俞昊捷,沈振中,徐力群,張宏偉,林 杰

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

液壓壩是一種依靠液壓支撐系統升降擋水面板的低水頭擋水水工建筑物,可調節(jié)壩體高度,具備擋水溢流、放水泄洪等功能。液壓壩不但能夠克服土石壩不易調節(jié)水量、容易發(fā)生滑坡,自動翻板壩抗洪水沖刷能力差、易受漂浮物卡阻,橡膠壩易受損、使用壽命短等缺點,而且能夠實現全機械化操控,方便運行與管理,同時具有保護生態(tài)、美化城市河道景觀的作用[1-6]。折疊液壓壩是在普通直推式液壓壩的基礎上進行修改的新型液壓壩,其與普通直推式液壓壩的主要區(qū)別在于它取消了整根支撐桿的結構形式,以支撐銷鎖定結構代之。折疊液壓壩的支撐系統為折疊式支撐結構,其主要支撐構件分為上、下連桿,兩者中間通過支撐銷連接,并配有鎖定液壓缸,下支撐桿底部鉸接于固定鉸支座。

普通直推式液壓壩在立壩和降壩時的工作特性已有一些研究成果[7-12]。折疊液壓壩的支撐連桿在面板啟閉時位置不斷發(fā)生變化,致使折疊支撐系統在壩體升降過程中工作特性復雜,支撐結構的強度和穩(wěn)定性有待深入分析。目前對新型折疊液壓壩的研究,尤其是對其支撐結構的強度安全和穩(wěn)定性分析幾近空白,制約了新型折疊液壓壩的推廣和應用。本文依據安徽省某折疊液壓壩工程的實際情況,建立三維有限元模型,采用有限元軟件ABAQUS,對新型折疊液壓壩啟閉過程進行三維仿真模擬,分析其支撐結構在壩體升降過程中應力變形的變化規(guī)律,確定危險的工作狀態(tài),以期為將來設計、改進和應用新型折疊液壓壩提供參考。

1 折疊液壓壩支撐結構

液壓壩工程通常包括擋水面板、支撐桿、液壓桿、液壓缸、液壓泵站和控制室。其中,多根支撐桿間隔分布在擋水面板下游側,由液壓桿帶動支撐桿移動。普通直推式液壓壩的支撐桿為獨立整根直桿,每根支撐桿上端連接面板背面中上部,下端安裝于底部滑槽內,通過支撐桿下端在滑槽內的移動實現支撐面板的啟閉,并由滑槽內的限位卡確定支撐桿的支撐高度。

圖1 支撐結構組成構造

圖2 支撐連桿座細部結構

新型折疊液壓壩啟閉支撐結構采用折疊支撐形式,支撐結構組成構造與支撐連桿座細部結構分別見圖1、圖2。由圖1和圖2可見,一組折疊式支撐結構包括一根上支撐連桿、兩根下支撐連桿、支撐銷、液壓桿、耳板、耳板底座、底部鋼板、角焊縫和地錨螺栓。其中,上、下連桿鉸接于支撐銷,并在支撐銷處發(fā)生折疊;液壓缸帶動液壓桿上下移動,產生頂托支撐桿折疊和收攏的啟閉力;支撐連桿座由耳板、耳板底座及底部鋼板組成,角焊縫將耳板底座焊接于底部鋼板上表面;底部鋼板通過地錨螺栓布置于底部基礎之上。當需要折疊液壓壩臥壩行洪時,上、下支撐連桿能夠折疊收攏,不但能夠降低支撐液壓油缸的推力行程,節(jié)約油缸成本[13],而且還能節(jié)省支撐連桿下放后的空間;當需要立壩攔水時,折疊液壓壩的上、下連桿展開,支撐住面板進行擋水。折疊支撐系統可以自由固定液壓壩升壩高度,不受限于限位卡的數量和位置。

