李廣一，魏述和，牛文龍，范寶山

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130061；2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程試驗室，吉林長春130012；3.江河機電裝備工程有限公司，北京100070）

高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)整體有限元仿真分析

李廣一1，魏述和2，牛文龍3，范寶山1

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130061；2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程試驗室，吉林長春130012；3.江河機電裝備工程有限公司，北京100070）

氣動盾形閘門是綜合傳統(tǒng)鋼閘門及橡膠壩優(yōu)點的一種新型閘門，在我國正逐步得到廣泛的應(yīng)用，但我國針對高水頭的氣動盾形閘門系統(tǒng)的研究相對較少，尚未形成完整的理論體系。本文以旺起鎮(zhèn)6×20 m的高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)為典型案例，建立鋼門板-氣袋-主錨栓-水工混凝土基礎(chǔ)的整體有限元模型，對門體結(jié)構(gòu)強度、氣袋受力（安全）、主錨栓應(yīng)力狀態(tài)、水工基礎(chǔ)進行有限元計算，研究分析高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的應(yīng)力變形分布情況，為今后高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和定性設(shè)計提供必要且可靠的理論支撐。

氣動盾形閘門；高水頭；有限元計算；應(yīng)力變形

0 引言

氣動盾形閘門屬于大跨度水工閘門[1]，目前擋水高度為0.5～4.0 m低水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的國產(chǎn)化工作已經(jīng)完成[2]，而4～6 m氣動盾形閘門尚需利用美國專利技術(shù)，我國缺乏相應(yīng)的理論設(shè)計體系，設(shè)計制造的成本費用高，因此，本文通過對典型高水頭氣動盾型閘門系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)的整體有限元計算，深入研究并分析計算結(jié)果，總結(jié)高水頭氣動盾形閘門在實際運行中存在的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全問題。為推動高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的國產(chǎn)化和優(yōu)化設(shè)計提供必要的理論支撐，并促進了我國新型水閘技術(shù)的進一步發(fā)展。

本文以旺起鎮(zhèn)擋水高度6 m的氣動盾形閘門系統(tǒng)為工程實例，開展高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的研究，借助大型有限元通用程序ADINA，建立氣動盾形閘門系統(tǒng)的整體分析模型，計算各種擋水工況下，閘門面板，氣袋、鉸鏈、錨固系統(tǒng)、混凝土基礎(chǔ)的變形和應(yīng)力響應(yīng)。

1 工程概況

旺起鎮(zhèn)氣動盾形閘門位于松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地，該水閘設(shè)置單個閘孔，閘孔寬度為20 m，設(shè)計擋水高度為6 m，校核洪水位265.3 m，用于洪水期泄洪，非洪水期擋水。底板高程257.00 m，閘頂高程263.00 m，閘墩墩頂高程265.00 m。氣動盾形閘門典型斷面圖見圖1所示。

圖1 氣動盾形閘門典型斷面

2 鋼閘門-氣袋-主錨栓-基礎(chǔ)混凝土有限單元模型建立

氣動盾形閘門結(jié)構(gòu)系統(tǒng)計算分析存在諸多困難[3]：大位移大變形問題、材料非線性問題、接觸問題等。所以，為實現(xiàn)有限元整體模型的建立與分析，必須抓住主要矛盾，合理進行簡化。依據(jù)吉林市旺起鎮(zhèn)6 m高水頭氣動盾形閘門實際尺寸，在ADINA程序中賦予模型部件相應(yīng)的幾何尺寸：包括閘門面板、氣袋、夾鑄具、錨栓、鉸鏈和基礎(chǔ)混凝土等。

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系選用

鋼門板、夾鑄具、主錨栓和混凝土采用線彈性材料模型。模型分析中的關(guān)鍵部件——氣袋，是采用特殊橡膠材料制作而成的，其計算參數(shù)通過試驗[4]獲得。通過分析發(fā)現(xiàn)，材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線在應(yīng)變30%以內(nèi)近直線變化。綜合考慮以下三點，氣袋采用線彈性本構(gòu)模型：

