（材料加工工程专业论文）平面多定轮钢闸门结构分析.pdf

摘要 摘要 平面多定轮钢闸门是目前广泛使用的闸门型式之一，由于运输、安装的不便，大型 平面多定轮钢闸门常采用多定轮分节设计，节间采用高强度螺栓连接。闸门是复杂的空 间结构，目前广泛使用的平面体系设计法忽略了闸门中各构件的整体工作协调性，不能 准确反映闸门作为空间结构的整体性的受力及变形特点。根据水电部水利水电工程钢 闸门设计规范s d j l 3 - - 7 8 ) ) ( 试行) 的修订说明，空间体系和平面体系的计算结果相差 1 0 1 5 左右。实际上对于闸门中受力非常复杂的连接部位按平面体系计算的结果与按 空间体系计算的结果比较误差会更大。而更重要的是对于闸门节间高强度螺栓连接的强 度验算，目前规范中还没有这方面的说明。因此，对采用分节设计的多定轮平面钢闸门 进行空间结构分析具有很大的实际意义。 为此，本文运用三维有限单元法对平面闸门设计规范中主梁布置的位置表进行了修 改( 主要针对露顶门和接近露顶门的情形) ，按照修改后的位置布置主梁可保证各主梁 实际承受的载荷接近相等。为了保证计算结果精确可靠，本文通过对常用的几种主梁有 限元模型进行了分析比较，得出了一种最能符合实际情形的主梁有限元模型。 本文所做的最重要的工作是运用三维有限单元法对闸门节间摩擦型高强度螺栓连 接进行了模拟，这种模拟方法可供闸门设计人员对闸门做数值分析时参考。在此基础上， 本文以武都水库底孔事故检修闸门为研究对象，对其节问摩擦型高强度螺栓连接的强度 进行了验算，进而对原设计方案提出了改进措施。并分析了其在各种工况下的轮压及各 主要构件的应力、变形的分布情况； 关键词：平面闸门；多定轮；分节设计；有限元；空间结构；主梁；螺栓连接 河海大学工学硕士论文多定轮平面钢闸门结构分析 a b s t r a c t p l a n em u l t i - w h e e l sg a t ei so n et y p eo ft h eg a t e a n di ti su s e dw i d e l y w h e nt h eg a t ei s v e r yh u g c ，i ti sd i f f i c u l tt ot r a n s p o r t i n ga n df i x i i l g ，s oi ti sd e s i g n e db y 洲d i n gi tt os e v e r a l p a r t sa l o n gt h eh i g hd i r e c t i o no fag a t e ，a n dt h e s ep a r t sa r ej o i n e da saw h o l eb yf r i c t i o n a l h i g hs t r e n g t hb o l t s g a t ei sac o m p l i c a t e ds p a t i a ls t r u c t u r e 。a n dt h e r ea t et w ow a y st od e s i g ni t o n ec a l l e dp l a n a rs y s t e md e s i g nm e t h o d ，w h i c hd e s i g nt h ee v e r yc o m p o n e n to fag a t e r e s p e c t i v e l yb yl o o k i n gi ta sap l a n a rs y s t e m , a n dt h i sm e t h o di su s e dw i d e l yn o wf o ri t s f a c i l i t y b u tt h i sm e t h o dc o u l dn o tr e f l e c tt h ei n t e r a c t i o na m o n ga l lc o m p o n e n t so f ag a t e t h e o t h e rm e t h o dc a l l e ds p a t i a ls t r u c t u r ed e s i g nm e t h o d ，w h i c ha n a l y s i st h eg a t eb yu s i n gt h e t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g y t l l i sm e t h o dc a l ls i m u l a t eag a t ea sas t r u c t u r e a c c u r a t e l y b u li tc o u l dn o tb eu s e dw i d e l y , b e c a u s et h ew o r k l o a da b o u tc a l c u l a t i o ni sv e r y h e a v ya n dt h ep r o c e s so f m o d e i m