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高水头弧形钢闸门三维有限元分析

郑克红  
【摘要】:小湾底孔弧形工作闸门,是目前国内外设计水头最高、荷载最大的弧形工作闸门。小湾水电站是一个工程规模大、技术高的工程,按现行闸门设计规范设计出来的闸门,忽略了结构的整体性及弧形钢闸门的空间结构特点,闸门在一些地方设计可能过于保守,而在一些关键部位安全裕度或许又不够,不能真实评价象小湾这种高水头的弧形闸门的安全度,因为这种高水头的弧形闸门刚度较大,结构的节点效应和空间效应很强。为了保障小湾底孔工作弧门的安全、可靠运行,本文对设计单位所设计的弧形闸门建立了空间结构有限元仿真模型,进行了空间结构的应力、变形有限元计算,从而为合理评价弧形闸门的工作性能和安全度提供了依据。 对于小湾底孔弧形闸门这样的高水头深孔弧形闸门,由于其支臂比较长,设计单位为了增加支臂的稳定性和横、竖向刚度,而在支臂间设置了横向、竖向联接系,但又考虑到增加联接系,会耗费大量的钢材,增加投资,增加闸门的启闭力,而且对闸门的焊接、运输、组装带来一定的不便,所以需要验证联接系对整个闸门强度、刚度的影响。通过对比分析在支臂间设置联接系与不设置联接系两种计算结果,得出小湾底孔弧形闸门在支臂间设置联接系的合理性和必要性。 支铰是弧形闸门的转动中枢,又是它的重要承载部件。弧门支铰按其结构型式分为:圆柱铰、圆锥铰和球铰。由于圆柱铰结构简单,其制造、安装比较方便,所以设计中所选用的支铰型式为圆柱铰,本文用空间六面体八节点等参单元对支铰进行离散,并运用三维薄层单元来模拟支铰处只传法向压应力,不传法向拉应力和切向应力的特性,计算出支铰的应力、位移。从计算成果可以看出应力、位移规律的合理性。同时又由于支铰尺寸比较大,本文对支铰尺寸进行对比分析,计算出不同尺寸所对应的支铰应力和位移,为设计单位进行尺寸优化提供了理论依据。 由于目前国内没有相关的设计规范对这种高水头大型弧形闸门的螺栓承载力进行计算校核,本文运用指定截面有限元内力求解法求出螺栓连接部位的内力,然后根据钢结构螺栓连接计算方法对螺栓进行承载力计算,结果证明设计过程中螺栓的布置是比较合理的,并为设计单位提供了依据。


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