姚家暉，楊光明

(河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100)

大型船閘人字閘門為邊柱半封閉、中間開口的空間薄壁結(jié)構(gòu)，其自身抗扭能力弱，僅在自重、風(fēng)壓力作用下門體就會(huì)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形[1]。而處于自然環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)或鋼構(gòu)件，不可避免地會(huì)受到大氣環(huán)境的影響，如太陽輻射的作用，這種影響隨溫度的變化而變化。在夏季，鋼構(gòu)件表面溫度可達(dá)60 ℃以上，對(duì)構(gòu)件的耐久性與安全性會(huì)產(chǎn)生較大的不利影響[2-3]。人字閘門在正常工作狀態(tài)下，水的浮力可以抵消部分重力作用，且對(duì)閘門溫度上升有較大緩解作用；但當(dāng)閘門處于自然懸掛狀態(tài)且暴露于露天環(huán)境中，在太陽輻射的直接作用下結(jié)構(gòu)的溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，會(huì)產(chǎn)生較大的溫度變形，對(duì)人字閘門結(jié)構(gòu)的變形影響顯著。

目前對(duì)太陽輻射作用下結(jié)構(gòu)溫度場和溫度應(yīng)力的研究主要集中在橋梁、大壩、混凝土結(jié)構(gòu)以及大型鋼結(jié)構(gòu)方面[4-6]，針對(duì)人字閘門則主要集中在抗扭剛度的提升及止水強(qiáng)度等方面[7-9]，尚未涉及太陽輻射產(chǎn)生的溫度場對(duì)人字閘門的影響。所以，研究人字閘門在太陽輻射下的變形與應(yīng)力對(duì)于提升人字閘門的耐久性與安全性十分重要。本文基于ASHRAE晴空模型，采用有限元軟件ANSYS對(duì)一鋼結(jié)構(gòu)人字閘門在太陽輻射作用下的溫度場進(jìn)行仿真模擬[10]，然后將不同太陽輻射下人字閘門的溫度場作為邊界條件，建立熱-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模型，分析人字閘門的變形及應(yīng)力場。所得結(jié)論及研究方法可為人字閘門在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中考慮溫度影響提供參考。

1 太陽輻射及閘門模型

1.1 太陽輻射模型

太陽輻射模型選擇美國加熱、空調(diào)與制冷學(xué)會(huì)推薦的ASHRAE晴空模型。模型中太陽總輻射強(qiáng)度Gt計(jì)算公式為[11]：

(1)

(2)

(3)

式中：A為太陽輻射強(qiáng)度系數(shù)；B為大氣消光系數(shù)；C為散射輻射系數(shù)；β為太陽高度角；CN為大氣清潔度；θ為太陽光線入射角；ρg為地面的反射率；Fwg為表面對(duì)地面的角系數(shù)；ξ為太陽輻射吸收系數(shù)。系數(shù)A、B、C按照文獻(xiàn)[12]中給出的公式計(jì)算：

A=1 370[1+0.034cos(2πN/365)]

(4)

B=0.205 1-4.053 69×10-4N+3.518 56×10-5N2

-1.983 2×10-7N3+2.893 9×10-10N4

(5)

C=7.876 3×10-2-4.217 7×10-4N+1.990 8×10-5N2

-1.060 710-7×N3+1.502 4×10-10N4

(6)

式中：N為自1月1日算起的年序日。得出夏至日時(shí)A=1 417、B=0.42、C=0.138。

1.2 閘門模型

本文以西南地區(qū)某水利樞紐船閘下閘首人字閘門為背景建立有限元模型，并對(duì)其自然懸掛狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算。該人字閘門單扇門體尺寸為10.8 m×24 m×2.2 m(寬×高×厚)，屬于大中型人字閘門。單扇門質(zhì)量為382 t，共設(shè)置主橫梁17根，布置間距由上至下依次減小。在閘門主梁側(cè)設(shè)置2層截面尺寸為220 mm×36 mm的背拉桿(背拉桿為鋼板)，單層背拉桿中包含交叉式布置的主背拉桿3根、副背拉桿2根。

閘門所用鋼材為Q345，總質(zhì)量包含閘門主體及背拉桿等主要承載結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。對(duì)于閘門上的鋼梯等非主要結(jié)構(gòu)(質(zhì)量約30 t)，通過施加均布荷載等效其對(duì)閘門及背拉桿產(chǎn)生的力學(xué)作用。閘門模型材料屬性為：彈性模量206 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3，線性膨脹系數(shù)1.159×10-5℃-1，導(dǎo)熱系數(shù)52.34 W/(m·℃)，比熱480 J/(kg·℃)。

船閘東西向布置，西方向?yàn)樯嫌?閘門自然懸掛時(shí)，面板側(cè)朝向西方向)，X軸沿閘門門軸柱指向斜接柱為正，Y軸垂直于橫梁向上為正，Z軸垂直于閘門指向下游為正。閘門有限元計(jì)算模型見圖1，船閘平面布置見圖2。