（1）通過實際檢測分析發(fā)現(xiàn)，氣袋應(yīng)變在10%以內(nèi)；

（2）氣袋材料應(yīng)變小于30%時應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似直線變化；

（3）氣動盾形閘門有限單元整體模型較復(fù)雜，合理簡化材料本構(gòu)有助于提高模型整體的計算精度。

故氣袋本構(gòu)關(guān)系采用線彈性模型，抑制帶和鉸鏈材料參數(shù)同氣袋材料參數(shù)。表1列出了各種材料參數(shù)。

表1 氣動閘門整體有限元模型材料本構(gòu)參數(shù)

2.2 荷載及邊界條件

有限元分析主要是模擬自重條件下，上游擋水水頭6.0 m及其他的超設(shè)計工況時，氣動盾形閘門各組件按第四強度理論計算的等效應(yīng)力、位移分布及極值分析。

由于閘門橫河向存在對稱性，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中對稱結(jié)構(gòu)的求解原理，僅計算完整的一扇閘門對應(yīng)的閘門段。閘門段橫河向截斷邊界采用對稱約束條件；順河向上下游截斷邊界采用垂直約束邊界；其余構(gòu)件按照工程實際情況施加荷載和邊界條件。

2.3 模型單元和網(wǎng)格劃分

模型劃分全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，主要采用8節(jié)點等參單元，單元總數(shù)為70136，節(jié)點總數(shù)為82270。模型及單元劃分如圖2所示。

圖2 模型及單元劃分

3 計算工況與結(jié)果分析

3.1 計算工況

采用有限單元模型共計算三種工況。工況一：上游水深6.0 m（設(shè)計水頭）、氣袋采用直經(jīng)直緯四布五膠材料；工況二：上游水深6.0 m（設(shè)計水頭）、氣袋采用斜經(jīng)斜緯四布五膠材料；工況三：上游水深6.5 m（最高過流水頭）、氣袋采用直經(jīng)直緯四布五膠材料。三種工況下游均無水，幾何條件、邊界條件、網(wǎng)格劃分和重力都相同，氣袋充氣壓力均為0.2 MPa。

3.2 結(jié)果分析

本文僅列出工況一的變形和按第四強度理論換算的等效應(yīng)力云圖。

圖3 氣動閘整體變形圖注：放大5倍，1為初始位置，2為變形位置）

圖3顯示，在氣袋充氣壓力為0.2 MPa時，氣袋膨脹，閘門被頂起擋水，抑制帶拉緊。氣袋、抑制帶和閘門板發(fā)生相對較大位移（包括構(gòu)件剛體位移和轉(zhuǎn)動）。

圖4 氣動閘整體位移云圖

圖4氣動閘整體位移云圖說明氣動閘系統(tǒng)位移趨勢為：氣袋充氣膨脹，推動閘門板繞鉸鏈向上游方向轉(zhuǎn)動，抑制帶被拉緊，最大位移出現(xiàn)在閘門板頂部，大小為120.2 mm。此外，圖4中圓形標注部位的混凝土產(chǎn)生了向下游和豎直向上的變形。

圖5 氣動閘整體等效應(yīng)力云圖

圖5氣動閘整體等效應(yīng)力云圖表明，氣袋、抑制帶、錨栓和基礎(chǔ)混凝土等效應(yīng)力水平不高，而閘門板等效應(yīng)力水平相對較高，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在閘門板加勁肋上，其值為110.5 MPa，但遠小于其鋼材的設(shè)計強度。圖5中圓形標注區(qū)的混凝土出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，但相對于混凝土承載力較小。

圖6 錨固系統(tǒng)變形云圖

圖6錨固系統(tǒng)變形云圖顯示，夾鑄具下游側(cè)位移較大，上游側(cè)和主錨栓位移相對較小，錨固系統(tǒng)位移總體而言變形較??；位移最大值出現(xiàn)在夾鑄具下游側(cè)與鉸鏈接觸的端部，其值為0.12 mm。