2 實例工程概況及計算參數

安徽省某新型折疊液壓壩,壩長108 m,壩體面板分15節(jié),單節(jié)面板寬7.2 m,每節(jié)面板配備兩組折疊支撐結構,面板可啟閉角度為0°～78°。折疊液壓壩設計攔水高度3.4 m,包括正常攔水高度3.2 m以及設計溢流水頭0.2 m。折疊液壓壩可整體啟閉,也可根據需要一節(jié)或數節(jié)壩體自行局部啟閉。該工程建成不久,在一次洪水中被破壞,發(fā)生數節(jié)液壓壩支撐桿座扳起、部分壩體倒塌的事故,為了修復液壓壩,重新擬定了加固方案,更改了地錨螺栓的型號,并相應增加了地錨螺栓的數量。折疊液壓壩主體材料采用Q235鋼,支撐銷材料采用45號鋼,角焊縫寬度10 mm,底部鋼板厚度30 mm,底部鋼板通過地錨螺栓與基礎鎖緊固定,壩底基礎為鋼筋混凝土。原始方案中,采用6根M16的地錨螺栓固定每塊底部鋼板;后續(xù)加固方案中,更換為10根M33×800(8.8級)的地錨螺栓。本文針對加固方案,研究支撐系統的工作特性,論證加固方案的合理性。

圖3 三維有限元模型

根據折疊液壓壩加固方案建立液壓壩三維有限元模型,如圖3所示,三維有限元模型包括單節(jié)折疊液壓壩擋水面板、支撐結構、旋轉底軸與埋件,以及鋼筋混凝土基礎。模型所采用坐標系為右手系,規(guī)定為:x軸方向為水平垂直水流方向,右岸指向左岸方向為正;y軸方向為平行水流方向,逆水流方向為正;z軸方向為垂直地基方向,豎直向上方向為正。

由于單節(jié)折疊液壓壩具有對稱性,因此以單節(jié)面板的中軸線所在平面為對稱面,截取單節(jié)液壓壩模型的一半進行有限元分析計算。在模型的截斷處邊界設置軸對稱約束,在地基的側邊界設置法向約束,在地基的底邊界設置三向約束。折疊支撐結構的有限元網格剖分見圖4。如圖4所示,剖分網格時模型總體采用8節(jié)點等參單元,網格類型采用C3D8R。由于需要考慮模型內部某些相鄰零部件接觸面上的摩擦行為和法向傳力,具體包括以下部位:耳板底座與底部鋼板之間的接觸面,底部鋼板與混凝土基礎之間的接觸面,地錨螺栓與底部鋼板之間的接觸面,故在模型內設置相應的接觸,定義法向接觸關系為“硬接觸”,即法向接觸壓力值無限制;定義切向接觸關系為“庫倫摩擦”,即切向接觸力未達到靜摩擦臨界值則不發(fā)生相對滑動。本文計算所用材料參數如表1所示。

圖4 支撐結構三維有限元網格

材料密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比 液壓壩主體78502100.3 支撐銷78502100.3 角焊縫78502250.3 混凝土2400280.2

3 折疊支撐結構工作特性分析

為分析新型折疊支撐結構在面板不同啟閉角度下的工作特性,選取多個面板啟閉角度(0°、13°、28°、38°、45°、58°、68°、78°)分別進行計算分析。折疊液壓壩啟閉過程中,其受力與壩體上下游水流流態(tài)(堰流和淹沒出流)密切相關,而且還存在動水壓力。根據本工程折疊液壓壩實際運行情況,有限元計算進行了一些簡化,所采用的水頭邊界為導致加固前液壓壩破壞的溢流水頭,規(guī)定如下:上游側水頭取為液壓壩開啟各角度下的面板擋水高度值,加上設計溢流水頭0.2 m，下游側水頭通過線性插值求取,具體方法為:當面板關閉至0°時,下游側水頭取0;當面板開啟至78°時,下游側水頭取設計攔水高度3.4 m時形成淹沒出流的下游水頭最大臨界值;當面板開啟角度為0°～78°之間時,下游側水頭取0和78°開啟度時下游側水頭之間的線性插值。