gi sv e r yd i f f i c u l t a sd e c l a r e db yt h ec r i t e r i o n t h a tt h ee r r o r b e t w e e nt h e s et w om e t h o d si sf r o m1 0 * , - - 1 5 a n dn o wt h ep l a n a rs y s t e md e s i g nm e t h o d h a sn o ts u p p l yas o l u t i o nt oc h e c kt h ei n t e n s i t yo fe v e r yb o l tw h i c hj o i n e da l lp a r t so fa g a t e s oi ti sv e r ys i g n i f i c a t i v ea n dn e c e s s a r yt oa n a l y s i st h eg a t ew h i c hd e s i g n e dw i md i v i d e d p a r t sa n d j o i n e db yb o l t st oi n s u r et h eg a t ec a nw o r ks a f e l y i nt h i sp a p e r , t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g yi su s e dt om a k ec e r t a i nt h e l o c a t i o no fe v e r ym a i nb e a mt oi n s u r et h el o a d sw h i c ha c to ne v e r ym a i nb e a ma g ee q u a l t h e r ef o r , t h r o u g hc o m p a r i n gp r e c i s i o no fs e v e r a lf i n i t ee l e m e n tm o d e la b o u tm a i nb e a m ，o n e a c c u r a t em o d e li ss u p p l i e d t h em o s ti m p o r t a n tj o bw o r k e di nt h i sp a p e ri st h a tam e t h o da b o u th o wt os i m u l a t i n g t h ej o i nc r e a t e db yf r i c t i o n a l1 1 i g hs t r e n g t hb o l t sa c c u r a t e l yi ss u p p l i e d t h i sm e t h o dc a l lb ea r e f e r e n c ef o rd e s i g n e r st om a k eaf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rag a t e w i mt h e s ep r o d u c t i o n s w ud ua c c i d e n ti u s u r a a c eg a t ei sc a l c u l a t e dw i t hs p a t i a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o da sa s t u d yo b j e c t k e yw o r d s ：p l a n eg a t e ；m u l t i w h e e l s ；s e g m e n td e s i g n ；f i n i t ee l e m e n t ；s p a t i a ls t r u c t u r e ； m a i nb e a m ；b o l t j o i n t 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ；! 亟薹函口7 年弓月 占口e l 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： i 3 辇知叩年 3 月弘1 3 第一章绪论 第一章绪论 i i 平面闸门的发展历史及结构布置 1 1 i 闸门的发展历史 闸门是水工建筑物过水孔口的重要组成部分之一。按水利水电工程的综合利用需 要，它能够全部或局部开启这些孔口，可靠地调节上下游水位和流量，以获很防洪、灌 溉、引水发电、通航、过木以及排除泥沙、冰块或其它漂浮物等效益。 水力闸门的建设是与灌溉、供水及河流航运系统的发展紧密联系在一起的。在早期 的水利工程中，通过水坝蓄水并输送到旁边的灌溉渠道中，过量的水通过坝顶排放。随 着进一步发展，修建了“可移动的坝”闸门。