支臂纵向连接系形式对弧形闸门的稳定性分析

水工钢闸门是水工建筑物中的最主要挡水结构，在水利水电工程中发挥着十分重要的作用。其中弧形闸门因施工难度低、控制水流量高效和工作时所需启闭力较小等优点，在水利水电工程中被广泛地应用[1]。由于闸门的重要性、应用的广泛性以及事故所产生的危害性，弧形闸门的安全运行一直都是人们所关注的问题之一。

综合分析弧形闸门所发生的事故可以发现，事故大多是由弧形闸门的支臂失稳造成的，故国内学者对弧形闸门支臂的相关研究也较多。张全利利用ANSYS探究支臂水平支撑的不同结构形式对闸门自振频率的影响[2]；丁峰等引用工程实例，探究不同参数对闸门支臂临界屈曲荷载的影响[3]；张维杰等通过水力学实验以及有限元分析，系统研究了深孔弧形闸门静动力特性，揭示了闸门的流激振动现象[4]。然而目前设计人员基本是凭借其经验以及参考与之类似的工程实例来设计弧形闸门支臂的，对于支臂纵向连接系是否需要以及如何布置，现行的水工金属结构相关方面的设计规范并没有给出明确的规定。故本文结合某水库工程实例，利用ANSYS软件对不同支臂纵向连接系的布置形式进行有限元计算，得出它对弧形闸门稳定性的影响。

实习后期的主要压力源来自就业。实习后期，实习护生在应对日益繁重的实习任务之余，还需为未来做准备。当前就业的供需矛盾及部分护生过高的就业期望，使许多实习护生精疲力竭(“才发现护理专业也不是我们想象中那样好就业”[2]，“竞争那么激烈，找个编内工作实在太难了”[6])。

1 工程实例

本文以某水库溢洪道露顶式弧形闸门为研究对象。闸门孔口尺寸为12 m×7 m(宽度×高度)，面板半径为13 m，支铰中心高程为298.5 m，底槛高程为290 m，设计水头为7 m，起吊中心为7.5 m。该闸门采用主横梁同层布置，带悬杆的直臂π型主框架结构。主横梁、纵梁和支臂均为工字型组合梁；主横梁共2根，自上而下编号为1～2号；小横梁(含顶、底梁)共7根，自上而下编号为1～7号，2～6号小横梁为20 a号槽钢，顶梁、底梁均为24 a号槽钢；纵梁(含边柱)共7根，自左至右编号为1～7号，其中边柱为40号工字钢，2～6号纵梁为工字型组合梁。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

钢闸门是一种复杂的空间薄壁结构体系，在ANSYS建模时需选用不同的单元来模拟。闸门的主要构件采用板壳单元SHELL63模拟，支铰采用实体单元SOLID45模拟[5]。结合在工程中常见的6种支臂纵向连接系的布置形式，分别建立与之对应的有限元模型[6]，如图1所示。定义模型中X方向为水流方向，Y方向为水平沿主横梁方向，Z方向为铅直方向。

图1 弧形钢闸门有限元模型
Fig.1 Finite element models of steel arch-gate

对6种模型分别进行网格划分，在重点位置(主横梁和支臂交界区域、支铰位置等)细化网格，保证计算的较高精度。现将6种模型的节点数和单元数记录于表1中。

“哎，别给你们一点自由，你们就信马由缰！”马国平咽回笑意，故作严肃地道，“说是说，笑是笑，你们一个个的要是败坏了军中铁的纪律，轻则遣送回乡，重则上军事法庭，最严重的，还要——”直到所有官兵的目光，都专注在自己身上了，马国平才做了一个杀头的姿势，“咔嚓！不光荣在战场上，却光荣在情场上，背一辈子黑锅，做一辈子缩头乌龟，你们愿意吗？”