3.1 啟閉過程中支撐連桿應力的變化規(guī)律

上、下支撐連桿的主應力最大值隨面板啟閉角度的變化見圖5。如圖5所示,折疊液壓壩支撐連桿處主應力最大值隨面板的開啟先增大后減少。當面板關閉至0°時,支撐連桿主應力最大值較小,故面板關閉時支撐連桿不承擔主要支撐力;隨著面板慢慢開啟,支撐連桿開始承受越來越多的支撐力,支撐連桿處主應力最大值隨之升高。支撐連桿最危險工作角度為45°。當面板啟閉至45°時,支撐連桿的第一主應力最大值達到峰值225.40 MPa,為谷值36.13 MPa的6.24倍;第三主應力最大值亦達到峰值-228.70 MPa,為谷值-69.18 MPa的3.31倍。當面板開啟角度超過45°,支撐連桿的主應力最大值逐漸減少,其承擔的支撐力逐漸減少。

圖5 支撐連桿主應力最大值隨面板啟閉角度的變化

圖6 面板啟閉45°時的支撐銷主拉應力云圖

鉸接上、下支撐連桿的支撐銷在面板開啟角度為13°～58°時,其主拉應力最大值均大于45號鋼的屈服強度值,此時支撐銷局部超過屈服階段。支撐銷主拉應力最危險峰值出現在面板啟閉45°時,該啟閉角度下的支撐銷應力分布見圖6。圖6中灰色區(qū)域超過屈服階段,可見該區(qū)域位于上、下支撐連桿相切處,其中主拉應力最大值為593.20 MPa,超過屈服強度值0.67倍。據此,建議將支撐銷替換為強度更高的鋼材,防止金屬疲勞而造成結構破壞。

3.2 啟閉過程中支撐連桿座應力的變化規(guī)律

支撐連桿座各部件主應力最大值隨面板啟閉角度的變化見圖7。從圖7中可以看出:①耳板、耳板底座和底部鋼板處主應力隨面板啟閉變化的規(guī)律相近似。②支撐連桿座處主應力最大值隨面板開啟的總體變化趨勢為先減小后增大,最后再減少。③面板開啟角度0°時,支撐連桿座第一主應力最大值達到峰值140.10 MPa,支撐連桿座第三主應力最大值達到峰值-108.00 MPa,峰值區(qū)域均位于耳板底座與底部鋼板相焊接處。④支撐連桿座最危險工作角度為0°。⑤當面板關閉至0°,支撐連桿座承受主要支撐力;當面板開啟至45°,支撐力主要由支撐連桿座與支撐連桿共同承受;當面板開啟角度超過45°,支撐連桿座承受的支撐力逐漸減少。

圖7 支撐連桿座主應力最大值隨面板啟閉角度的變化

圖8 面板啟閉45°時的角焊縫主拉應力云圖

面板啟閉0°～45°時,角焊縫的主拉應力最大值超過角焊縫強度設計值。面板啟閉45°時角焊縫的主拉應力分布見圖8,圖中灰色區(qū)域處應力值超出抗拉強度設計值,該區(qū)域均位于角焊縫轉角處,究其原因,主要是角焊縫在轉角處發(fā)生形態(tài)突變,由此產生應力集中。從圖8中可以看到,角焊縫主拉應力最大值為594.40 MPa,超出抗拉強度設計值2.72倍。據此,建議加寬焊縫、增加焊縫與材料的咬合面積、提高焊條材料強度,并對焊縫的4個角進行加固,防止角焊縫處發(fā)生破壞。

3.3 啟閉過程中地錨螺栓應力的變化規(guī)律

地錨螺栓最危險工作截面為底部鋼板下表面與鋼筋混凝土基礎上表面的相切平面所在的截面,對地錨螺栓該截面進行數據分析,得到加固后的地錨螺栓最危險截面處平均拉應力、平均剪應力隨門頁啟閉角度的變化曲線,如圖9所示。由圖9可見,其平均拉應力在面板開啟0°至45°時稍有起伏變化,但變化較小,大致呈上升趨勢,而后在面板開啟45°至78°時出現直線下降;其平均剪應力在面板完全閉合時最大,在面板開啟0°至13°時出現直線下降且下降速度較快,在面板開啟13°至78°時依然保持遞減趨勢,但遞減的速率減緩。