这些可移动的坝可以从正常的位置移 开，为排放过量的水提供了通道，这样在水利工程的运行中允许有更大的安全性和灵活 性。第一条用于输送货物和排放洪水的运河建于中国，最初，中国人是通过修建两侧有 坡度的堰来解决急流地区的河流运输问题。大约在9 8 3 年，中国人发明了在间隔一段距 离后建设两座坝的方法，船可以进入两座坝形成的“水池中”，通过升高或降低池中的 水位来运送船只。荷兰的闸门开发采用的是与中国类似的模式。1 4 世纪末，船闸在那 里已经非常普遍，闸门仍是起落式闸门。1 7 9 5 年，小瀑布运河建成，使其成为美国第 一条带有船闸的运河。第一座金属闸门出现在1 8 3 0 年左右，随着即将进入新世纪，出 现了各种各样的闸门，现有的类型也出现了大的发展，但也进一步面临修建更大型闸门 的挑战。目前有代表性的闸门型式有平面闸门，弧形闸门，人字闸门等。 最早出现的平面闸门是提升式平板闸门，提升式平板闸门是以它的发明者f g m 斯 托尼先生的名字所命名的，于1 8 8 3 年最先用于爱尔兰。四扇闸门放置在砖石桥墩之间， 以控制湖的出水口。每扇闸门均为4 4 m 高，8 9 m 宽。 提升式平板闸门在2 0 世纪初大量地用于欧洲、美国、埃及和印度，并发展出了多 种型式。现在常见的平面闸门有：直升式平面闸门，升卧式平面闸门，横拉式平面闸门， 转动式平面闸门等等。 直升式平板闸门按其支承行走部分的类型分为滚轮式、滑块式等多种型式。直升式 平板闸门具有结构简单、运行可靠、闸室短又适合用井柱桩和分离式闸底板，但缺点是 机架桥排架的高度需六、七米，如遇上大的地震或台风袭击，排架及启闭机的安全无 保证。河北省邢台地区1 9 6 6 年曾发生了6 9 级地震，震中附近水闸的机架桥排架根部， 多数被折毁川。所以，后来发展出了升卧式闸门。 升卧式闸门是一种沿折线轨道( 轨道下部呈铅直而上接圆弧和直线轨) 运动的平面 闸门，吊点设于门叶底部。起吊时闸门沿主轨运移逐渐由直立位置转9 0 度而达到平卧 位置。升卧式闸门既保留了直升式平面闸门闸墩短的优点，又大大降低了闸墩机架桥的 河海大学工学硕士论文 多定轮平面钢闸门结构分析 高度，有效地提高了水工建筑物的抗震能力。 本文所研究的武都事故检修闸门是多定轮平面闸门结构，属于直升式平面闸门的一 种，因其主要支承行走部分采用滚轮装置而得名。定轮闸门的应用历史较久，是德国人 于1 8 9 8 年发明的，最早的应用是1 9 0 2 年，是在s a u 河上。最初的定轮闸门是平面圆筒 状。定轮闸门在美国也经常被采用，主要在俄亥俄河与密西西比河。最早于1 9 1 5 年用 于科罗拉多河上，闸门宽2 1 3 m ，高3 m 。这种闸门最大优点是摩阻力小，所以虽然其构 造较滑动闸门复杂，但目前应用仍很普遍。 平面直升闸门是用得最为广泛的一种门型，因为它能满足各种类型泄水孔道的需 要，与其它门型相比具有如下的优点：【2 l ( 1 ) 可封闭相当大面积的孔口； ( 2 ) 建筑物顺水流方向的尺寸较小： ( 3 ) 闸门结构比较简单，其制造、安装和运输工作相对来说比较简便； ( 4 ) 门叶可移出孔口，便于检修维护； ( 5 ) 门叶可在孔口间互换，故孔口较多时可兼作其它孔的事故门或检修门； ( 6 ) 门叶可沿高度分成数段，有利于泄冰或排砂，也可以减轻起门力； ( 7 ) 闸门的启闭设备比较简单，对移动式起门机的适应性较好等。 近十多年来，国内兴建、在建和设计了一批大型、特大型水利水电工程，如三峡、 小湾、溪洛渡、向家坝、小浪底、紫坪埔等。在这些水利工程中，定轮式平面钢闸门也 得到了广泛的运用。在泄水闸( 坝) 特别是多孔口的泄水闸( 坝) 布置上，平面闸门是 用得最多的；发电引水道和泄水水道的进口一般多采用平面闸门，供检修和处理事故之 用。 孔口面积、工作水头和总水压力这三项是表征闸门的主要指标。特别是单扇门叶所 承受的总水压力是表征闸门的综合尺度，反映了闸门材料、设计、制造和安装等技术水 平。己建成的平面直升闸门规模很大，其宽度达到8 0 m ( 相应高度1 1 6 m ) ，高度达 到3 4 4 m ( 相应宽度2 6 2 m ) ；总水压力达到1 6 0 0 0 吨以上。8 0 年代国外的水工钢闸 门其单扇门叶上的总水压力超过5 0 0 0 0 k n ( 约5 0 0 0 t ) 者已有1 0 余座，最大荷载如巴 西、巴拉圭的伊泰普水利枢纽的导流底孔定轮平面闸门为2 0 2 2 5 0 k n ，其挡水面积为 6 7 2 2 m 2 、水头为1 4 0 m 。瑞士的莫瓦赞水电站底孔平面闸门的水头高达2 0 0 m 3 1 。我 国已建的自山水电站导流隧洞闸门，其挡水面积为9 2 1 m 2 ，水头近8 0 m ，总水压力达 1 4 0 0 0 0 k n ( 约1 4 0 0 0 t ) 。目前我国已建的闸门水头最高的是龙羊峡水电站的深孔闸门， 其水头高达1 2 0 m 。 1 1 2 平面闸门的结构布置 2 平面闸门结构布置的主要内容是：确定闸门上需要设置的构件，每种构件需要的数 第一章绪论 目以及确定每个构件的所在位置等。结构布置的是否合理，直接牵涉到能否使闸门运行 达到使用方便、安全耐久、节约材料、构造简单和便于制造等方面的要求。