摘要：弧形闸门在水利工程中广泛应用，但因其结构、边界条件等均比较复杂，仍未形成比较成熟的设计理论。结合工程实例，基于ANSYS软件对潜孔式弧形闸门进行数值模拟，通过计算弧形闸门在不同工况下的支铰反力、变形、应力以及屈曲失稳情况，分析各个主要构件变形和应力分布规律，对结构的设计和优化提出建议。结果表明：弧形闸门整体刚度、强度和稳定性满足要求，下支臂和门体连接处应力偏大，应进行加固或优化。
关键词：弧形闸门；有限元；ANSYS；屈曲分析
中图分类号：TV663文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）01-0026-04
弧形閘门被广泛应用于水利工程中，是关系水利工程安全运行的重要结构[1]。根据布设的位置，闸门分为露顶式闸门和潜孔式闸门[2]。由于弧形闸门复杂的结构特性、水流条件及边界条件等，仍未形成比较成熟的设计理论[3，4]。目前，闸门设计主要依据规范，使用平面计算的方法，未充分考虑结构空间作用，不能真实反映闸门的受力特性[5，6]。因此，对潜孔式弧形闸门进行深入研究尤为重要。随着计算机技术的提高，有限单元法在数值模拟中得到了广泛应用，计算结果准确且适应于各种复杂的结构体系。本文采用有限元法，以某工程潜孔弧形闸门为例，应用ANSYS软件建立了符合实际的三维有限元模型，计算了弧形闸门在不同工况下的支铰反力、变形和应力，校核闸门设计是否满足规范要求；分析了各个主要构件的变形和应力分布规律，为优化闸门的结构设计提供了理论依据；通过线性屈曲分析，得出闸门的失稳荷载和屈曲模态。
1有限元模型
1.1闸门总体布置
某Ⅱ等大（二）型水电工程，设计洪水水位2628.0m，校核洪水位2628.7m。设置泄洪底孔1个，工作闸门采用弧形钢闸门，工作闸门孔口尺寸为5m×6m，弧面半径11m，底坎高程2550m，支铰高度7m，闸门设计水头78m，属于潜孔式高水头闸门。为提高闸门刚度，门体为主纵梁结构，支臂采用箱型断面，并增加横向连接系。启闭机采用液压启闭机，布置在闸门顶部，可动水启闭闸门。
1.2建立有限元模型
弧形闸门主体结构由支铰、支臂、门体、吊耳等部分组成，其中门体分为面板和梁格。梁格由横梁、纵梁共同构成，其中横梁3根（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），纵梁7根（1-7），如图1所示。
建立符合结构特征的计算模型，是有限元分析的基础。闸门是一个复杂的空间薄壁结构，目前，针对弧形闸门的有限元计算模型大致分为三类：板梁结构、部分空间薄壁结构和完整空间薄壁结构[7]。为保留结构本身的特征，本文采用第三种方法对空间结构进行简化，建立有限元计算模型。
单元选择和网格划分是模型离散化的重要过程，决定了计算的规模和结果准确性。支铰和吊耳空间三维特征明显，使用实体单元SOLID187模拟；支臂和门体为薄壁结构，使用三维壳单元SHELL181模拟。网格以四边形或六面体为主的方法进行划分，生成的有限元模型共有节点266705个，单元199935个，如图2所示。
1.3材料参数
闸门主要构件的材料为Q345C钢，其弹性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.28，密度取7850kg/m3。
1.4计算工况
根据实际运行情况，主要计算弧形闸门的2种工况，分别为静态挡水和瞬间开启。由于闸门处于少震区，且泥沙少，忽略地震作用和泥沙压力的影响，主要考虑静水压力和自重对弧形闸门的作用。载荷简化：依据校核洪水位，面板上水平施加线性水压力；考虑闸门的自重，整个模型施加竖向惯性载荷9.8m/s2。
静态挡水是闸门在关闭时的正常运行情况。约束简化：门体底部约束竖向位移为0；支铰圆孔约束轴向、径向的位移为0；由于启闭杆此时对闸门的约束较弱，不考虑吊耳处的约束；门体侧面滑块处约束法向位移。瞬间开启是闸门在瞬间开启时的运行情况。约束简化：吊耳圆孔约束轴向、径向的位移为0；支铰圆孔约束轴向、径向的位移为0；门体侧面滑块处约束法向位移。
2计算结果及分析
2.1支铰反力
静态挡水时，支铰反力为23003kN，指向面板；瞬间开启时，支铰反力为22030kN，指向面板。瞬间开启时，吊耳约束了闸门的竖向变形，承担了部分荷载，因此，支铰反力略小于静态挡水时的支铰反力。
2.2工况对比