圖9 螺栓最危險截面平均應力隨面板啟閉角度的變化

加固后的地錨螺栓最危險截面平均拉應力在面板開啟角度45°時出現峰值59.46 MPa,平均剪應力在面板開啟角度0°時出現峰值75.56 MPa,平均應力值均能夠滿足安全要求[14];相比之下,在原始方案中,地錨螺栓最危險截面平均拉應力在面板開啟角度45°時出現峰值421.53 MPa,平均剪應力在面板開啟角度0°時出現峰值535.69 MPa,均超出地錨螺栓的強度設計值。由此可見,在安全加固方案中,地錨螺栓最危險截面的平均應力值較加固前大幅度降低,用加固方案中的地錨螺栓固定折疊液壓壩支撐結構是安全可靠的。同時可以看出,當面板關閉至0°時,地錨螺栓最危險截面主要承受剪力;當面板開啟角度13°～58°時,地錨螺栓最危險截面主要承受拉力;當面板開啟角度58°～78°時,地錨螺栓最危險截面主要承受剪力。

3.4 壩前泥沙淤積的影響

壩前有泥沙淤積的情況下,折疊液壓壩的啟閉力與附帶泥沙的重量、泥沙對面板的壓力等因素緊密相關[15-17]。本文計算了折疊液壓壩在面板啟閉角度分別為45°和58°,壩前泥沙淤積高度分別為1.02 m以及0時的折疊支撐結構各部位的應力及變形(或安全系數),計算結果見表2和表3。

由表2和表3可以看出:①與泥沙淤積高度0時相比,泥沙淤積高度1.02 m時,地錨螺栓截面所承受的平均拉應力與平均剪應力更大,其抗拉安全系數與抗剪安全系數更低。②支撐連桿的主應力最大值隨著泥沙淤積高度的增加而增大。③當液壓壩啟閉角度為45°時,支撐連桿座處的主應力最大值隨著泥沙淤積高度的增大而減少;當液壓壩啟閉角度為58°時,支撐連桿座處的主應力最大值隨著泥沙淤積高度的增大而增大。針對變化規(guī)律的不同,究其原因,主要是折疊液壓壩在啟閉過程中,面板的重心位置發(fā)生上下移動,外界荷載的合力也隨啟閉角度的變化而上下移動,面板重心和合力的相對位置不斷發(fā)生變化,從而出現不同的變化規(guī)律。④支撐結構各部件的變形值隨著泥沙淤積高度的增大而增大。綜合以上各點,泥沙淤積對折疊支撐結構產生不利影響,建議定期清理壩前淤積泥沙。

表2 不同用泥沙淤泥高度下地錨螺栓應力及安全系數

表3 不同泥沙淤積高度下支撐結構

4 結 論

a. 當面板關閉至0°時,主要由支撐連桿座承擔面板支撐力;當面板開啟0°～45°時,由支撐連桿與支撐連桿座共同承擔面板支撐力;當面板開啟超過45°時,支撐連桿座與支撐連桿承受的面板支撐力均減小。

b. 當面板關閉至0°時,地錨螺栓最危險截面主要承受剪力;當面板開啟13°～58°時,地錨螺栓最危險截面主要承受拉力;當面板開啟58°～78°時,地錨螺栓最危險截面主要承受剪力。加固方案中,地錨螺栓最危險截面處平均拉應力及平均剪應力較加固前均大幅度降低,加固方案安全可行。

c. 當面板開啟13°～58°時,支撐銷主拉應力最大值超過材料屈服強度值,建議將支撐銷替換為強度更高的鋼材。當面板開啟0°～45°時,角焊縫轉角處主拉應力最大值超過強度設計值,建議加固焊縫。

d. 隨著壩前泥沙淤積高度的增大,支撐連桿及地錨螺栓截面處的應力值增大,支撐結構整體穩(wěn)定性變差,總變形增大,建議定期清除壩前淤積泥沙。