表1 6种闸门模型单元节点数目
Tab.1 Numbers of nodes of six gate models

模型节点单元模型节点单元Ⅰ6186361567Ⅳ6342262971Ⅱ6187261578Ⅴ6439363907Ⅲ6273862357Ⅵ5933359227

2.2 材料的特性

根据实际工程的设计图纸资料，该弧形闸门所采用的材料为Q235钢，材料的参数特性为：弹性模量E=2.06×105 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。材料的容许应力需要结合钢材的厚度、闸门的重要程度以及在役年限等情况乘以相对应的系数来进行一定的调整[7-9]。由于该弧形闸门构件的厚度均小于16 mm，故经过调整后的容许折算应力值[σ]=152 MPa。

2.3 约束和荷载的施加

弧形闸门在支铰轴处受来自X，Y，Z方向的位移约束，以及来自绕X轴和Y轴的转动约束，底槛受到来自Y方向的位移约束[10]。由于闸门为对称结构且尺寸较大，为了便于建模，先建立了1/2的闸门模型，再采用镜像操作得到完整的弧形闸门模型,在闸门跨中的截面处施加对称约束。

由于弧形闸门在运行过程中受到的荷载较多，故本文在有限元分析时主要考虑闸门自重和静水压力的作用。计算工况为：设计水头7 m，上游水位297 m，下游无水(底槛高程为290 m)。

3 有限元静力特性分析

3.1 结构应力的计算结果与分析

3.1.1 面板

不同支臂纵向连接系的弧形闸门面板最大折算应力值如表2所示。可见，各个模型的闸门面板折算应力均小于面板的折算应力容许值(1.1α[σ]=1.1×1.5×152=250.8 MPa)。折算应力分布较为均匀，不存在应力集中现象。此外，最大折算应力均出现在由1号纵梁、2号纵梁、5号小横梁和6号小横梁围成的梁格靠近支臂的区域，而且6种闸门最大折算应力之间相差较小，最大相差为0.865%。由此可知，不同支臂纵向连接系的布置形式对弧形闸门面板影响较小。

表2 面板最大折算应力对比
Tab.2 Maximum conversion stress of panels MPa

模型应力差值模型应力差值Ⅰ102.690Ⅳ102.810.12Ⅱ103.020.33Ⅴ102.690Ⅲ103.580.89Ⅵ103.530.84

3.1.2 主横梁

至鬻熊知道，而文王谘询，馀文遗事，录为《鬻子》。子自肇始，莫先于兹。及伯阳识礼，而仲尼访问，爰序道德，以冠百氏。然则鬻惟文友，李实孔师，圣贤并世，而经子异流矣。[注]范文澜：《文心雕龙注》，第308页。

不同支臂纵向连接系的弧形闸门主横梁最大折算应力如表3所示。可见，模型Ⅵ的上主梁和下主梁折算应力最大，但并未超过折算应力容许值，满足强度条件。闸门的上下主梁折算应力分布规律基本一致，均呈对称分布，在主梁跨中区域、主梁和支臂的连接处较大，最大折算应力均是出现在主梁腹板与支臂腹板连接处。除主梁与支臂连接处，主梁其他区域折算应力分布及大小基本相同。但是6号闸门上主梁与上支臂的连接处区域产生了较大的应力，存在安全隐患。

表3 主横梁最大折算应力对比
Tab.3 Maximum conversion stress of main beams MPa

模型上主梁下主梁模型上主梁下主梁Ⅰ129.99122.29Ⅳ135.43121.05Ⅱ138.79125.77Ⅴ132.09120.57Ⅲ125.71124.06Ⅵ165.48126.57

3.1.3 纵 梁

一个疗程的治疗，二十五次的放疗，意味着英需要在医院呆一个多月。这个漫长而痛苦的治疗过程，是英没有预知的。丈夫拖着一把老骨头，从村庄来到省城，来到英的身边。

不同支臂纵向连接系的弧形闸门纵梁最大折算应力如表4所示。可见，模型Ⅲ存在应力集中现象，最大折算应力超出了折算应力容许值。考虑到实际工程中存在的焊缝未焊透、腐蚀等因素，此处实际的折算应力会更大，存在安全隐患。

