07.9.21水工钢闸门轨道与基础混凝土接触压应力研究

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1、大型水工钢闸门轨道与基础混凝土接触问题分析（导师建议加上大型，说这是特色，但我与好多老师交流时都说加上大型会限制适用范围）白润波曹平周曹茂森摘要：水工钢闸门轨道底板与基础混凝土间接触力学行为，是决定轨道和基础混凝土内力、尺寸的关键因素。然而，现有轨道－基础砼接触问题的研究不够系统深入。本文以大型平面钢闸门轮轨支承体系为对象，基于三维接触有限元数值实验和现有模型实验数据，分析轨道截面尺寸、基础混凝土厚度和其强度等级等对轨道－基础砼接触压应力的影响效应。研究成果揭示出：1）轨道－基础砼接触压应力在轨道长度、宽度方向上呈现出中间大、两边小的二角帽曲面形状分布形态；2）

2、轨道后基础混凝土厚度取大于2倍轨道高度时轨道应力状态已趋于稳定，为混凝土厚度取为无限大对轨道进行分析提供了依据；3）鉴于压应力从轨道腹板传到底板，扩散范围有限，提出tw+3hl为底板宽度的优化取值，其可使压应力扩散较为充分而又不存在过多的小应力区。此外，考虑轨道高度和轨道底板宽度对减小混凝土最大压应力的不同贡献，且计及混凝土不同弹性模量时的影响，提出了计算轨道底板混凝土承压应力的设计建议。关键词：压应力；轨道；基础混凝土；接触1引言滚动式支承行走装置是大型水工钢闸门常采用的支承形式，它在保证闸门正常启闭运行中发挥着重要的作用。其中轨道底板与基础混凝土间接触压应力

3、（以下简称轨－砼接触压应力）的大小和分布是决定轨道和基础混凝土内力乃至尺寸的关键因素，研究轨－砼接触压应力分布规律，对合理进行轨道和基础混凝土设计具有重要意义。目前，对轨－砼接触压应力的计算，归纳起来大致有三种方法。第一种是基于各种简化模型的解析方法[1-3]，如倒梁法、Winkler地基上弹性梁法、弹性半空间无限体上弹性梁法等；第二种是借助于计算机的数值解法[4-5]，如有限元法、有限差分法等；第三种是针对具体水利工程采用物理试验的方法[6-7]。解析方法需作较多的简化处理，往往与真实解偏差较大，有时计算起来也很困难。（导师建议删掉，但删掉后参考文献就所剩无几

4、了）轨－砼接触应力涉及水工钢闸门的滚轮、轨道、基础混凝土组成的支承体系，影响因素复杂，对此进行的数值模拟和物理试验都很少，对其分布规律的认识还不充分，有必要作进一步的研究。鉴于有限元法有计算精度高、经济快捷、可定量对比的优点，本文采用有限元分析程序ANSYS，用三维接触技术对平面钢闸门轮轨支承体系进行模拟计算，分析轨道、基础混凝土几何尺寸及混凝土强度等级等对轨－砼接触压应力的影响，通过与试验结果对比验证分析方法的正确性。得出轨道底板混凝土承压应力的计算公式,并与现行规范的简化公式[1]对比分析，提出设计建议。2分析方法及验证(a)几何模型(b)有限元模型图1分析

5、模型实际工程中，轨道为埋入式，即轨道顶面与二期混凝土顶面平齐。但按现行规范，轨道承受的轮压直接传递到与轨道底板相接触的混凝土上，不考虑轨道两侧混凝土对轨道受力的影响，计算时按此规定处理，轨道两侧作为自由表面。此外，轨道及基础混凝土沿轨道纵向很长，且布置有多个滚轮，分析时取一个滚轮并取适当的轨道及基础混凝土长度。（导师建议删掉，但删掉后容易引起误解，前面一篇文章就因没作解释，编辑部老师专门给我打电话询问，并又加上些说明文字）为对计算单元的选取及计算方法的正确性进行验证，利用文献[7]中的模型尺寸、材料参数建立滚轮、轨道、基础混凝土支承体系模型，并与试验[7]方案一

6、致，将轮轨支承体系取为卧位放置，几何模型如图1(a)。利用对称性7取模型的1/4进行分析。滚轮、轨道、混凝土均采用SOLID45单元，在滚轮与轨道，轨道与基础混凝土之间设接触对，接触单元采用CONTA173单元，目标单元采用TARGE170单元。在两对称面上施加对称约束，在基础混凝土底部约束各方向的线位移。坐标系的选择是以模型横向对称面轨道底板中心为坐标原点，轨道长度方向为轴，沿轮轴方向为轴，轴至轴按右手螺旋方向为轴负方向。有限元模型如图1(b)。为模拟实际荷载作用状态，通过自编程序在滚轮的半个内圆周上施加滚轮轴承传来的按正弦分布的径向压力。轮压通过轮轨间的接触

7、作用传递到轨道上。大型平面钢闸门的轮轨接触应为小变形，采用小变形接触算法。在计算的第一步建立接触关系，并保持不变。采用试算法确定对接触应力计算结果影响很大的法向接触刚度因子FKN[8]。有限元计算结果与试验数值的对比见图2，图中（a）、（b）为轨道顶面纵向中心线上的应力分布比较；（c）、（d）分别为基础混凝土中距顶面50mm处的纵向中心线和横向中心线上的应力分布比较；各图均按对称性取一半，方向由轨道中心指向外侧。由图可见，有限元结果与试验结果吻合良好，轨道中其它部位二者也有很好的一致性。验证了有限元模型以及分析方法的合理有效性，可用该方法进行轨－砼接触压应力的系

8、统分析。(a)(b)(c