2800 kN集中力荷载模拟启闭力，同时沿竖直方向施加9.8 m/s2的惯性荷载模拟闸门自重；闸门材料属性按Q345B材料属性设置，泊松比μ=0.3，弹性模量E=206 000 MPa，密度γ=78.5 kN/m3。

3 静力分析结果

研究表孔弧形闸门支臂及其支承结构的静力特性，为更直观地反映支臂结构的整体受力情况，取依托工程支臂结构的整体应力云图进行研究，如图2所示。从图中可以看出，支臂结构整体应力范围为20～182 MPa，平均应力约为101 MPa，其中最大应力位置为上支臂下腹板与前斜支杆的连接处，此处有一定的应力集中，前斜支杆传递较大侧向荷载给上支臂。图3与图4为依托工程表孔弧形闸门结构整体变形云图，从图中可以看出，闸门整体变形量在0～14.377 mm之间，其中支臂结构部分变形量在0～11.436 mm之间，支臂结构平均变形量7.987 mm，弧形闸门各构件均发生了不同程度的变形，其中门叶结构中部有较大变形，支臂靠近门叶结构的部分变形相对较大。

图2 支臂及其支承结构应力云图(单位：Pa)

图3 支臂及其支承结构变形图

图4 支臂及其支承结构变形

为深入分析表孔弧形闸门支臂及其支承结构的工作情况，现将其各部位的应力变形情况分别列出作对比分析，结果统计如表1所示。

表1 支臂及其支承结构各部位应力及变形分布情况

对比分析依托工程表孔弧形闸门支臂及其支承结构各部位应力变形情况得到如下总结：

(1)支臂作为主要的承力构件，其上分布的应力相对较大，应力分布较集中的部位主要在上支臂中段下侧及下支臂中段上侧，两支臂与其支承结构连接的部位有明显的应力集中，下支臂承受的荷载较上支臂稍大，下支臂变形量较上支臂变形量也偏大，两支臂在与其支承结构连接的部位有明显变形增大的趋势，尤其是上支臂与前斜支杆连接处，有明显向外的侧向变形。

(2)竖直支杆承受荷载较小，除与支臂连接的两端部荷载分布较大外，支杆中部荷载分布处于较低水平，两端部荷载较大的部分应力集中，竖直支杆变形较大的部位也集中在两端部与支臂连接处。

(3)前斜支杆承受荷载较大，应力较大的部位主要是支杆与支臂连接处以及支杆与门叶连接处，支杆整体荷载分布较为均匀，结构连接处有应力集中，上斜支杆比下斜支杆承受的荷载偏大，前斜支杆变形量较大，变形主要发生在两前斜支杆与门叶结构连接处，此处的较大变形是由门叶结构中部的较大变形传递而来。

(4)后斜支杆承受荷载较小，除与支臂连接的两端部有荷载集中外，支杆中部整体荷载分布处于较低水平，支杆变形较大的部位也集中在两端部与支臂连接处。

4 结 论

本文以依托工程为基础建立有限元模型模拟大型表孔弧形闸门实际工作时的应力分布及变形情况，根据模拟结果进行参数分析，研究表孔弧形闸门支臂及其支承结构的静力特性。不难看出，整个支臂结构主要靠两支臂承载，前斜支杆靠近门叶，也承受较大荷载，竖直支杆和后斜支杆均不作为主要承力构件，其上分布的应力较小且整体变形量也较小。支臂结构各构件整体荷载分布较为均匀，较大荷载均出现在各构件的连接部位，均为应力集中，各构件的连接部位同样也存在一定的变形量突增，其中前斜支杆与门叶结构连接的部位变形尤其明显，究其原因是由于两支臂之间的跨度较大，因此面板、纵梁以及横梁在跨中部位变形较大，并将此较大变形传递给前斜支杆，而前斜支杆通常设计得也较为薄弱，故出现较大变形并有较大应力分布，故前斜支杆为整个支臂及其支承结构体系的薄弱部位。