表4 纵梁最大折算应力对比
Tab.4 Maximum conversion stress
of longitudinal beams MPa

模型纵梁模型纵梁模型纵梁Ⅰ71.43Ⅲ184.85Ⅴ71.37Ⅱ77.22Ⅳ98.53Ⅵ129.25

所有闸门纵梁的最大折算应力分布点有3处：① 2号纵梁腹板与6号小横梁连接处，此处因为高度低,承受自面板传来的水压力较大，加上与小横梁相交接，受到来自小横梁的挤压应力；② 2号纵梁和上支臂的连接处，此处因为要将来自梁格的压力传递至支臂，受到的应力比较集中；③ 闸门Ⅲ的2号纵梁后翼缘和两根支臂腹杆三者的交汇点，此处接触面积小，受力较复杂。

3.1.4 边 梁

综上所述,本地区疾病预防控制机构水质检测能力相对较为薄弱,而造成这一现象的主要原因是由于仪器设备没有能够达到标准要求,从而使得部分工作受到了局限;此外,工作人员的数量配备与综合素养也是水质检测中的一项重要内容,需要加以重视。

6种闸门模型的边梁最大折算应力值，如表5所示。可见，6种闸门模型最大折算应力变化幅度较小，且均小于边梁的折算应力容许值(1.1[σ]=1.1×152=167.2 MPa)，满足强度条件。

表5 边梁最大折算应力对比
Tab.5 Maximum conversion stress of edge beams MPa

模型应力模型应力模型应力Ⅰ60.21Ⅲ61.59Ⅴ60.13Ⅱ60.38Ⅳ60.16Ⅵ60.30

6种闸门模型的最大折算应力均出现在边梁腹板和6号小横梁交界区域，纵梁与主横梁连接部分也出现较大应力，各闸门的应力分布规律趋势基本相同。由此得出，不同支臂纵向连接系的布置形式对弧形闸门的边梁折算应力影响较小。

运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标，计算机的运算速度主要取决于中央处理器，而计算机的主板和芯片组对于计算机的运算速度也起到一定的限制的作用。中央处理器性能越好，主板和芯片组的质量越好，计算机的运算速度越快。计算机运算速度对于计算机数据处理、科学运算等都有很大影响[1]。

3.1.5 支 臂

6种闸门模型的支臂最大折算应力值，如表6所示。可见，闸门Ⅰ、Ⅴ的最大折算应力和折算应力容许值167.2 MPa很接近，其余闸门最大折算应力均超出容许值，故其余模型不满足强度条件。

“田同志啊，来新疆支边很光荣，特别是能分到我们555团下的五连，更光荣。要把这儿当永远的家。你呢，年龄也正适合成家，我们考虑，你和杨连长近期就把婚事办了。现在给半天时间你们谈谈，没我的命令，谁都不许撤退。”田志芳第一次见刀营长，他和向阳花并排坐在一起，如何看都像父女，只有他俩交换眼神时，才像夫妻。

各个闸门支臂的最大折算应力均出现在上下支臂和支铰连接处附近，竖直弦杆与上下支臂连接处折算应力较大，其余部位折算应力较小。为了进一步探究折算应力对支臂的影响，在支臂上选择特殊样点来比较其折算应力。选取的样点位置如图2所示。

表6 支臂最大折算应力对比
Tab.6 Maximum conversion stress of support arms MPa

模型应力模型应力模型应力Ⅰ164.36Ⅲ170.25Ⅴ166.30Ⅱ179.64Ⅳ175.82Ⅵ329.29

图2 闸门支臂样点位置分布
Fig.2 Position of gate support arm sample points

令两支臂间的弦杆从左至右分别记作弦杆1～4，则7个样点的具体位置为：样点1，上支臂腹板与弦杆1腹板交界的中心；样点2，上支臂腹板与弦杆3腹板交界的中心；样点3，下支臂腹板与弦杆2腹板交界的中心；样点4，下支臂腹板与弦杆4腹板交界的中心；样点5，弦杆1腹板的中心；样点6，弦杆2腹板的中心；样点7，弦杆3腹板的中心。弧形闸门样点的折算应力记录见表7。

表7 闸门支臂样点折算应力对比
Tab.7 Maximum conversion stress
of support arms sample points MPa