设计时必须 统筹考虑，全面安排，进行必要的方案比较。 平面钢闸门的结构布置主要包括梁格的布置、主梁的布置以及边梁的靠置。梁格的 布置应考虑钢面板厚度的经济合理性和梁格制造省工等要求，尽量使面板各区格的计算 厚度接近相等，并使面板与粱格的总用钢量最少。根据闸门跨度的大小，梁格的型式可 分为纯主梁式、主次梁式和普通式三种，分别如图1 i ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。纯主梁式 不适合跨度较大的闸门，因主梁间距较大时需要较厚的面板，故仅适用于跨度很小而门 高较大的闸门；主次梁式是指在闸门主梁之间布置竖直次梁来增加对面板的支承，从而 减小面板的厚度，适用于中等跨度的闸f - j ；普通式是指当闸门跨度更大时，主梁间距也 将随之增大，为了使面板仍能保持经济合理的厚度，在竖直次梁之问再设鹭水平次梁， 这种梁格型式在工程实践中应用最为普遍。 梁系的连接形式如图1 2 所示，有齐平连接、降低连接和叠层连接三种形式。齐平 连接中主梁、水平次梁、竖直次梁全部与面板相连。齐平连接中的具有竖向隔板的齐平 连接形式采用竖向隔板兼作竖直次梁，在隔板上开孔，使水平次梁直接从中穿过而成为 连续梁，改善了水平次粱的受力条件，简化了接头的构造，而且也保持了齐平连接闸门 整体刚度强，面板受力条件好、节约用钢梁等优点，是常用的梁系连接形式。叠层连接 中主梁没有与面板直接相连，而是放在了竖直次梁之后，从而使得闸门的整体刚度和抗 振性能都有所削弱；同时这种连接型式增加了闸门的总厚度，从而使门槽宽度和边梁尺 寸相应加大，故在平面闸门中很少采用。 l ：i： 【：i： ：工： l：i： ： 丫 t 1 - ： ill l上l 。1 it1 _ i li ： r tr： ( b ) 主次粱式( c ) 普通式 图i 1 梁格布置型式 险 富i ( a ) 齐平连接( b ) 降低连接( c ) 叠层连接 ( d ) 具有竖向隔板的齐平连接 图1 2 梁格连接型式 主梁是闸门的主要承重构件，主梁的都置有数目和间距两个方面。它的数目取决于 闸门的尺寸和水头的大小。工程实践表明，当闸门跨度，较小而门高日较大( ，h ) tt玎一耋， 匡一黔 河海大学工学硕士论文 多定轮平面钢闸门结构分析 时，采用多主梁式，反之采用双主梁式。它的位置一般按等荷载的条件来布置，使每一 根主梁所受的水压力相等，则全部主梁均可采用相同的截面，便于制造。但是同时还应 考虑到以下几个方面： 一是对于工作闸门和事故闸门，为了保证门下出流不致冲击底部主梁致使门底发生 真空和振动现象，闸门底部主梁到底止水边缘 要保持一定的距离，使下游翼缘到底止水边缘的连 线与水平线央角大于3 0 0 ；对于部分利用水杠的 平面闸门，其上游倾角口不应小于4 5 0 ，应尽量采 用6 0 ，见图1 3 。二是对于双主梁闸门顶横梁到 闸门门项的悬臂长度不宜太大，应保证该部分具有 ” 足够的刚度，一般不超过o 4 5 日，且不宜大于3 6 m 。 图1 3 闸门底缘布置 3 0 6 另外在确定主梁位置时，还要注意到主梁间距要大于滚轮直径，有时也要考虑到制 造、运输、安装的需要。比如采用分节设计时，需要寻找合适的分节位置以提高高强度 螺栓连接的可行性。 因此，在实际工程中，主梁的位置在按等荷载原则确定后，常需稍加调整，以致各 主梁的荷载不一定完全相等。当差别不大时，一般仍可按等荷载设计，各主梁截面决定 于其中荷载最大者；当荷载相差较大时，则需分别进行设计。 边梁的布置应根据实际情况来决定是采用是采用单腹式还是双腹式，单腹式边粱构 造简单，便于与主梁相连接，但抗扭刚度差，对于闸门因弯曲变形、温度胀缩以及其他 力作用而使边梁中产生扭矩的情况是不利的，主要适用于滑道式支承的闸门。双腹式边 梁的抗扭刚度大，便于与滚轮的轴以及吊座联结，缺点是构造复杂，截面内部的焊接也 较困难，广泛应用于定轮闸门中。b 4 ，5 】 边梁的截面尺寸、边梁与主梁的连接方法、定轮的布置以及联结系的布置等等在水 工钢闸门设计规范中都有严格的设计要求，这里不再作详细阐述。 1 2 平面闸门的结构设计方法 闸门的结构设计方法目前主要有两种，一种是按空间结构理论计算的方法，一种是 按平面体系分析的结构计算法。国外较多使用电子计算机和结构优化理论进行闸门选型 和结构设计。我国目前仍采用结构力学按平面体系的设计方法，即采用平面体系假定和 容许应力方法进行分析计算。 ( 一) 按平面体系分析的结构计算法 按平面体系分析的结构计算法是把一个空间承重结构划分成几个独立的平面结构 系统，按荷载分配和传递方式求出各个平面结构的荷载，然后按相互之间没有关系的平 面结构来进行分析计算。因此要熟练掌握这种结构计算方法，首先必须熟悉闸门结构的 4 第一章绪论 传力路径，图1 4 描述了在挡水时闸门所承受的水压力的传递路径。 水平水压办面板 边粱- 主轮( 或主滑块) 一主轨道闸墩 图1 4 平面阐门所承受的水压力传递路径 当将一个空间结构分拆成几个平面体系时，应尽可能符合结构的实际工作条件，并 应这样来选择计算图式，即既考虑整个结构的总交形情况，又考虑到各个构件的相对刚 度也它们的变形情况。