某大型防护门结构计算分析.pdf

笙墼术工j 匦悲拟够垃翟黝哙第尢次学和争喾论戈：集7 0 3———————————————————- ——————————————_ ————_ ———————————二二—= 二—二_ _ 二—二二—二_ 二——二_ —二⋯7 ⋯某大型防护门结构计算分析张亚栋1方秦1李忠平2 王全胜2 李浩1( 1 I 睥放军理工大学工程兵工程学院，南京，2 1 0 0 0 7 ；2 海军工程设计研究局，j E 京，1 0 0 0 7 0 )摘妥：本文采用有限元分析方法对某大型防护门在平时使用荷载作用下的受力及变形特征进行了计算分析计算结果表明，平时使用荷载作用下该防护门的内力主要是由自重引起的，启闭荷载等平时使用荷载对结构内力的影响很小；而有限的启闭力是引起结构翘曲变形的主要原因文中还分析了铰页及蘑菇头中的反力及摩阻力的变化特征，并讨论了其与类似结构的差别1防护门的基本结构及其计算方案某大型防护门结构形式为双扇对开的拱形门，基本结构采用高强钢包钢管混凝土拱与钢桁架组合的形式，如图l 所示与水工船闸的人字闸门仅有顶枢及底枢支承不同，本防护门由拱脚处沿高度方向均匀分布的1 0 个铰页及门底部的一个蘑菇头来支承。

纵截面上，门体内外表面为高强钢板组成的面板，中间为密排的圆钢管混凝土，内外面板之间由水平布置的隔板连接，钢管与面板、钢管与隔板、面板与隔板之间相互焊接，在钢管与面板、隔板之间的空隙中充填混凝土( 图2 ) o 门体内组合的空间桁架由5 榀竖向桁架和1 6 榀水平桁架组成，水平桁架与竖向桁架的下弦杆之间的区格内都加了斜撑桁架与门体之间也采用焊接方式连接图1 防护门结构图图2 防护门拱体截面构造形式本防护门拱体为一组合截面结构，构造复杂为有效进行有限元数值分析并尽可能准确地反映结构的实际构造情况，结合A N S Y S 有限元计算模型的建立对结构做了两个方面的简化处理：一是将内包钢管单独取出，看成是与钢包混凝土拱简单迭合的形式；二是忽略拱体中的横向隔板作用( 如此简化偏于安全) ，将其简化为钢包混凝土拱( 图3 ) o简化后的拱体可以采用A N S Y S 中的分层壳单元S H E L L 9 9 进行模拟，内衬桁架的钢管采用两节点的梁单元B E A M l 8 8 来模拟，内包钢管采用三节点的梁单元B E A M l 8 9 来模拟，而模拟拱体的壳单元与模拟钢管的梁单元通过共用节点的方式协同工作。

有限元模型中对活动铰页与轴销、蘑菇头上轴头与下轴头分别按设计尺寸建立了计算模型，如图4 所示为真实反映门轴与活动铰页之间的连接，轴销与活动铰页之间建立接触关系，轴销为目标面，用A N S Y S 的目标单元T A R G E l 7 0 模拟；活动铰页为接触面，用A N S Y S的接触单元C O N T A l 7 4 来模拟铰座采用S H E L L 9 3 壳单元进行离散，轴销按完全约束处理蘑菇头的上轴头与下轴头之间采用与铰页相同的接触方式来模拟，其中上轴头为接触面，下轴头为目标面蘑菇头的其它部分则进行了简化：上盖板简化为3 0 0 r a m 厚的钢板，肋板及背板简化为1 0 0 r a m 厚的钢板在建立有限元模型时，蘑菇头结构采用A N S Y S 的壳单元S F I E L L 9 3 进行离散，下轴头完全约束图3 拱体简化为钢包混凝土图4 蘑菇头、饺页及铰座的简化模型通过上述结构简化以后，所建立的有限元计算模型共划分了3 1 0 8 4 个单元、4 9 5 9 5 个节点其中拱体部分划分了7 7 4 7 个S H E L L 9 9 分层壳单歹改每个单元分7 层) 和7 6 8 7 个B E A M l 8 9梁单元，内衬桁架划分了4 0 4 4 个B E A M l 8 8 梁单元，铰页和蘑菇头共划分了1 5 6 4 个C O N T A l 7 4 接触单元和1 0 2 0 个T A R G E l 7 0 目标单元。

