水电工程大型弧形闸门结构稳定性研究
摘要 弧形闸门在水电工程中获得了广泛的应用，弧门设计、制造及安装水平逐步提高，对大型弧形闸门的研究也逐步深入。本文以国内某水电站溢洪道大型弧形闸门为研究背景，通过建立空间三维有限元模型分析了闸门结构在各种运行工况下的静、动力响应，验证了闸门设计的合理性，同时并闸门附属构件设计提供了指导意见。
关键词 大型弧形闸门；三维有限元模型；静、动力响应 1 研究背景
某水电站泄水建筑物采用岸边开敞式溢洪道，其堰顶设置弧形工作闸门进行挡水及控制开度进行泄洪，弧形闸门设计水头21.2m，门体尺寸为1 521.5m（宽高），属于大型弧形闸门。闸门底槛高程1 834.80m，支铰高程1 855.20m，面板弧面半径22m，支铰间距13.0m，吊耳布置在下主梁的两端，吊点距离13.7m。弧门采用23 600kN后拉式液压启闭机操作，为增加闸门的刚度和整体性，弧门梁系采用实腹式齐平连接。
该弧形闸门在结构上按双主横梁斜支臂布置，门体尺寸较大，支铰中心高程较高，弧面曲率半径较大，且需要在淹没的条件下进行全开、全关及局部开启运行。目前弧形闸门的设计通常采用平面假定体系，而弧形闸门本身是一个复杂的空间结构，其实际受力状态与平面假定的计算结果有一定的偏差，因此有必要对弧形闸门做三维结构分析，为弧形闸门设计提供依据，力求闸门结构设计科学、合理、安全、经济。
2 弧门构件材料及容许应力
弧门板材为Q345C，型钢采用Q235B，铰链和铰座为ZG310-570，支铰轴为40Cr，侧止水采用L型水封橡皮，底止水采用I142-20型水封橡皮，水封橡皮材质均为SF6674橡胶。钢材弹性模量，泊松比，质量密度；闸墩弹性模量，泊松比，质量密度。
按《水利水电工程钢闸门设计规范（DL/T5013-95）》，闸门构件容许应力见表1。
3 研究方法
采用三维有限元法对弧门结构在各种运行工况下的响应进行计算分析，按应力标准对各构件的稳定状况进行评价。该弧门有限元模型是由板壳单元、梁单元、3D实体单元及接触单元联结组成的空间体系。有限元网格图如图1。
弧门质量共295t，其中不包括启闭杆、支铰部位的质量。
边界约束处理方面：为模拟侧水封与闸墩间的摩擦效应，取闸墩厚度为10倍的止水厚度，且水封与闸墩内侧做接触处理，接触面摩擦系数0.5，闸墩外边界采用全约束处理（即不发生三方向位移）；为实现启闭门时的临界状态，在弧门底部与堰顶间做接触处理，接触面摩擦系数0.5；支铰与转轴间同样按接触处理，接触面摩擦系数0.15，支铰两侧采用全约束处理；启闭杆顶部及启闭杆与吊耳间采用约束函数处理，即约束节点三方向位移，但同时可以旋转。
分析中考虑的荷载有为弧门面板及侧水封上的水压力、弧门自重及启闭过程中的启闭力。弧门启门力为使弧门开启，液压启闭机作用在启闭杆上的拉力。在启门瞬时工况中，启门力即为使弧门底部与堰顶接触面间接触力处于零时的临界状态下启闭杆作用力，对于本工程，此时启门力最大，启闭机设计容量可参考此
