船閘橫拉門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沈安磊 胡友安

（河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

1 概 述

橫拉門具有雙向擋水特性，啟閉快捷、迅速［1］，主要應(yīng)用于各船閘的擋水口門.門體結(jié)構(gòu)由兩側(cè)的擋水面板、橫向桁架、縱桁架、次梁、浮箱和臺(tái)車等組成，是一種上、下游空間對稱的桁架結(jié)構(gòu).橫向桁架包括主桁架和頂、底桁架，縱桁架包括端桁架和豎向桁架，如圖1所示.為了實(shí)現(xiàn)門體結(jié)構(gòu)的橫向啟閉，在橫拉門門體上下兩側(cè)分別設(shè)有頂、底臺(tái)車，如圖2所示.頂臺(tái)車通過吊架與頂桁架相連，下方則放置于底臺(tái)車上，通過啟閉機(jī)驅(qū)動(dòng)頂臺(tái)車實(shí)現(xiàn)橫拉門的啟閉［2］.門體重量由頂、底臺(tái)車承擔(dān).

圖1 橫拉門門體結(jié)構(gòu)圖

圖2 橫拉門臺(tái)車布置圖

閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有平面設(shè)計(jì)法和空間設(shè)計(jì)法［2］兩種.平面閘門設(shè)計(jì)法作為傳統(tǒng)的閘門設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)時(shí)將水壓力分配到橫拉門各個(gè)部分，單獨(dú)計(jì)算各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).該方法的缺點(diǎn)是在進(jìn)行閘門設(shè)計(jì)時(shí)，未充分考慮橫拉門桁架結(jié)構(gòu)的空間整體性，忽略了各桁架間的相互影響.也因此，近年來促成了以計(jì)算機(jī)軟件如ANSYS等為主要計(jì)算工具的閘門空間設(shè)計(jì)法的發(fā)展.空間設(shè)計(jì)法是將閘門作為一個(gè)整體的空間結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算機(jī)軟件綜合計(jì)算各結(jié)構(gòu)部分承受的水壓力，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).考慮到平面法設(shè)計(jì)的簡便、快捷和工程上的安全性、可靠性，在現(xiàn)今的國內(nèi)各水利設(shè)計(jì)院中，閘門設(shè)計(jì)仍以傳統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)法為主.

橫拉門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，有許多學(xué)者對橫拉門的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究.楊俊敬［2］對閘門的平面設(shè)計(jì)法和空間設(shè)計(jì)法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比、總結(jié)，以探討對橫拉門設(shè)計(jì)的改進(jìn).徐東婷［3］等通過建立ANSYS有限元模型，分析了閘門中各桁架在不同工況下的應(yīng)力分布和變形情況，對某橫拉門進(jìn)行了安全校核.莊哲惺［4］等通過比較橫拉門平面法和空間法中各桁架的受力情況，為橫拉門的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一些參考建議.但是在這些文獻(xiàn)中，對于橫拉門具體的設(shè)計(jì)計(jì)算介紹較少，尤其是各桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算.鑒于此，本文以傳統(tǒng)的平面法設(shè)計(jì)法為主，利用ANSYS對橫拉門進(jìn)行輔助計(jì)算，結(jié)合閘門設(shè)計(jì)規(guī)范和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，最終確定了較為完善的橫拉門的設(shè)計(jì)過程.

2 門體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某工程用橫拉門設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，其中閘門孔口寬度12m.

表1 橫拉門設(shè)計(jì)參數(shù) （單位：m）

工作時(shí)，橫拉門承受來自兩側(cè)的水壓力，在總水壓力作用下，閘門向單側(cè)傾斜，止水與閘墩擠壓接觸，橫拉門處于擋水狀態(tài)，受力特性類似于普通平面閘門.可以結(jié)合平面閘門的設(shè)計(jì)方法和橫拉門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的布置、設(shè)計(jì)計(jì)算.

梁格布置時(shí)，采用齊平連接.橫向設(shè)置頂桁架、底桁架和4根主桁架，縱向設(shè)置兩側(cè)端桁架和3根豎向桁架.主桁架先按多主梁等載荷布置，再適當(dāng)調(diào)整各桁架間距，最終確定各桁架的布置.

參照某船橫拉門結(jié)構(gòu)，橫拉門體尺寸定為（寬×高×厚）12.6m×11.65m×2.64m，各橫向桁架間距從上至下分別為2.7m，2.25m，2.1m，1.9m 和1.9 m，并在各桁架間增設(shè)次梁.豎向桁架（包括豎向次梁）按等間距布置，間隔為2.05m，如圖3所示.

圖3 橫拉門梁格布置圖（單位：mm）

2.1 桁架的設(shè)計(jì)計(jì)算

橫拉門各部分桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程類似，以主桁架為主，展開詳細(xì)的計(jì)算.

主桁架由上、下弦桿，中間豎桿和斜桿組成.因閘門所受的水壓力通過面板和次梁傳遞給各橫向桁架，所以計(jì)算各桁架承擔(dān)的水壓力時(shí)，直接將水壓力分配給對應(yīng)的橫向桁架.為了保證桁架的設(shè)計(jì)滿足所給的4組水位的設(shè)計(jì)要求，還須分別計(jì)算4組水位下各個(gè)主桁架所承擔(dān)的水壓力，并取最大水壓力值進(jìn)行計(jì)算.

