牛 聞

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001)

1 概述

某水庫啟閉機閘房總高35 m，由啟閉機層以下高20 m鋼排架和高15 m上部閘房組成，平面外形尺寸為15 m(水流方向)×11 m(壩長方向)，見圖1。下部鋼排架是一個空間框架結構，在各荷載效應組合工況下各構件間相互聯(lián)系協(xié)調變形，應采用整體空間結構對其進行結構靜力學、動力學以及非線性等進行全面校核，使結構設計滿足工程要求。限于篇幅，本文僅對鋼排架進行三維有限元靜力學分析(包括強度、剛度)，并對結構進行必要的優(yōu)化。

(a)整體閘房模型

2 設計參數(shù)

鋼排架主要由柱、柱間連系梁和啟閉機層平臺等組成，而啟閉機層平臺主要由主梁、次梁、圈梁、挑臺以及鋪板等組成，各構件之間現(xiàn)場焊接，鋼排架模型見圖1，坐標系：X軸沿壩長方向(垂直水流方向)，Y軸沿排架高度方向，Z軸沿水流反方向。

2.1 結構主要尺寸

柱沿水流方向設3排、中心間距均為7 m，柱垂直水流方向設2排、中心間距為9.8 m，柱間連系梁為2層、每層高6 m，啟閉機層四周挑臺外伸長1.5 m，除筋板厚為δ=12 mm外，其余主結構鋼板厚位于20 mm≤δ<40 mm之間。

2.2 材料及物理參數(shù)

鋼板材質為Q355C，彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3，質量密度ρ=7850 kg/m3。

2.3 主要荷載

鋼排架荷載主要有永久荷載、可變荷載以及偶然荷載[1]。

2.3.1 永久荷載

包括鋼排架、上部閘房、啟閉機、啟閉機層鋪裝、挑臺欄桿等結構自重。

2.3.2 可變荷載

包括啟閉機層活荷載、屋面活荷載、雪荷載、啟閉機吊重、風荷載等，其中屋面活荷載和雪荷載不疊加，應取兩者較大值。可變荷載一般根據建筑用途、場地氣象資料，并結合荷載規(guī)范取值。

啟閉機層活荷載標準值為5.0 kN/m2。

屋面活荷載按不上人屋面其標準值為0.5 kN/m2。

雪荷載標準值按下式計算：

Sk=μrs0

式中：Sk為雪荷載標準值，kN/m2；μr為屋面積雪分布系數(shù)，μr=1；s0為基本雪壓，s0=0.25 kN/m2。

經計算，Sk=0.25 kN/m2。

啟閉機吊重為5500 kN，其吊重向上游傾斜，與豎直方向存在為7°夾角，根據啟閉機布置，吊重作用上平臺荷載值為：下游左側Q1=1190 kN(豎直向下方向)、下游右側Q2=1260 kN(豎直向下方向)、上游左側Q3=2500 kN(豎直向下方向)、上游右側Q4=2350 kN(豎直向下方向)、上游左側V3=404 kN(水平向上游方向)、上游右側V4=376 kN(水平向上游方向)，下游左右側V1=V2=0(水平方向)。

風荷載標準值按下式計算：

wk=βzμsμzw0=0.945 kN/m2

(1)

式中：wk為風壓標準值，kN/m2；βz為高度z處的風振系數(shù)，βz=1；μs為風荷載體型系數(shù)，μs=1.2；μz為風壓高度變化系數(shù)，屬于山區(qū)建筑物，排架頂離壩后河谷最低處約150 m時，βz=2.25；w0為基本風壓，w0=0.35 kN/m2。

經計算，wk=0.945 kN/m2。

2.3.3 偶然荷載

包括啟閉機試驗荷載[2]、暴風荷載、地震荷載[3]等，盡管偶然荷載很少發(fā)生，但同樣具有破壞性，結構計算時應予以考慮。

啟閉機試驗是啟閉機投入使用前應進行的現(xiàn)場試驗，其試驗荷載直接作用在鋼排架上，試驗荷載取啟閉機吊重的125%。

暴風荷載標準值按下式計算：

wk=βzμsμzw0=1.215 kN/m2

(2)

式中：wk為暴風荷載標準值，kN/m2；w0為暴風荷載作用下基本風壓，w0=0.45 kN/m2。

地震荷載按作用在結構上的慣性力處理，水平地震最大加速度按下式計算：

αmaxx=βαmaxxg=3311 mm/s2

(3)

式中：αmaxx為水平地震最大加速度，mm/s2；β為動力放大系數(shù)，β=2.25；αmaxx為水平地震影響系數(shù)的最大值，場地位于抗震設防烈度為7度、設計基本地震加速度0.15g、設計地震分組為第二組地區(qū)時，αmaxx=0.15；g為重力加速度，g=9810 mm/s2。

豎向地震最大加速度按下式計算：

αmaxv=βαmaxvg=2152 mm/s2

(4)