总之，要使结构在荷载作用下的变形相互协调。在设计中，还应 考虑到计算图式要符合结构在制造和安装工作上的合理性。平面闸门的计算图式是长期 工作以来得到的，可以说是适当考虑了上述这些因素的。一般来说，计算的结果是稍偏 安全的。对个新型闸门计算图式的确定，则需要特别慎重对待。 平面闸门中的各个构件的计算不外乎板、梁( 或桁架) 和柱等几种型式。设计时主 要是确定这些构件的截面形式和相关参数以及构造要求等。具体来说就是根据各个构件 所分配到的荷载来选择构件的截面形式和相关参数，然后验证其刚度、强度及稳定性是 否满足要求。其计算简图、计算方法都已非常成熟，规范中都有明确规定。现将按平面 体系分析时，闸门各主要构件的简化计算模型作一简单介绍。 面板在闸门结构中的作用可分成两部分，一方面传递水压力的过程中它有局部弯曲 作用，其应力可按支承在梁格上的弹性薄板计算；另一方面，它又作为梁格的一部分参 与主( 次) 梁的整体弯曲作用，其应力可按梁格的翼缘板计算，将面板的局部弯曲应力 与主( 次) 梁的整体弯曲应力按照第四强度理论进行迭加，得到面板参与主( 次) 梁部 分的折算应力。 水平次梁的载荷分配按相邻间距和之半法进行，再根据闸门结构布置按连续梁或简 支梁进行计算。 垂直次梁为支承在主梁上的简支梁。在叠层布置中，垂直次梁仅承受水平次梁传来 集中荷载；在同层布置中，它除承受水平次梁传来的集中荷载外，还承受由面板直接传 来的分布压力。 主梁的计算简化为两端支承在边梁上，承受均布载荷的简支梁。 边梁是平面闸门中受力相当复杂的构件，作用在边梁上的外力有：梁系传来的全部 水平压力( 为简化计算，可假设这些荷载完全由主梁传给边梁) 、行走支承的反力；竖 直方向有闸门自重、行走支承和止水与埋设构件之间的摩擦力、门底止水前的上托力和 过水时的下吸力、有时还有门顶水柱压力和侧向水压力等，以及作用在边梁顶端吊座上 5 河海大学工学硕士论文多定轮平面钢闸门结构分析 的启门力。计算边梁时应按拉弯构件计算，有时还须按压弯构件校核。f 2 4 ，5 ，6 ，7 毛9 i o ，1 1 】 总之，在平面体系设计方法中，整个闸门的结构计算，按实际可能产生的最不利载 荷组合情况，对各个构件进行强度、刚度及稳定性计算，是将构件逐个独立地进行计算 的。而闸门在实际工作中应该是一个完整的空间结构体系，作用外力和荷载将由全部组 成构件共同传递分担。因此，在按平面体系计算各个构件内力时，不管作了多么精细的 假定，总是不能完善地反映出它们真实的工作情况。另外，闸门的结构变形具有很强的 空间效应，而按平面理论计算却无法体现出这种效应。 以前局限于技术条件，要分析这种复杂的空间体系困难很多，用人力难以完成繁重 的计算工作。随着有限单元法配合数字电子计算机的发展，使结构按空间体系分析计算 的实现得到了新的希望，目前已有很多单位和个人在研究这一方法在水工闸门中的应 用。 ( 二) 按空间结构理论计算的方法 水工闸门结构按空间体系来分析，是在符拉索夫的开口薄壁杆件理论( 水工建筑 物的轻型空间结构及其计算方法，1 9 5 1 。) 提出后，才正式在工程界开始使用的。这一 方法在前苏联最先采用，我国也有一些单位按此方法进行过分析计算。一般来说，计算 工作量比较繁重，但均能以手算解决。符拉索夫理论是根据一定的假定推导出来的，而 这些假定在一般的水工闸门上能否达到，则是颇属疑难的问题。同时，整体分析和局部 计算如何配合也没有一定的计算准则，工作中有时仍需按平面体系的办法进行核算，所 以这一方法也未能达到取代平面体系计算方法的地位【2 】。 近年来，有限元单元法配合数字电子计算机的出现，使结构按空问体系分析计算的 实现得到了新的希望。特别是近几十年来，计算机技术的飞速发展，各种大型有限元分 析软件的诞生和不断完善，更为进行复杂空间结构的有限元分析提供了强有力的工具【挖， 1 3 , 1 4 1 。 按照空问体系理论，在计算闸门时，将闸门作为一个整体的空间框架进行分析计算。 在荷载的作用下，各个构件相互协调、共同作用，因而在计算时不象平面体系那样将构 件逐个独立地进行计算，忽略各构件的整体工作协调性，而是充分考虑了闸门作为空间 结构的整体性、空间受力特点及变形特点。在计算方法上，空间体系计算方法采用了类 似于结构力学中的位移法，以节点位移为基本未知量。首先将整体结构进行单元划分， 对每一个单元建立节点平衡方程，然后将其集合成整个结构的平衡方程组，求出每个节 点的位移，再根据单元应力和节点位移之间的关系，求解出单元应力，最后经过数据处 理，推导出结构内每一个节点处的位移、应力值。运用空间有限元法计算闸门，可以充 分体现出闸门较强的空间效应，准确地计算出各构件的内力及应力、变形【5 0 1 。而平面体 系设计方法在许多地方都偏于保守，计算结果在许多地方比实测值大1 0 1 5 【5 1 ，在某 些关键部位却又会发生安全裕度不够的情况。因此，用能反映真实情况的空间体系方法 对闸门进行设计计算，不仅可以节省材料、减轻闸门自重，实现对闸门结构的整体优化， 同时还能提高闸门的整体安全度。