闸门采用Q345C钢，适用于von-Mises准则。提取两种工况下变形和von-Mises应力结果，闸门的变形和受力情况符合基本规律。对比两种工况，如表1所示，两种工况下的变形相差较小，但闸门在瞬间开启时应力较大，大于静态挡水时3.69%。瞬间开启是闸门工作的不利工况，变形、应力结果如图3、图4所示。
2.3变形结果
在瞬间开启工况下，闸门由于两侧约束的限制，整体变形以径向收缩变形为主。最大变形发生在面板下部区格中心为5.375mm，径向变形为4.811mm。闸门的总体变形较小，空间结构布置合理，符合规范要求。
面板为薄壁结构且直接承压，各区格内由于没有支撑，沿径向向内凹陷较大，最大相对向内凹陷0.68mm。横梁和纵梁共同组成梁格，承担面板上的荷载并传递给支臂。横梁以弯曲变形为主，跨中位置挠度最大。以横梁位置为X轴，从对称面到端面，以其径向变形值为Y轴，绘制变形图，如图5所示。因水压力线性作用在门体上，位于下部的横梁Ⅲ承受较大的荷载作用，变形较大。横梁Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ最大挠度分别为0.388mm、0.617mm和0.757mm，小于规范容许值。瞬间开启时，门体底端处于自由状态不受约束，纵梁底端变形较大。以纵梁位置为X轴，从弧顶到弧底，以其径向变形值为Y轴，绘制变形图，如图6所示。随着深度的增加，纵梁的变形呈不断增大的趋势，在布设横梁的位置，变形增长速率略有降低。最大变形发生在纵梁1的下端，为4.2mm，小于规范容许值。支臂是箱型钢梁，以轴向收缩变形为主。下支臂的变形大于上支臂，上、下支臂轴向最大变形值分别为1.78mm和3.14mm。
2.4应力结果
在瞬间开启工况下，闸门的最大等效应力在下支臂与门体的连接处为184.27MPa，小于规范容许值，且有一定的安全储备，符合规范设计要求。
面板的最大等效应力为136.63MPa，在纵梁1与面板下部连接处。因纵梁1的厚度较大且处于对称位置，对面板的支撑作用较强。横梁的最大等效应力为108.54MPa，在横梁Ⅲ腹板和翼缘的连接位置。以横梁的腹板和翼缘连接位置为X轴，从对称面到端面，以其等效应力值为Y轴，绘制应力变化图，如图7所示。在与支臂连接处，相对刚度较大，应力增大，最大增幅约125%，其他位置变化平缓。纵梁的最大等效应力为114.28MPa，在腹板和翼缘连接部位。在与横梁连接处，应力出现增大，最大增幅约85%，其他位置应力变化平缓。支臂构件中，由于线性水压的作用，下支臂应力较大，上支臂和腹杆应力较小。分别选取下支臂箱型截面上4个角点为原点，以下支臂长度方向为X轴方向，以其等效应力值作为Y轴，绘制应力变化圖，如图8所示。在下支臂与横梁连接的端面，出现应力集中，角点应力增幅较大。支臂上表面与腹杆连接处，相对刚度较大，应力局部增加。
2.5屈曲分析
弧形闸门是空间薄壁结构且以承压为主。对国内外闸门失事的调查分析表明，其主要的破坏特征为支臂失稳发生弯扭破坏，因此屈曲分析是必要的[8，9]。屈曲分析是求解结构从稳定到失稳时临界载荷的方法，分为线性屈曲分析和非线性屈曲分析。线性屈曲分析基于线弹性的假设，忽略了非线性因素，是基本的屈曲分析[10]。为了简化计算过程，本文选择线性屈曲的方法进行分析。
屈曲因子如表2所示，闸门所受载荷增至6.03，首次出现屈曲，纵梁2发生局部失稳。观察前6阶屈曲模态形状，主要是发生在门体结构中的纵梁的局部屈曲，没有引起支臂屈曲或整体屈曲，箱型支臂的稳定性较好。在荷载增加至6.03前，闸门的稳定性满足设计要求，未发生屈曲破坏。
3结论
本文结合工程实例，基于有限元软件ANSYS建立了计算模型，计算了闸门的支铰反力、变形、应力及屈曲失稳情况，分析了潜孔弧形闸门的静力特性，得出以下结论。
①弧形闸门在静态挡水和瞬间开启工况下的变形、应力、稳定性符合规范设计要求，瞬间开启是闸门工作的不利工况。
②瞬间开启工况下，弧形闸门的最大变形在面板下部区格中心，向内凹陷；最大等效应力在下支臂与横梁连接处，腹板和翼缘连接位置。
③在闸门各部分的连接处，容易出现应力集中的情况，在设计过程中应采取适当的加固措施，减小应力增加，如圆角过渡、增设加劲板、提高焊缝质量等。
④屈曲分析中，箱型支臂的稳定性较好，纵梁易发生局部失稳。线性屈曲分析忽略了闸门各种非线性因素，应进一步采用非线性屈曲的方法分析校核。
作者：王旭升