圖1 人字閘門有限元模型

圖2 船閘平面布置

2 人字閘門溫度場模擬與分析

溫度場數(shù)值模擬參數(shù)為：東經(jīng)103.5°、北緯30.8°，散射直射比值0.138，大氣清潔度1，太陽輻射吸收率0.65，太陽輻射強(qiáng)度1 417 W/m2，鋼材輻射發(fā)射率ε=0.8。由于鋼材的導(dǎo)熱性能與均勻性明顯優(yōu)于混凝土材料，所以相比于混凝土結(jié)構(gòu)在太陽輻射下形成的空間不均勻溫度場，人字閘門在太陽輻射下形成較為均勻的空間溫度場分布。

經(jīng)過仿真模擬，得到人字閘門面板自太陽升起至太陽落下時(shí)段內(nèi)的最高溫度與最低溫度變化規(guī)律，見圖3。日出前，閘門不受太陽輻射，各處溫度分布比較均勻且與大氣溫度接近，基本保持在17 ℃；日出后，由于閘門主梁側(cè)(向陽面)受到太陽直射，溫度呈現(xiàn)出先慢后快的上升趨勢，在15:00左右閘門的局部溫度達(dá)到最高溫度67 ℃，較初始溫度升溫達(dá)50 ℃；閘門最高溫度變化范圍為19～67 ℃、最低溫度變化范圍為19～60 ℃。由于閘門東西向跨度小、直射面積大且鋼材導(dǎo)熱性能良好，所以主梁側(cè)與面板側(cè)沒有產(chǎn)生過大溫差，主梁側(cè)與面板側(cè)最大溫差出現(xiàn)在13:00左右，相差9 ℃。閘門整體溫度場分布比較均勻。

圖3 閘門面板溫度變化曲線

3 溫度作用下人字閘門結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形

由于閘門整體溫度梯度較小，在太陽輻射下形成均勻的空間溫度場，故以閘門主體溫度每上升10 ℃為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，將其溫度場作為熱荷載加載到閘門有限元模型上，得到人字閘門在不同溫度下的變形，結(jié)果見圖4。

圖4 不同溫度下閘門變形云圖

從圖4可以看出，閘門整體發(fā)生朝向下游的扭轉(zhuǎn)變形。不同溫度下，單扇閘門的最大變形都發(fā)生在斜接柱上角點(diǎn)、最小變形發(fā)生在門軸柱下角點(diǎn)，變形趨勢基本一致。但隨著閘門溫度的升高，變形產(chǎn)生的位移逐漸增大，初始時(shí)刻閘門整體位移范圍為0～9 mm，達(dá)到最高溫度時(shí)閘門整體位移范圍為0～15 mm，自門軸柱端至斜接柱端溫度影響越來越明顯。不同溫度下，斜接柱位移(部分)和背拉桿最大變形對(duì)比情況見表1。

表1 不同溫度下斜接柱位移和背拉桿變形

由表1可知，斜接柱上、中、下角點(diǎn)在初始溫度下位移分別為5.273、2.438、1.621 mm，在最高溫度下位移分別為14.047、8.835、6.795 mm，分別增加了8.774、6.397、5.174 mm；背拉桿在初始溫度下的最大變形為7.175 mm，在最高溫度下的最大變形為13.111 mm，增加了5.936 mm。根據(jù)JTJ 308—2003《船閘閘閥門設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]可知，各構(gòu)件變形均滿足要求。

根據(jù)斜接柱沿閘門高度位移數(shù)據(jù)可以得到，閘門溫度每上升10 ℃，斜接柱位移平均增加0.348、0.995、1.823、1.994、1.036 mm，不同溫度荷載下斜接柱沿閘門高度方向位移曲線見圖5。

圖5 不同溫度下斜接柱位移

結(jié)合圖5可知，閘門上部變形明顯高于下部變形，這是由于閘門主橫梁布置間距從下到上逐漸增大，下部抗扭剛度略強(qiáng)于上部；除此之外，溫度在30 ℃以下時(shí)，閘門變形量小幅增加，溫度對(duì)閘門變形加劇的影響較小；溫度超過30 ℃之后，不僅閘門變形量隨溫度的上升大幅增加，其平均位移的增速也呈現(xiàn)加快趨勢，即溫度對(duì)閘門變形加劇的影響越來越顯著；溫度達(dá)到60 ℃之后，閘門變形量繼續(xù)增加，平均位移增速呈現(xiàn)減緩趨勢，但仍顯著高于溫度上升的初期階段(30 ℃以下階段)。

