水电工程大型弧形闸门结构稳定性研究

摘要 弧形闸门在水电工程中获得了广泛的应用，弧门设计、制造及安装水平逐步提高，对大型弧形闸门的研究也逐步深入。本文以国内某水电站溢洪道大型弧形闸门为研究背景，通过建立空间三维有限元模型分析了闸门结构在各种运行工况下的静、动力响应，验证了闸门设计的合理性，同时并闸门附属构件设计提供了指导意见。

关键词 大型弧形闸门；三维有限元模型；静、动力响应

中图分类号TV6 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）77-0097-03

1 研究背景

某水电站泄水建筑物采用岸边开敞式溢洪道，其堰顶设置弧形工作闸门进行挡水及控制开度进行泄洪，弧形闸门设计水头21.2m，门体尺寸为1 521.5m（宽高），属于大型弧形闸门。闸门底槛高程1 834.80m，支铰高程1 855.20m，面板弧面半径22m，支铰间距13.0m，吊耳布置在下主梁的两端，吊点距离13.7m。弧门采用23 600kN后拉式液压启闭机操作，为增加闸门的刚度和整体性，弧门梁系采用实腹式齐平连接。

该弧形闸门在结构上按双主横梁斜支臂布置，门体尺寸较大，支铰中心高程较高，弧面曲率半径较大，且需要在淹没的条件下进行全开、全关及局部开启运行。目前弧形闸门的设计通常采用平面假定体系，而弧形闸门本身是一个复杂的空间结构，其实际受力状态与平面假定的计算结果有一定的偏差，因此有必要对弧形闸门做三维结构分析，为弧形闸门设计提供依据，力求闸门结构设计科学、合理、安全、经济。

2 弧门构件材料及容许应力

弧门板材为Q345C，型钢采用Q235B，铰链和铰座为ZG310-570，支铰轴为40Cr，侧止水采用L型水封橡皮，底止水采用I142-20型水封橡皮，水封橡皮材质均为SF6674橡胶。钢材弹性模量，泊松比，质量密度；闸墩弹性模量，泊松比，质量密度。

按《水利水电工程钢闸门设计规范（DL/T5013-95）》，闸门构件容许应力见表1。

3 研究方法

采用三维有限元法对弧门结构在各种运行工况下的响应进行计算分析，按应力标准对各构件的稳定状况进行评价。该弧门有限元模型是由板壳单元、梁单元、3D实体单元及接触单元联结组成的空间体系。有限元网格图如图1。

弧门质量共295t，其中不包括启闭杆、支铰部位的质量。

边界约束处理方面：为模拟侧水封与闸墩间的摩擦效应，取闸墩厚度为10倍的止水厚度，且水封与闸墩内侧做接触处理，接触面摩擦系数0.5，闸墩外边界采用全约束处理（即不发生三方向位移）；为实现启闭门时的临界状态，在弧门底部与堰顶间做接触处理，接触面摩擦系数0.5；支铰与转轴间同样按接触处理，接触面摩擦系数0.15，支铰两侧采用全约束处理；启闭杆顶部及启闭杆与吊耳间采用约束函数处理，即约束节点三方向位移，但同时可以旋转。

分析中考虑的荷载有为弧门面板及侧水封上的水压力、弧门自重及启闭过程中的启闭力。弧门启门力为使弧门开启，液压启闭机作用在启闭杆上的拉力。在启门瞬时工况中，启门力即为使弧门底部与堰顶接触面间接触力处于零时的临界状态下启闭杆作用力，对于本工程，此时启门力最大，启闭机设计容量可参考此值。弧门闭门力是闸门关闭过程中液压启闭机作用在启闭杆上的压力，在闸门处于全关状态时闭门力理论上最大（本工程），在有限元计算中，闭门力最大值即为使弧门底部与堰顶接触面间的接触力处于非零的临界状态时的启闭杆作用力。

4 计算工况

根据闸门设计基本参数，采用三维有限元法对闸门结构的静、动力特性进行数值分析，计算工况如表2。

5研究结果

5.1 静力分析结果

5.1.1 门前无水情况

门前无水的情况下，荷载主要是门体自重。通过分析，弧门主要构件最大变位及最大等效应力状况如表3，对应的启门瞬间工况下弧门主要构件最大变位及最大等效应力状况如表4，经过计算可知，门前无水工况下启门瞬间的启门力为2 300，弧门在自重作用下，弧门面板与堰顶的竖直向接触力为1 830kN，说明弧门在本身自重的作用下可以完成关闭，无需闭门力。