拱体和桁架部分单元的最大尺寸0 ．2 3 3 m ，铰页及蘑菇头部分单元尺寸不大于0 ．0 7 m 图5 为结构局部的有限元网格，材料参数列于表1 中 a ) 拱脚顶部( b ) 拱脚底部图5 结构局部的有限元网格中国±木I 程学会防护I 程分会第九次学术年会论文集7 0 , 5裹1 分析使用的构件及材料参数构件及材料弹性模量( P a )泊松比混凝土C 8 03 ．8 x 1 0 l oO ．2面板1 8 M n 2 C r M o B2 ．1 ×1 0 1 1O ．2 8隔板1 6 M n2 ．1 x 1 0 1 1O ．2 9内包钢管1 6 M n2 ．1 x 1 0 1 10 ．2 9桁槊Q r 2 3 52 ．1 x 1 0 “0 ．3斜撑Q 2 3 52 ．1 x 1 0 ¨0 ．3蘑菇头1 6 M n2 ．1 x 1 0 ¨O ．2 9采用无粘结的C o u l o m b 摩擦准贝Ⅱ来描述铰页及蘑菇头界面的摩擦行为，摩擦系数均取为0 ．1 结构按弹性小变形理论计算；采用A u g m e n t e dL a g r a n g e 接触算法，接触控制参数取为A N S Y S 建议的缺省值。

使用N e w t o n - R a p h s o n 迭代进行非线性方程互求解，用力和位移的第二范数控制收敛，允许误差均取0 ．0 0 1 本文首先通过计算确定了防护门的最小启闭力，然后对自重及启闭荷载作用下结构的变形及受力特征进行了讨论计算在配置2 个A M D2 0 0 0 + C P U 的工作站上完成，完成一次计算的典型时间为8 天本文对这些研究工作进行介绍，限于篇幅，仅讨论平时使用荷载作用下的情况，对于战时荷载作用下结构的动力响应问题将另文报道2 计算结果及其讨论2 ．1 最小启闭力的确定本防护门启闭力施加在门体顶部( 图6o 为准确模拟防护门的启闭过程，计算分两步实施：第一步施加重力荷载，进行计算以确定初始受力状态；第二步再分级施加启闭力，同时打开自动时间步长选项，每级荷载最大增量1 ．o t ，最小增量0 ．0 1 t ，计算防护门结构在启闭力作用下的响应当启闭力增大到某一值时，计算过程不稳定，表示门体开始转动，此时所施加的启闭力即为最小启闭力计算结果表明，在铰页及蘑菇头中的材料摩擦系数取为0 ．1 情况下，拉力增大到3 ．7 8 8 t时，铰页及蘑菇头由粘着状态变为滑动状态( 图8 ) ，防护门开始转动；推力增大到3 ．7 0 2 t时，铰页及蘑菇头由粘着状态变为滑动状态，防护门开始转动。

由此可见，最小闭门力为3 ．7 8 8 t ，最小启门力为3 ．7 0 2 t 图6 按压力施加的启闭荷载位置示意图图7 结构坐标系定义( 单位：m )( a ) 自重作用( b ) 3 ．7 8 8 t 拉力作用图8 铰页及蘑菇头的接触状态2 ．2 门体的变形与受力图9 一图1 0 分别为自重及3 ．7 8 8 t 闭门力作用下防护门X 方向和Y 方向的位移图可以看出，在自重及启闭荷载作用下，防护门结构发生了明显的翘曲变形自重作用下，防护门顶部向内翘，底部向外翘，门边顶、底部的位移值最大 a ) X 方向( b ) Y 方向图9 自重作用下结构的位移( 单位：m )——．中国土木I 程学会防护I 程分会第九次学术年会论文集7 0 7( a ) x 方向( b ) Y 方向图1 03 ．7 8 8 t 拉力作用下结构的位移( 单位：m )图1 1 一图1 2 和表2 分别给出了门边顶、底部位移以及顶底相对位移随启闭力的变化情况，其中x 方向的相对翘曲变形为正值、Y 方向的相对翘曲变形为负值表示防护门顶部向内翘可以看出，在关闭过程中随着闭门力的加大，结构位移持续增大，门边顶、底部的相对变形也持续增长但变化缓慢。