斜接柱的位移對(duì)閘門的止水強(qiáng)度影響重大，最高溫度下斜接柱的X、Z向位移見圖6。閘門Z向位移沿閘門高程呈現(xiàn)增加趨勢，最大Z向位移出現(xiàn)在斜接柱頂端，閘門整體向下游方向有一定傾斜，而X向位移沿閘門高程基本不變。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》[14]可知，閘門X向位移雖然遠(yuǎn)大于Z向位移，但整體依然保持豎直；而Z向位移已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)斜接柱側(cè)向直線度的要求?？紤]到閘門參與擋水時(shí)，水壓力自上而下逐漸增大，對(duì)于Z向位移的增加趨勢有一定緩解作用，斜接柱的變形不會(huì)造成閘門止水強(qiáng)度的明顯下降，但閘門上部可能會(huì)出現(xiàn)少量吃水現(xiàn)象，可通過適量調(diào)整安裝預(yù)壓予以解決。同時(shí)，人字閘門的施工檢修工作應(yīng)盡量避免安排在夏季尤其是高溫節(jié)氣；若在高溫時(shí)段施工，應(yīng)采取有效的遮陽措施，并避免閘門長期處于自然懸掛狀態(tài)。

圖6 最高溫度下斜接柱方向位移

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

閘門在不同溫度下變形有不同程度的增加，尤其是在最高溫度下，閘門斜接柱位移增加2～4倍不等，背拉桿最大變形增加近2倍，故下文對(duì)其應(yīng)力進(jìn)行分析，不同溫度下單扇閘門應(yīng)力見圖7。

圖7 不同溫度下單扇閘門應(yīng)力云圖

從圖7可以看出，當(dāng)溫度在初始溫度與最高溫度之間變化時(shí)，雖然閘門多處變形均顯著增大，但閘門應(yīng)力的空間分布基本保持一致，且隨著溫度的升高閘門應(yīng)力亦未見明顯變化。最大應(yīng)力都發(fā)生在左下角的底樞附近，大小約為31 MPa，這也與文獻(xiàn)[15]中“溫度變化對(duì)部分結(jié)構(gòu)只產(chǎn)生變形，但對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響不大”的結(jié)論相一致。閘門的最大應(yīng)力小于所用鋼的屈服強(qiáng)度，閘門主體處于安全范圍。

背拉桿是人字閘門的關(guān)鍵構(gòu)件，對(duì)提高閘門扭轉(zhuǎn)剛度、抵消閘門扭轉(zhuǎn)變形至關(guān)重要，最高溫度下背拉桿應(yīng)力見圖8。由圖8可知，背拉桿最大應(yīng)力發(fā)生在其端部，出現(xiàn)了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力在40 MPa左右；由于閘門上部剛度小于下部剛度、上部變形大于下部變形，所以上層背拉桿應(yīng)力略大于下部背拉桿應(yīng)力，并且由于兩端固定，會(huì)受到一定的剪切應(yīng)力，使其應(yīng)力空間分布呈現(xiàn)出了一定的非均勻性。其應(yīng)力變化范圍仍然處于所用鋼的容許應(yīng)力范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全。

圖8 最高溫度下背拉桿應(yīng)力云圖

最高溫度下斜接柱的應(yīng)力見圖9，斜接柱應(yīng)力在2 MPa范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)變化，最大應(yīng)力為1.6 MPa。從應(yīng)力上看，其最大應(yīng)力也遠(yuǎn)小于《船閘閘閥門設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的橡皮止水的最小拉伸強(qiáng)度13 MPa，不會(huì)對(duì)止水橡皮造成不利影響。

圖9 最高溫度下斜接柱應(yīng)力

4 結(jié)論

1)太陽輻射下人字閘門形成較為均勻的空間溫度場，隨著時(shí)間推移溫度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。最大溫差出現(xiàn)在13:00左右，相差9 ℃；最高溫度出現(xiàn)在15:00左右，局部溫度達(dá)到67 ℃。

2)閘門整體發(fā)生朝向下游的扭轉(zhuǎn)變形，隨著閘門溫度上升變形不斷加??；閘門局部達(dá)到最高溫度時(shí)，斜接柱、閘門與背拉桿變形均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中的安全要求，但較初始溫度下分別增大1～3倍不等，溫度對(duì)閘門變形影響顯著、閘門止水強(qiáng)度受到小幅影響。

3)隨著閘門溫度上升，閘門應(yīng)力基本保持不變，溫度變化對(duì)閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力未產(chǎn)生明顯影響；在最高溫度下，閘門、背拉桿及止水橡皮受力狀態(tài)均處于安全范圍內(nèi)。

4)鑒于高溫下閘門變形加劇，建議盡量避免安排在夏季尤其是高溫節(jié)氣對(duì)人字閘門進(jìn)行施工檢修；避免閘門長期處于自然懸掛狀態(tài)；在高溫時(shí)段施工時(shí)，應(yīng)采取有效的遮陽措施。