5.1.2 正常挡水工况

弧门在正常挡水工况下，作用在弧门上的荷载有结构自重和水压力，水压力作用方向为垂直于弧门面板表面指向支铰中心线。通过分析，该工况弧门主要构件最大变位及最大等效应力状况如表5，对应的启门瞬间工况下弧门主要构件最大变位及最大等效应力状况如表6。经过计算，正常挡水工况下启门瞬间的启门力为3 360kN，弧门在自重作用下，弧门面板与堰顶的Z向接触力为1 240kN，说明弧门在本身自重的作用下可以完成关闭，无需闭门力。

5.1.3 闸门全开工况

闸门全开工况下，作用在弧门上的作用力主要是弧门自重和启闭杆的持门力。通过分析，该工况下的弧门应力及持门力进行了计算自重作用下弧门顶部变位最大，为5.6mm；全开工况下，弧门整体等效应力不大，最大值75MPa，发生在吊耳腹板与竖梁的连接处。另外，经过分析，全开工况弧门持门力为2 282kN，即启闭杆的轴向作用力。

5.2 动力分析结果

泄流激起的闸门振动问题是一个涉及水流与结构两方面的复杂问题，水工弧形闸门本身是一个复杂的空间结构，一般由面板、梁格及支臂构成。根据闸门的结构特点，三大部件的抗弯刚度为：I杆

虽然启闭杆自振频率较低，容易和外界发生共振，但是即使启闭杆发生动力失稳，也不会导致闸门的整体破坏。而对于支臂而言，支臂一旦发生动力失稳，则后果不堪设想，整个闸门将受到毁灭性破坏。所以弧形钢闸门的动力失稳往往是由于支臂在动力荷裁作用下丧失稳定所致，虽然支臂不直接与水接触，但是激振力可由门叶传来，当激振力和支臂自振频率之间存在某种特定关系时，就可能激起参数共振，使支臂丧失动力稳定。

自振特性计算按不考虑库水影响（干模态）和考虑库水影响（湿模态）两种情况分别计算，对于干模态或是湿模态，分析不同开度对振型、频率的影响，开度分别为全关、0.5m、1m、2m、4m、8m、16m及全开状态。

水流与结构的相互作用是一个复杂的流激振动体系，目前处理这个体系有两种方法：流固耦合法和附加质量法，为减少计算规模及加快计算速度，本文采用后者，即附加质量法。根据《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073-2000），附加质量按下式进行计算：

其中Mb为水平向附加质量（kg），为水体质量密度，取1000kg/m3，H0为门前水深（m），h为计算点水深。

在有限元模性中，弧门面板被梁系分为若干区隔，计算附加质量时，取各区隔中心水深进行计算，然后将质量附加到区隔各单元节点上。

通过动力分析，得出如下结论：

1）前20阶频率值最低为1.174Hz，最高为17.84Hz；2）起闭杆自振频率较低，最容易发生共振，不同开度下起闭杆基频范围为1.174Hz～3.274Hz；3）不考虑库水影响时，随开度的增大，低阶频率值有所增大，高阶频率值几乎不变，考虑库水影响后，各阶频率值均有所增大；4）各阶频率值在考虑库水影响后均有所降低，且随开度的增大，库水影响程度降低，尤其是低阶频率。

6 结论

1）从静力分析位移结果可以看出，结构最大位移发生在启闭杆上，约130mm，发生在下面细实杆的上部；面板在正常挡水工况起门瞬时结构变位最大，为24.3mm，发生在下主横梁下方面板区隔内；总体来说，弧门变位规律正常，变位量不大2）从静力分析应力结果可知，正常挡水工况起门瞬时结构应力最大，为190MPa，发生在支臂腹杆与竖梁的连接处；各工况下弧门结构各部位构件应力均能满足材料强度要求；3）不考虑安全系数的前提下，单个启闭杆启门力门正常挡水工况最大，为3 360kN，启闭机容量设计可参照此值选取；4）各种工况下，弧门靠结构自重可以完成关闭，无需施加闭门力；5）动力分析结果表明，弧门自振频率随开度的增大而增大；不考虑库水影响时，前20阶最大频率为17.84Hz（全开工况）；考虑库水影响后，同阶自振频率略有降低；6）侧止水带在正常挡水工况起门瞬时变位最大，变位为18.7mm，对应的等效应力为0.46MPa，弧门侧水封设计可参考该数值。

通过对该电站溢洪道弧形闸门的结构研究，对闸门设计进行了验证，同时对液压启闭杆需施加竖向支撑、启闭机容量选择、弧门侧水封设计起到了指导意见。目前，该闸门已投入使用，运行状况良好。

参考文献

[1]水力水电工程钢闸门设计规范（DL/T5013-95）.

[2]钢结构设计规范（GB50017-2003）.

[3]水工建筑物荷载设计规范（DL 5077-1997）.