拉力达到3 ．7 8 8 t 时，Y 方向最大相对变形为．2 0 ．9 6 m m ，其中结构自重引起的翘曲变形为一1 0 ．7 9 m m ，所占比例达5 1 ．5 ％；拉力引起的翘曲变形为．1 0 ．1 7 m m ，占4 8 ．5 ％图l l门边顶部和底部位移随拉力的变化图1 2 门边顶部和底部位移随推力的变化表2 门边质部和底部的相对变形泳自重最小拉力最小推力变形方向＼n l mm mI 眦x 方向5 ．9 41 0 ．9 6O ．O lY 方向．1 0 ．7 9．2 0 ．9 6．0 ．0 6同时在开启过程中，随着启门力的加大结构位移也持续增大，由于启门力引起的结构翘曲与自重产生的结构翘曲方向相反，门边顶、底部的相对位移持续减小推力达到3 ．7 0 2 t时，Y 方向的翘曲变形达到最小为一0 ．0 6 m m ，其中由推力引起的翘曲变形为1 0 ．7 3 n u n ，刚好与自重作用下结构的翘曲变形数值接近相等上述分析表明，翘曲是防护门在自重及启闭荷载作用下的主要变形特征，尤其在关门时翘曲变形较大，对于两扇门体闭合时的准确对位不利，应采取在门边安装企口形的枕垫等措施加以防范。

图1 3 - 图1 4 分别为自重及3 ．7 0 2 t 推力作用下部分等效应力的计算结果从图中数据可以看出，在自重及启闭荷载作用下门体内的应力水平普遍很低，一般低于材料屈服强度的1 ／1 0 蘑菇头与铰座连接处个别地方虽有较高的应力集中，M i s e s 等效应力最大达1 5 6 M P a ，但也只达到材料屈服强度的4 5 ％，而且范围非常小同样的分析还表明，3 ．7 8 8 t 拉力作用下的应力计算结果与3 ．7 0 2 t 推力时非常相似这表明，在结构自重及最小启闭力作用下，防护门中的应力水平很低，结构工作在弹性阶段同时，上述计算结果也说明，结构中的应力主要是由防护门自重引起的，启闭荷载对结构中的应力影响很小 a ) 拱体( b ) 桁架图1 3自重作用下结构中的M i s e s 等效应力( 单位：M P a )( a ) 拱体( b ) 铰页图1 43 ．7 0 2 t 推力作用下结构中的M i s e s 等效应力( 单位：M P a )2 ．3 铰页及蘑菇头中的反力与扭矩在自重、3 ．7 8 8 t 闭门力及3 ．7 0 2 t 启门力作用下，铰页及蘑菇头中的总反力及其作用方向的计算结果示于图1 5 中，图中H 0 代表蘑菇头，H I —H 1 0 代表位置由低到高的每个铰页。

首先可以看到，蘑菇头中的反力比铰页中的大得多：自重作用下蘑菇头中的总反力达2 ．2 4 2 5 x l O i 6 N ( 2 2 4 ．2 5 t ) ，是铰页中总反力平均值2 ．5 2 3 6 x l O S N ( 2 5 ．2 4 t ) 的8 ．8 8 倍同时，1 0 个铰页中的反力也不均匀：从下往上第一个铰页中的总反力最大，达7 ．9 2 5 x 1 0 5 N ；第二中国土木I 程学会防护I 程分会第九次学术年会论文集7 0 9个次之，约为底部铰页中的一半；再往上第三铰页中的总反力最小，仅有几吨，为第一个铰页中总反力的六十分之一到十分之一；而最上面5 个铰页中的总反力相对比较均匀，平均在2 0 吨左右另一方面，由图中反力的作用方向变化首先可以看出，蘑菇头中的总反力基本上是推力，而铰页中的反力基本上是拉力而且，各铰页中的总反力作用方向并不一致，表明由于结构的翘曲，使得铰页有偏离各自初始位置的趋势，特别是下部3 个铰页中的反力作用方向与上部7 个中的反力作用方向差别很大，这是与平面形式的人字闸门很不相同的值得注意是的，图1 5 中不同启闭状态下总反力的对比表明，蘑菇头及铰页中的反力主要是由于结构自重所引起的，总体上启门力和闭门力对铰页中的总反力大小影响很小。