另外，为了能保证过去按平面体系设计方法设计的已 6 第一章绪论 建闸门能够安全可靠的运行，对这些闸门运用空间体系方法进行计算分析，以便及早发 现问题，消除隐患也是十分必要的。 1 3 问题的提出 曾被世纪伟人邓小平誉为“第二个都江堰”的四川省武都引水工程，是四川省西水东 调整体规划中的一项以防洪、灌溉为主，兼有发电、旅游、城乡供水等综合利用的大型 骨干工程，分二期建设。 武都水库是第二期工程的主要部分之一，水库工程位于四川省江油市武都镇涪江干 流上，由碾压重力坝( 坝高1 2 0 r e ) 、坝后式电站( 装机容量3 5 0 m w ) 、坝身表孔 溢洪道( 2 孔) 、泄洪底孔( 3 孔) 等建筑物组成。水库正常蓄水位6 5 8 o o m ，设计洪 水位6 5 6 9 6 m ，校核水位6 5 9 4 3 m 。水库总库容5 7 2 亿埘3 。泄洪底孔共3 孔，底板高 程5 8 5 o o m ，全长1 0 5 m ，由进口段、有压段和明流段组成，进口段设平面事故检修门1 扇， 对于武都底孔事故检修闸门这样的高水头深孔平面钢闸门在设计上采用了分节制 造，节间采用高强螺栓连接的设计方案。但国内目前还没有相关的设计规范对闸门节间 连接处的螺栓承载力进行计算校核，所以有必要探讨连接部位的螺栓承载力计算方法， 并计算出单个螺栓的承载力，确保每个螺栓均能满足强度要求。进而在研究中找出闸门 的最佳分节位置，此位置应保证段间剪力尽可能最小，从而有效保证高强螺栓连接的可 靠性。 闸门的设计是以安全、可靠为宗旨的，但在实际运行中还不能切实地保证闸门不出 故障，特别是对于高水头深孔闸门。回顾国内外高水头闸门的运行情况可以发现曾经发 生了不少事故，有些事故损失巨大。造成这些事故的原因是多方面的，但主要在于设计 中存在许多不合理因素。目前国内对闸门的计算通常是按平面体系方法进行的，不能精 确反映出闸门这样一个复杂空间结构的受力状况。对于这个空日j 结构体系的计算，设计 人员往往在“不可见荷载因素”、“动力荷载”、“工程重要性”、“提高安全度”等方面作文 章，人为地增加荷载或减小钢材允许应力来“保证”闸门的安全性。这种计算方法虽使计 算图式简便，便于应用。但不能反映闸门各构件间的相互联系、变形协调作用以及非计 算构件在闸门上的作用。根据文献【9 l 的分析结果，按照平面体系计算出的应力较实测值 大2 0 以上，有的部位甚至有4 0 5 0 以上的强度富余。 鉴于武都水库底孔事故检修闸门属于高水头平面闸门( 设计水头达7 5 m ) ，技术问 题复杂，其主要构件的刚度较大，结构的节点效应和空间效应很强。按现行闸门设计规 范的平面体系算法进行计算，忽略了结构的整体性及平面闸门的空间结构特点，设计出 的闸门可能在一些地方设计过于保守，而在一些关键部位又安全裕度不够，从而造成整 个结构的不安全性，计算出的成果的误差也较大，不能满足这种高水头平面钢闸门的结 7 河海大学工学硕士论文 多定轮平面钢闸门结构分析 构设计要求。为确保闸门的安全运行，对设计过程中的关键技术问题及时发展研究，为 设计提供准确的资料，验证设计初步成果是十分必要和重要的。 因此，应该深入研究闸门这种特殊结构的受力特点，弄清每一构件的受力情况及薄 弱环节，改进计算方法，充分利用闸门空间体系的整体工作特点，对闸门进行优化设计。 另外，现行的钢闸门设计规范对旧规范作了相应的修改，对钢闸门的计算方法没有 作硬性规定，只要能准确、可靠、简便地求出结构内力及应力的计算方法均可酌情选择， 并明确指明空间体系方法的可行性【1 2 1 。所以，运用能够反映真实情况的空间体系方法来 分析闸门受力状况，进而指导闸门设计是有实际意义的i ”1 6 , 1 7 , l s o 1 4 武都底孔事故检修闸门简介 武都水库底孔事故检修闸门系多主梁、多定轮平面闸门，单吊点提升。门叶结构采 用主梁齐平布置，面板直接支承在主梁、水平次梁、竖直次梁组成的梁格上。闸门背面 也以钢板覆盖既起纵向连接系作用，以承受闸门的部分自重和其它竖向荷载，同时也起 到增j j m 3 叶整体刚度的作用。由于门叶结构尺寸比较大，给制造、安装、运输带来很多 不便，为了方便运输和安装，工程设计人员在设计中把门叶沿高度方向分为三节设计， 通过高强螺栓进行现场组装拼接。闸门结构布置如图1 5 1 7 所示。闸门尺寸为： 8 3 7 x1 5 6 x1 0 1 l m ，挡水面为：6 2 x 8 , 6 m 。闸门材料采用q 3 4 5 b ，节间连接采用1 0 9 级、m 3 0 摩擦型高强度螺栓，闸单边8 只定轮，定轮通过偏心轴简支在边梁腹板上。 闸门操作要求为动水下门，静水( 水位差5 m ) 启门。 8 孵 i 1 r ”。o 。 !o0 。0o ”。：捂。o 。o 。当o 0 0 ， 芒“ 素 ； 专剥o 彳6f乖口g-彳6宁 u 耄 ； 三i里 _ o o0 i o。1 o10o ，f t 。 图1 5 段间连接处螺栓布置示意图 第一章绪论 址地1 一 丑垃 墨 _ 冉 由 舱 ：扣 u 妊 ，豁 f i h 卞 j i ! 目 l i8 一 j ；|口 d 蛹 皆 l i 赢 ： u ：! 