模型样点1样点2样点3样点4样点5样点6样点7Ⅰ55.6649.4437.9229.1411.8910.0710.30Ⅱ48.7958.5745.9838.7920.3710.8810.72Ⅲ60.6751.6542.9837.0313.1711.3915.22Ⅳ51.2457.7341.0429.2818.5316.3416.88Ⅴ46.7646.7141.2235.0015.3120.6921.92Ⅵ58.4553.9543.2648.4612.985.444.49

(1) 比较两组样点1和3与2和4，发现对于所有闸门模型的折算应力都是样点1>样点3，样点2>样点4，说明总体而言，上支臂承受的荷载大于下支臂。

(2) 比较样点5～7，折算应力差值从小到大分别为Ⅰ<Ⅳ<Ⅲ<Ⅴ<Ⅵ<Ⅱ，弦杆折算应力差值越大，说明上下支臂所受的荷载越不均衡。

如何防范并治理上市公司财务舞弊，提高上市公司财务报告质量？独立的审计委员会发挥着重要的作用。2001年《上市公司治理准则》规定凡上市公司设立审计委员会的，审计委员会中独立董事的比例应当在1/2 以上；2012年《证券公司治理准则》中也有类似的规定；2002年美国《萨班斯-奥克斯利法案》第301节中也明确要求，审计委员会成员应全部为独立董事。基于此，本文通过梳理审计委员会独立性度量及其与财务报告质量的文献，了解学者们对审计委员会独立性的研究现状，并在此基础上寻找完善审计委员会独立性，识别真正独立的审计委员会成员，进一步提升上市公司财务报告质量的新途径。

(3) 结合支臂最大折算应力的分析可知，模型Ⅰ的支臂最大折算应力最小且支臂弦杆的折算应力较小，应力分布均衡，强度优于其它几种闸门；模型Ⅱ的最大折算应力是除闸门Ⅵ之外最大的，且支臂弦杆间的应力变化比较大，其强度较低；模型Ⅵ的支臂弦杆间的应力变化比较大，上下支臂的荷载分布不均衡，结合上文的折算应力分析，说明模型Ⅵ可能存在结构方面的问题。

3.2 变形计算结果对比分析

由各类弧形闸门事故统计分析，事故原因主要是支臂失稳或弯曲，故本文在分析时主要考虑支臂部分的变形。支臂变形如图3所示。

图3 闸门支臂形变云图(单位：mm)
Fig.3 Cloud diagram of gate support
arms deformation(unit:mm)

表8 闸门支臂最大挠度对比
Tab.8 Comparison of maximum deflection of gate support arms

MPa

模型上支臂下支臂弦杆模型上支臂下支臂弦杆Ⅰ5.1015.1295.046Ⅳ6.0156.3626.034Ⅱ6.3006.6606.137Ⅴ5.3386.5175.205Ⅲ5.5165.8015.578Ⅵ36.74237.91237.359

(1) 6种闸门支臂的变形大体趋势基本相同：上下支臂都是向下凹陷，越靠近支铰处变形挠度越大，除了闸门Ⅵ最大挠度出现在下支臂腹板与4号弦杆腹板的连接区域外，其它闸门的最大挠度均出现在下支臂与支铰的连接处区域。

(2) 与其它闸门相比，闸门Ⅵ支臂最大挠度有着显著的增加，其上支臂最大挠度较闸门Ⅰ～Ⅴ上支臂最大挠度的平均值(5.654 mm)增幅达549.8%；下支臂较闸门Ⅰ～Ⅴ下支臂最大挠度的平均值(6.094 mm)增幅达522.1%；弦杆较闸门Ⅰ～Ⅴ弦杆最大挠度的平均值(5.600 mm)增幅达567.1%。三者增幅均在500%以上，再结合闸门支臂最大折算应力的分析，可知闸门Ⅵ支臂可能处于塑性变形阶段。