同时，除下部第3 个铰页外，启闭力对总反力作用方向的影响也很小 a ) 总反力( b ) 反力作用方向图1 5 不同情况下各铰页及蘑菇头中的总反力及其方向对比铰页与轴销、蘑菇头上轴头与下轴头之间的摩擦力将在铰页及蘑菇头中引起扭矩图1 6 为各铰页及蘑菇头中的扭矩随拉力( 闭门力) 的变化情况，可以看到，开始时铰页及蘑菇头的扭矩随拉力荷载的增大而增大，随后铰页中的扭矩变为常值而蘑菇头中的扭矩继续增加，当蘑菇头中的扭矩增大到一定值时，门体开始转动计算表明，开门时扭矩的变化规律与关门时完全相似，只是方向刚好相反自重、3 ．7 8 8 t 闭门力及3 ．7 0 2 t 启门力作用下，各铰页及蘑菇头中的扭矩列于表3 中表中同时列出了材料磨擦系数p - - O ．0 6 时，2 ．6 6 6 t 拉力( 闭门力) 作用下各铰页及蘑菇头中的扭矩计算结果可以看出，自重作用下蘑菇头及铰页中的扭矩有正有负，闭门力作用下全部为正而启门力作用下全部为负进一步分析发现，自重作用下蘑菇头及所有铰页中的扭矩之和为零7 j O( a ) 蘑菇头及铰页( b ) 铰页图1 6 各铰页及蘑菇头中的扭矩随拉力( 闭门力) 的变化表3 不同荷载作用下铰页及蘑菇头中的扭矩( N ．mJ铰页位置自重3 ．7 8 8 t 闭门力3 ．7 0 2 t 启门力2 ．6 6 6 t 闭门力H O1 ．4 9 3 x 1 0 42 ．9 6 6 > < 1 0 5．2 ．8 7 6 x 1 0 52 ．1 9 0 ×1 0 5H 17 ．8 1 6 x 1 0 32 ．3 3 4 x 1 0 4．2 ．5 5 2 x 1 0 41 ．3 1 0 x 1 0 4H 2．8 ．0 9 6 x 1 0 21 ．2 2 4 x 1 0 4．1 ．1 8 8 x 1 0 47 ．0 4 2 ×1 0 3H 3．1 ．6 6 4 ×1 0 32 ．0 7 0 ) < 1 0 3- 4 ．0 3 4 x 1 0 28 ．8 8 3 ) < 1 0 2H 4。

3 ．1 9 5 x 1 0 33 ．2 9 5 x 1 0 3．1 ．7 0 4 x 1 0 31 ．6 5 9 x 1 0 3H 5- 4 ．8 7 4 x 1 0 34 ．5 4 4 ×1 0 3．3 ．4 8 7 x 1 0 32 ．4 7 8 x 1 0 3H 6．5 ．8 9 0 x 1 0 35 ．5 2 3 x 1 0 3．4 ．7 4 9 x 1 0 33 ．0 7 5 x 1 0 3H 7．4 ．8 1 7 x 1 0 35 ．7 7 4 ×1 0 3- 5 ．6 0 6 ×1 0 33 ．3 1 0 x 1 0 3H 8．2 ．5 8 9 x 1 0 35 ．8 9 5 x 1 0 3．6 ．5 9 1 x 1 0 33 ．4 8 0 ×1 0 3H 9．7 ．2 8 9 x 1 0 25 ．0 6 5 x 1 0 3．6 ．8 7 0 x 1 0 33 ．1 4 4 x 1 0 3H 1 01 ．8 2 6 x 1 0 37 ．1 6 0 x 1 0 3．8 ．6 3 6 x 1 0 34 ．3 0 4 x 1 0 3从图1 6 及表3 中数据看到，与反力一样，蘑菇头及铰页中的扭矩也很不均匀，蘑菇头中的扭矩远大于铰页中的扭矩，而铰页中的扭矩也是底部两个最大，从下往上第三个中的扭矩最小，再往上以逐渐增大，最上部五个中的扭矩相对比较均匀。

这表明，蘑菇头中的摩阻力是决定防护门启闭力的主要因素，为减小启闭力，采用摩擦系数更小的蘑菇头材料是有效措施3 结束语本文对大型防护门结构进行了分析计算，通过建立有效的有限元分析模型与方法，研究了防护门在自重及启闭荷载作用下的变形及受力特征主要结论有：( 1 ) 计算表明，与平面形式的结构不同，对于目前设计的防护门，在自重及启闭荷载作用下均产生了翘曲变形，可采取在门边安装企口枕垫等措施加以防范；( 2 ) 在自重等平时使用荷载作用下，防护门结构的变形不大，结构内的应力水平很低，远低于材料的弹性极限，而且结构内力主要是由防护门的自重引起的，启闭力等平时作用荷中国±木I 程学会防护I 程分会第九次学术年会论文集7 1 1载对结构内力及铰页与蘑菇头中的反力影响很小但由于结构翘曲，造成蘑菇头及铰页中的反力作用方向变化很大，这与通常的平板形式的结构不同；( 3 ) 蘑菇头及铰页中的扭矩主要随门的启、闭状态的不同而变化，并与启闭荷载有关，因此铰页的强度设计须考虑不同启闭状态时的反力组合；( 4 ) 蘑菇头中的摩阻力是决定启闭荷载的主要因素，采用摩擦系数更小的蘑菇头材料是降低启闭力的有效措施；( 5 ) 以上防护门的变形及受力的分析结果表明了该防护门结构设计基本合理，可作为大型防护工程的防护门基本形式使用。

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