圖7 錨固系統(tǒng)等效應(yīng)力云圖

圖7錨固系統(tǒng)等效應(yīng)力云圖顯示，錨固系統(tǒng)（包括夾鑄具和主錨栓等）大部分區(qū)域等效應(yīng)力小于5.0MPa，相對高等效應(yīng)力區(qū)是基礎(chǔ)混凝土的主錨栓部分，最大值為19.5 MPa，遠小于主錨栓的設(shè)計強度。

表2 氣動盾形閘門位移及等效應(yīng)力表

從表2可以看出，相比于工況一，工況二將氣袋材料由直經(jīng)直緯四布五膠改為斜經(jīng)斜緯四布五膠材料，其彈性模量增大，閘門板、氣袋和錨固系統(tǒng)的位移變小，其值減小幅度分別為19.88%、17.09%、8.33%；而等效應(yīng)力降低幅度不大，其中錨固系統(tǒng)降低幅度最大，但未超過7.00%。相比于工況一，工況三擋水高度由6.0 m增加為6.5 m，閘門板和氣袋位移變大，增大幅度分別為7.07%和9.36%，錨固系統(tǒng)位移變化可忽略，而等效應(yīng)力增長幅度均未超過9.00%。

4 結(jié)論

基于所建立的鋼門板-氣袋-主錨栓-基礎(chǔ)混凝土整體有限元模型，以旺起鎮(zhèn)氣動盾形閘門為工程原型，進行了不同氣袋材料、擋水壓力等多種工況的有限元數(shù)值模擬，研究得到以下結(jié)論：

（1）閘門板最大等效應(yīng)力都出現(xiàn)在加勁肋上，位置在門板1/3高程處，大小在110 MPa左右，遠小于鋼材的設(shè)計強度；氣袋等效應(yīng)力為8.7 MPa左右，對應(yīng)的應(yīng)變均小于9.0%，遠低于氣袋材料試驗中30%～35%的“彈性極限”狀態(tài)；

（2）混凝土基礎(chǔ)位移變形較小，絕大部分區(qū)域小于0.02 mm。氣袋根部處的混凝土在氣袋擠壓力作用下，產(chǎn)生向下游和豎直向上的變形；由于變坡，抑制帶壓板上游變坡處的混凝土出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，等效應(yīng)力出現(xiàn)相對較大值，最大值為2.5 MPa左右，考慮混凝土處于受壓狀態(tài)，且氣袋根部處有鋼埋件的設(shè)置，實際中這種變形趨勢會削弱。在施工中應(yīng)注意混凝土的施工工藝，保證該處的混凝土質(zhì)量。

（3）在各種工況下，鋼門板應(yīng)力和位移的安全系數(shù)均在3.0左右，滿足正常使用和極限承載要求。

通過對典型高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的有限元計算分析，將高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的研究上升至理論分析階段，從根本上掌握了高水頭氣動盾形閘門各部件在實際運行中的應(yīng)力變形分布情況，為今后高水頭氣動盾形閘門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和定型設(shè)計提供了可靠的理論借鑒。

[1]于鋒.氣動盾形閘門系統(tǒng)[J].中國水利，2008（22）：70.

[2]胡榮金，劉振.氣動盾形閘門系統(tǒng)在前湖水綜合整治工程中的應(yīng)用[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報，2015,34（6）：34-36.

[3]冀振亞，高國柱，孫云峰.氣動盾形閘門系統(tǒng)力學(xué)模型的建立與分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2013,11：50-53.

[4]陳爾凡.高水頭橡膠壩體材料技術(shù)及性能研究總結(jié)報告[R]，沈陽化大高分子材料研發(fā)中心有限公司，2016.12.

TV663

A

1672-5387（2017）04-0039-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.011

2017-02-22

李廣一（1983-），男，高級工程師，從事水力學(xué)模型試驗、數(shù)值模擬計算分析、河道生態(tài)水力學(xué)研究工作。