针对不同类型的地基展开不同的设计和施工方法，在施工之前要采取相关的措施对地基进行处理，例如，针对陕西地区的黄土土质，相关人员在施工之前应该对其展开压实工作，巩固地基，对于湿陷性黄土地基，就应该采用换填法、拌合法、砂桩挤密法以及砂砾垫层法进行处理。

(3) 在闸门Ⅰ～Ⅴ中，闸门Ⅱ的支臂和弦杆的变形挠度都是最大的，说明闸门Ⅱ的刚度低于其它4种闸门。结合支臂折算应力分析的闸门Ⅱ的强度也比较低，说明对于此种弧形闸门的设计，支臂Ⅱ并不是最佳选择。

(4) 比较同一闸门的上下支臂的最大挠度差值，闸门Ⅴ的上下支臂最大挠度差值最大，说明支臂纵向连接系的结构复杂度与支臂的刚度没有直接联系。

同时在网站逐渐建设的过程中,存在着资金严重浪费的现象,如大部分二级单位，都是请网络公司开发网站，并自行购买服务器,造成服务器种类多，分布散的现象。服务器性能并不能完全发挥，即造成了大量资金浪费，又造成了服务器重要资源闲置。

4 有限元动力特性分析

当弧形闸门工作时，作用在闸门上面的水动力荷载具备随机的特性，闸门结构振动的响应取决于这些荷载的特性[11-13]。当闸门止水产生的自激振动频率与闸门结构的某一阶固有频率大小相同或者接近时，闸门产生共振现象，此时闸门很容易出现事故[14-16]。

目前在分析闸门动力特性时，一般采用软件计算出闸门的固有频率和振型。通过比较闸门的固有频率和水体的频率分布来确定闸门是否有可能发生共振；通过比较闸门的振型变化来确定闸门的易振部位，以便进行校核优化[17]。因此在闸门动力特性分析的过程中，通常以闸门的固有频率和振型作为主要的研究对象。

4.1 振频分析

通过有限元模态分析计算可以得到闸门模型前七阶的固有频率，如表9所示。

表9 闸门前七阶固有频率表
Tab.9 The first seven natural frequencies of radial gate Hz

模型一阶二阶三阶四阶五阶六阶七阶Ⅰ0.1120.1390.1770.2290.2460.2940.312Ⅱ0.1120.1380.1770.2290.2460.2940.312Ⅲ0.1120.2790.2840.2890.3120.3150.335Ⅳ0.1120.2100.2270.2580.2670.2950.298Ⅴ0.1120.1380.1390.1770.1770.2290.229Ⅵ0.1120.2080.2460.3120.3820.4100.474

(1) 各闸门的固有频率较低，前七阶的固有频率在0～1 Hz之间。结合相关的闸门统计和模型试验资料可知，水流的脉动比较复杂，但数据进行统计可知水流脉动频率大致的分布规律，水流主频在1～10 Hz的占总体的48.5%，在10～20 Hz的占总体的44.5%，大于20 Hz的仅为极少数[18]。6种闸门模型的基频均在0.112 Hz左右，因此该闸门关闭时发生共振的可能性较小，但不排除在风力和波浪等影响下，闸门发生共振。

(2) 由频率表可知，随着6种闸门模型的模态阶数的增加，其整体的固有频率也随之增大。

4.2 振型分析

通过有限元模态分析，不仅可以得到闸门的固有频率，而且可以得到闸门的各阶振型，从振型图可以更方便地观察闸门的振动情况和位移量。考虑到本文选取模型较多，故本文选取模型Ⅰ作为分析重点，其余模型作为参考，结果见图4和表10。为便于描述振型，将纵向连接系从左至右分别表示为腹杆1～4号，支臂间弦杆表示为弦杆1～4号。

图4 闸门Ⅰ前十阶振型
Fig.4 First ten vibration modes of gate I

通过观察所有的振型图，发现闸门的振动复杂，振动的类型较多，既存在整体的振动，又存在部件的振动；既存在单个类型的振动，又存在多个振动类型的叠加；既存在弯曲又存在扭转。在所有部件中，支臂是易振部位，分析结果和实际工程相符。