鹭 田 厍图 j l 一 u 置气 二 一田 崮 ， 一一| f - - 丑 _ 山田 田罔 l t _ ： 1 1 岱曲 应，l 营 卜 峙 j 州 二= r i n “ 图1 6 半下游视图半上游视图 图1 7 侧视图( 段间连接示意图) 1 5 选题依据及国内外研究现状 1 5 1 选题依据 随着水利事业的发展，越来越多的需要大跨度，大高度的大孔口闸门。我国在9 0 年代引进西欧经验，对大孔口闸门采用多定轮南置方式，引进该布置方式的原因是：大 孔口闸门所受水压力很大，而定轮最大轮压和轮径受到制造工艺限制，并且轮径越大为 闸门结构的布置也带来许多困难。但同时也认识到由于轨道安装误差，各轮踏面不易在 同一平面等因素会导致多轮闸门的轮压不均匀，从而产生个别轮压超出设计允许轮压的 情况。另外，定轮的布置影响到闸门主梁的布置，直接影响闸门整体的受力情况，所以 对定轮的布置方式的研究是有其实际意义的。如何布置定轮使各轮轮压趋于均匀，对于 这个问题目前还没有形成统一的解决方法。 9 河海大学工学硕士论文 多定轮平面钢闸门结构分析 由于大孔口闸门的尺寸很大，不可能在工厂中进行整体加工制造，在实际当中采用 分节制作，施工现场连接拼接。因为节间的连接方式( 刚性，柔性，半柔性) 直接影响 到闸门整体的受力情况，所以有必要对节间连接方式进行分析研究。而目前还没有关于 节间连接方式的公认方法。 在水利水电事业的发展中，许多设计者创新意识增强，对闸门材料强度的利用更为 大胆，但对深孔闸门在制造、施工、安装和运行中可能出现的结构应力变化了解不多【1 9 1 。 这就需要运用空日j 分析的方法来模拟闸门在不同情况下运行时的应力情况。 另外，本课题是来自四川省水利水电勘测设计研究院的项目。 1 5 2 国内外研究现状 随着国民经济的飞速发展，各种大大小小的水电站不断兴建。闸门是水电站的重要 设施，也是典型的非标准设备。闸门是水工建筑物的重要组成部分，它的安全和适用， 在很大程度上影响着整个水工建筑物的运行效果。 闸门型式和尺寸的选择，主要考虑建筑物的运行要求；水力条件：设计、制造、安 装和启闭条件；经济合理性要求以及材料供应等条件。 闸门结构设计上是一个比较复杂的空问结构体系，国外较多使用电子计算机和结构 优化理论进行闸门选型和结构设计。我国目前仍采用结构力学按平面体系的设计方法， 这种方法简单，目前应用还非常普遍，对于中小型闸门按平面体系与空间体系设计其设 计状况与经济效果相差不大，但是对于大型闸门情形则相差较大。1 2 2 1 , 2 2 ，2 3 ，2 4 考虑到闸门的重要性，需要确保闸门的安全性，同时也要考虑经济效益。而作为一 个复杂的空间结构体系，其各部分的受力情况非常复杂。平面体系设计方法不能精确反 映空间体系的受力特点。为此必须对已经初步设计好的闸门进行空间结构分析。 随着计算机科技的飞速发展和有限元计算技术研究的突破，运用有限元理论对大型 结构物进行空间有限元分析已经成为可能。有限元法自从2 0 世纪中叶在电子计算机领 域诞生后，已经成为计算数学、计算力学和计算工程科学领域里的最有效的计算方法。 经过4 0 多年的发展，已经开发了一批有效的通用和专用有限元软件，著名的一些有 a n s y s 、i d e a s 、p a t r a n 、s a p 等。在众多的c a e 软件中，a n s y s 是最为通用的商业软 件之一。a n s y s 从7 0 年代至今，经过近3 0 年的发展，已经成为能够紧跟计算机软、 硬件发展的最新水平、功能丰富、用户界面友好、前后处理功能和图形功能完备的、使 用高效的有限元软件系统，在国内外享有良好声誉，并以获得了全球工业界的普遍认可， 目前全球7 0 以上的高校及研究单位采用a n s y s 作为分析软件。t 2 5 , 2 6 国内对于主梁和定轮的布置形式主要有以下三种： 1 ) 、主梁等荷载布置，根据具体要求调整主梁位置，尤其是底缘位置，在主梁中间 布置定轮。 2 ) 、主梁等荷载布置，根据具体要求调整主梁位置，尤其是底缘位置，在主梁端部 1 0 第一章绪论 布置轮架式定轮。 3 ) 、根据主梁等荷载布置公式在水压力中心线上布置定轮，在定轮之间布置主梁。 以上三种布置形式，主梁和支承的数目可能一一对应，也可能不同。对于第二种布 置，支承放在主梁后面，类似台车支承，门槽尺寸大，水力条件差，适用范围有限，只 适用于过槽水流流速较小的露顶门或电站引水隧洞进口的事故检修门。第一种布置形式 可以方便地布置简支轮或悬臂轮，且门槽尺寸小，水力条件好。但主梁荷载虽然符合等 荷原则，各支承荷载却相差较大，不是最佳结构。第三种布置方式目的是想达到支承等 荷载，但是定轮反力与闸门结构是相关的，对于深孔闸门，假设没有脱空现象，计算结 果与理论值相差不大，但对露顶闸门经过有限元分析计算发现定轮荷载并不均匀。 多主梁闸门主梁间距的布置通常采用等荷载法确定，其荷载计算方法有连续梁法， 近似取相邻间距和之半法及力矩法。这三种计算方法既有优点也有缺陷。按等荷原则 确定的主梁位置再按连续梁法，间距和之半法及力矩法计算出的每根主粱所受荷载并 不相等。从理论上讲，连续梁法更符合实际情况，但算法比较麻烦。相邻日j 距和之半 法是三中方法中最简单的，在工程实际中广泛使用。