式中：αmaxv為豎向地震最大加速度，mm/s2；αmaxv為豎向地震影響系數(shù)的最大值，一般取水平地震影響系數(shù)最大值的65%，即αmaxv=0.65αmaxx。

2.4 荷載效應組合

驗算結構構件承載力時，可按表1選擇可能出現(xiàn)的荷載組合情況及相應的荷載分項系數(shù)分別進行內力設計值的組合，并取各構件的最不利組合進行截面設計。

表1 荷載效應組合

驗算結構側移時應單獨計算風或地震作用，風荷載和地震作用均取標準值，不再乘以荷載分項系數(shù)。

3 有限元建模

當前ANSYS、MIDAS、PKPM、ABAQUS等有限元分析軟件技術已相當成熟，均可對結構分析計算，采用ANSYS Workbench軟件其交互式建模界面[4]，建模時鋼排架全部采用板單元，使模型更加貼近真實框架，模擬結果會更加精確。

整個閘房大且復雜，在不影響受力的前提下，對結構主要作以下的簡化：啟閉機層以上部分，對分析對象下部鋼排架起到傳遞重力荷載(自重、雪載、屋面活荷載等重力荷載效應)和風荷載等，按照實際外形尺寸和自重相當建模，基本不會影響傳力；啟閉機、啟閉機層鋪裝層、挑臺欄桿等結構未建具體模型，而按照質量點或面等外部荷載形式傳遞自重荷載；考慮柱底為剛接，建模時忽略柱插入閘墩部分。

鋼排架為板板組成的實腹式空間結構，所有板均采用shell 63殼單元模擬，根據質量、剛度變化將結構離散為241164個單元，閘房整體及鋼排架模型見圖1，建模計算過程中統(tǒng)一采用以下單位：長度(mm)、質量(kg)、力(N)、應力(MPa)。

4 計算結果與分析

根據鋼板失效形式采用第四強度理論驗算強度[5]，故在結構后處理中提取Von Mises應力驗算結構構件承載力，應力值應不大于規(guī)范[3、6]規(guī)定值。鋼排架變形主要通過驗算結構各層間側移，側移值應不大于規(guī)范規(guī)定值。鋼排架在表1各工況荷載效應組合下最大應力和變形見表2。

表2 荷載效應組合下鋼排架計算結果表

4.1 承載力結果分析

由表2荷載效應組合下鋼排架計算最大應力值可以看出：①基本荷載組合最大應力值出現(xiàn)在工況4風上，啟閉機上游左側大梁上最大等效應力值為180.23 MPa，應力云圖見圖2；②特殊荷載組合最大應力值出現(xiàn)在工況8風上，啟閉機上游左側大梁上最大等效應力值為222.99 MPa，應力云圖見圖3；③鋼排架應力主要受重力、啟閉機吊重和地震影響較大，風載對應力增加幅度為1‰影響較??；④風和地震水平兩個方向對鋼排架影響基本相同。

圖2 基本荷載組合最大應力云圖

圖3 特殊荷載組合最大應力云圖

荷載效應組合下鋼排架應力均在規(guī)范允許值內，見表3。

表3 鋼排架最大應力計算結果表

4.2 變形結果分析

由表2荷載效應組合下鋼排架計算變形和側移值可以看出：①基本荷載組合最大變形出現(xiàn)在工況4風上，啟閉機上游左側大梁上最大變形值為20.73 mm，同時鋼排架豎向壓縮變形最大值為12.09 mm、水平面Z向2層相對于1層最大層間側移值為6.79 mm，變形云圖見圖4。②特殊荷載組合時，最大變形出現(xiàn)在工況6風上+地震上，啟閉機層中柱連接梁上最大變形值為33.29 mm；豎向壓縮變形出現(xiàn)在工況8風上，最大值為12.86 mm；水平面最大層間側移出現(xiàn)在工況5地震上，Z向2層相對于1層最大層間側移值為11.66 mm，變形云圖見圖5。③整體變形主要受重力、啟閉機吊重和地震影響較大，風載對變形相對較小，增加幅度也已到達11.5%。④豎向變形主要受重力影響，其他荷載幾乎無影響，有時反而降低最大豎向變形；⑤層間側移主要受啟閉機吊重、風載和地震影響較大影響，重力荷載幾乎無影響。

(a)最大變形云圖

(a)最大變形云圖

荷載效應組合下鋼排架層間均在規(guī)范允許值內，見表4。

表4 鋼排架最大層間側移計算結果表

5 結語

本文通過采用ANSYS Workbench軟件對鋼排架有限元靜力學數(shù)值分析，有以下幾點心得體會，希望能給相關設計時提供參考借鑒，不當之處歡迎批評指正。

1)建模時應考慮主要連接和荷載集中處筋板，優(yōu)化設計時可增加筋板厚度和數(shù)量，從構造措施上避免局部計算應力過大，與實際使用情況更為相符。

2)鋼排架強度與剛度計算結果滿足要求，還應對其進行非線性分析以確定其穩(wěn)定性是否滿足要求和地震作用下響應譜分析以確定其動力效應，限于篇幅，可見筆者的相關論文。