表10 闸门Ⅰ前十阶振型描述
Tab.10 Description of first ten vibration modes of gate I MPa

阶数最大变形量/mm振型描述10.136042悬臂侧向弯曲振动20.1368291号腹杆侧向弯曲振动30.1456892号腹杆侧向弯曲振动40.155753号腹杆侧向弯曲振动50.1584361号弦杆侧向弯曲振动60.1659864号腹杆侧向弯曲振动70.142469悬臂绕其跨中线扭转振动80.1314171号腹杆绕其跨中线扭转振动90.1774322号弦杆侧向弯曲振动100.026254面板径向弯曲,支臂切向弯曲

5 结 语

不同支臂纵向连接系的布置形式对面板、主横梁、纵梁和边梁的稳定性影响较小，对闸门支臂的应力和应变影响较大。在6种模型中，A字型支臂布置结构存在一定程度的应力集中现象，其变形幅度远超其他模型，在大跨度、大半径弧形闸门应用中应慎重选用。同时分析发现纵向连接系的布置形式对闸门的动力特性影响较小，在闸门关闭时发生共振的可能性较低，但支臂依旧是弧形闸门易发生振动的部位，进行弧形闸门的设计和检验中，支臂都应该受到重点关注。

参考文献：

[1] 杨逢尧. 水工金属结构[M].北京：中国水利水电出版社, 2005.

[2] 张全利.弧形钢闸门支臂水平撑结构形式的分析研究[J]. 吉林水利, 2014(1): 9-11，14.

[3] 丁峰, 曹海瑞, 周胜. 基于ANSYS的弧形闸门支臂屈曲分析研究[J]. 水利水电技术, 2016, 47(2): 119-122，127.

[4] 张维杰, 严根华, 陈发展, 等. 深孔弧形闸门静动力特性及流激振动[J]. 水利水运工程学报学报, 2016(2): 111-119.

[5] 冀芳, 李岗. 基于ANSYS软件的弧形钢闸门三维有限元分析[J]. 制造业自动化, 2015(6): 39-41.

[6] 冷涛, 张先员. 基于三维有限元的弧形闸门安全稳定性分析[J]. 人民长江, 2016(9):63-66.

[7] 中华人民共和国水利部. SL74-2013 水利水电工程钢闸门设计规范[S]. 北京:中国水利水电出版社, 2013.

[8] 张汉云, 张燎军, 田宏吉, 等. 主纵梁弧形闸门锈蚀后工作性态研究[J]. 水利水电技术, 2016(12): 78-81.

[9] 王超, 黄铭. 考虑锈蚀形态的弧形闸门有限元分析[J]. 水力发电, 2016(4): 72-76.

[10] 卜现港, 夏仕锋. 三维有限元法在钢闸门安全检测中的应用[J]. 中国农村水利水电, 2005(11):54-56.

[11] 刘亚坤, 倪汉根, 叶子青, 等. 水工弧形闸门流激振动分析[J]. 大连理工大学学报, 2005(5): 730-734.

[12] 李火坤. 弧形闸门流激振动特性及其结构优化研究[D].天津：天津大学, 2004.

[13] 盛旭军, 胡木生, 张兵, 等. 弧形闸门流激振动原型观测试验技术研究[J]. 水利技术监督, 2016(1): 7-11.

[14] 胡木生, 杨志泽, 张兵, 等. 蜀河水电站弧形闸门原型观测试验研究[J]. 水力发电学报, 2016(2): 90-100.

[15] 赵兰浩, 骆鹏. 大型水工弧形钢闸门流激振动物理模型-数值模型计算分析[J]. 水电能源科学, 2017(12): 173-177.

[16] 王旭声, 孙留颖, 张鹏. 基于ANSYS的弧形闸门三维有限元分析[J]. 河南科技, 2018(1): 26-29.

[17] 刘鹏鹏, 郑圣义. 某箱型结构弧形闸门自振特性的有限元分析[J]. 机械制造与自动化, 2013, 42(4): 172-174.

[18] 邱德修, 朱召泉, 邱琳. 弧形钢闸门流固耦合自振特性分析[J]. 广东水利水电, 2010(1): 10-12.