但这种方法对露顶门的第l ，2 主 梁的受载值与实际结果相差较大，并且计算出的主梁最大荷载比力矩法和连续梁法偏 小 2 7 1 。事实上根据规范1 5 】的修订说明，空间体系和平面体系的计算结果相差1 0 1 5 左右。 节间连接问题现在还没有公认的方法。许多需要有一定整体刚度的闸门都是采用 的刚性连接方式，这种过于保守的连接方式既影响了闸门整体应力分布，也使加工和 安装变得复杂，最重要的是由于闸门整体刚度过大，闸门在水压力不足的情况下很难 发生变形，从而使定轮更容易发生脱空现象。而完全柔性连接虽然可以很好的保证每 个滚轮与轨道的接触，避免产生脱空现象，但是由于门叶节间容易产生大变形，节间 止水由于摩擦大，容易被损坏。 1 5 3 课题提出的意义 本课题在理论上可以解决上述问题，特剐是探讨节| 日j 连接方式问题。连接形式直 接影响闸门受力情形和能否安全运行，如果采用刚性连接( 整体焊接或高强螺栓连接) 则虽然满足了闸门对整体刚度的要求，但是由于刚度太大，导致闸门很难发生微小变 形，从而很容易产生定轮脱空问题。如果采用柔性连接( 铰轴或焊接板连接) 虽然可 以很好的保证各轮与轨道的接触，但是对于某些对闸门整体刚度要求较高的情况，柔 性连接不能满足刚度要求。所以，节b j 连接方式应该根据具体要求确定，当定轮制作 精度较高时采用刚度大的连接，反之采用刚度小的连接。1 2 s 】综上可以知道对这方面的 研究有重要的实际意义。从研究中提出简单有效具有较高精度的计算方法，解决工程 中的计算问题，从而避免盲目设计计算，如果能解决这些问题那么本课题的研究成果 将处于国内领先地位。 河海大学工学硕士论文多定轮平面钢闸门结构分析 1 6 本文主要所做的工作 本文结合导师承接的四川省水利水电勘测设计研究院项目武都水库工程底孔 事故检修闸门结构数值分析，按照任务书的要求运用大型有限元计算软件a n s y s ，采 用三维有限元计算方法对平面多定轮钢闸门进行了数值计算，并开展了深入细致的研 究。具体有以下几个方面： ( 1 ) 对闸门设计规范中的露顶闸门以及三根主梁情形的深孔闸门中进行了主梁位 置的调整，调整后的闸门主梁完全符合等荷载布置原则； ( 2 ) 对多种平面钢闸门主梁的有限元建模方法进行了比较，得出了一种最能模拟 平面闸门主梁实际情况的有限元模型； ( 3 ) 对闸门整体结构进行有限元分析，计算出了最不利工况下闸门各部件的应力、 位移情况以及定轮荷载分布情况，从而验算了闸门结构的刚度和强度。最终给出了对原 设 计的评价和改进。 ( 4 ) 在各种工况下对闸门节间高强度螺栓连接方式进行了强度验证，发现在最不 利工况下原设计中的螺栓连接布置型式不能满足强度要求，通过对原螺栓连接布置型式 的多次改进并进行有限元分析计算，最终给出了一种合理的、满足强度要求的螺栓连接 布置型式； ( 5 ) 文章最后对大型闸门分节位置的选择进行了探讨，指明了选定分节位置的原 则，并提出了一种能较合理的确定分节位置的计算模型。 第二章平面闸门主横粱按等荷载布置时的位置表的修正 第二章平面闸门主横梁按等荷载布置时的位置表的修正 闸门结构是一个复杂的空间结构，因此在设计计算时无法直接按空间体系进行，而 是把它简化成一个一个平面体系分别进行设计，即使是采用有限元法，也只能进行校核 计算。虽然目前规范【9 】对采用平面体系还是空间体系设计没有作明确规定，但在实际 设计中主要还是按平面体系进行的。事实上，规范【9 】附录中的一些公式，如面板计算 公式就是按平面体系给出的。根据规范【5 】的修订说明，空间体系和平面体系的计算结 果相差1 0 - - 1 5 左右。这说明如果平面体系计算锯更准确、合理，还是具有很大的实 用意义。而在平面闸门的结构布置中，关键是主梁位置的确定。为此，本章对目前规范 中平面闸门主梁位置和主梁荷载的计算与有限元法的结果进行比较，并在满足底缘设计 要求的基础上，试图对规范【7 】中的闸门主横梁按等荷载原则布置时的位置表作修正， 使得按修正后的位置布置的主梁所承受的荷载尽量均匀，从而更合理、简便地进行闸门 的结构设计。 2 1 平面闸门主梁位置和主梁荷载的计算 主梁位置一般是按等荷原则确定的，具体方法有数解法和图解法【2 ，4 ，7 】。按等荷载原 则布置的主梁所受荷载认为相等。 按等荷原则布置的主梁，其主梁荷载具体计算方法有：连续梁法，即把单宽面板 作为支承在各主梁上的连续梁，其反力便是作用在主梁的荷载；相邻问距和之半法， 即以主梁为中心，上下两相邻距离一半范围内的水压力由主梁承担；力矩法，即将面 板划分成若干个支承在两相邻主梁上的简支梁，主粱相邻两简支梁的支反力之和即为主 梁荷载。但各梁荷载是否相等，误差多少，下面对此作一讨论，从中可看出这些方法的 优缺点。 如图2 1 ，主梁按所谓的等荷原则布置，则按等荷法，每根主梁所受的荷载为( 单 位宽度，下同) ： 旷号r 日2 ( 1 一鲁) 力 ( f = l 2 ”，n ) ( 2 - 1 ) 2 1 主粱布置图 河海大学工学硕士论文 多定轮平面钢闸门结构分析 式中，r 为容重，n 为主梁根数，a 、h 见图2 1 。 对于力矩法、相邻间距和之半法、连续梁法，通过编程作了详细