主桁架桿件布置時(shí)，因橫拉門承受兩側(cè)的水壓力，所以采用對稱結(jié)構(gòu)布置桿件.主桁架的上、下弦桿為連續(xù)多跨梁，弦桿之間須按剛接點(diǎn)處理，而腹桿以及腹桿與上、下弦桿之間則通過節(jié)點(diǎn)板焊接，所以，可以按鉸接處理.主桁架計(jì)算模型如圖4所示，計(jì)算桁架各桿件軸力時(shí)，將水壓力換算成相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)力作用在桁架模型上.圖中數(shù)字對應(yīng)各類桿件號.

圖4 主桁架計(jì)算模型

用ANSYS計(jì)算各桿件軸力.桁架結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型采用平面桿單元Link1單元模擬桁架的各個(gè)桿件，給定約束后，施加節(jié)點(diǎn)力求得各桿件對應(yīng)的軸力值.

上、下弦桿除了受軸力之外，還直接承擔(dān)來自面板的水壓力，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮水壓力引起的局部彎曲對桿件的影響.弦桿為連續(xù)多跨梁，須計(jì)算各節(jié)點(diǎn)處的彎矩值.上、下弦桿在設(shè)計(jì)時(shí)按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，對應(yīng)的強(qiáng)度校核公式見式（1）

式中，0.9為考慮重力影響的折減系數(shù).

剛度校核時(shí)，則按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，見式（3）.

在進(jìn)行彎矩計(jì)算時(shí)，以某一組設(shè)計(jì)水位為例，若按鋼結(jié)構(gòu)桁架設(shè)計(jì)中多跨梁的簡化彎矩分布圖，如圖5所示，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)處的最大彎矩，弦桿最大值彎矩值為0.9M0＝48.208kN·m.同樣情況下，利用ANSYS計(jì)算的最大彎矩值為40.71kN·m，彎矩分布情況情況如圖6所示.因?yàn)锳NSYS在單獨(dú)計(jì)算桿件內(nèi)力時(shí)，在網(wǎng)格劃分精度足夠的情況下，可以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.此外，選用ANSYS中的三維梁單元Beam188單元模擬弦桿，在確定桿件截面后，通過定義Beam188單元的梁截面參數(shù)，加載后能夠快速得出梁的撓度變形、內(nèi)力值分布等情況，使結(jié)果更加直觀、可靠，簡化了傳統(tǒng)的計(jì)算過程.

圖5 連續(xù)多跨梁彎矩分布圖

圖6 上弦桿彎矩分布圖（單位：kN·m）

此外，上弦桿與面板焊接相連，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)須考慮面板參加弦桿工作的有效寬度［5］.也因?yàn)槊姘宓挠绊?，整體穩(wěn)定性能夠得到保證，可不對弦桿進(jìn)行整體穩(wěn)定性的校核.

在對包括斜桿和中間豎桿在內(nèi)的腹桿進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，按軸心受力構(gòu)件計(jì)算，截面選為雙角鋼組成的十字形截面.又因?qū)?yīng)組的兩側(cè)斜桿內(nèi)力值大小相等，方向相反，中間豎桿也主要承受壓力，所以，腹桿按軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行.需要注意的是，雙角鋼組成的十字形截面受壓時(shí)，會(huì)繞截面最小回轉(zhuǎn)半徑［5］所在軸失穩(wěn)，計(jì)算長度取l0＝0.9l.

軸心受壓構(gòu)件須進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性校核，而對于熱軋型鋼中的角鋼，可不作局部穩(wěn)定性校核.對應(yīng)的校核公式分別如下：

十字形截面桿件易發(fā)生扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，在水工閘門結(jié)構(gòu)中，為了避免該類截面發(fā)生扭轉(zhuǎn)屈曲，規(guī)定構(gòu)件長細(xì)比不得小于5.07b／t［5］.受閘門尺寸的限制，部分桿件長細(xì)比不能夠滿足扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性要求.但經(jīng)計(jì)算，其實(shí)際承受的軸力遠(yuǎn)小于發(fā)生扭轉(zhuǎn)的臨界應(yīng)力Ncr，所以桿件能夠滿足扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的要求，可不對其進(jìn)行扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性校核.

最后，主桁架作為整體，還須對其進(jìn)行整體撓度校核.因弦桿為等截面桿件，整體撓度計(jì)算公式為

式中，P為主桁架上節(jié)點(diǎn)力總和，l為計(jì)算跨度，I為桁架主桁架的慣性矩.

在使用ANSYS進(jìn)行輔助剛度校核時(shí)，有限元模型采用可自定義截面的Beam188單元模擬剛接的桿件，用Link1單元模擬鉸接部分的斜桿.計(jì)算求解后可得各桿件的撓度變形情況.

縱桁架設(shè)計(jì)時(shí)，豎向桁架計(jì)算過程類似于主桁架，計(jì)算模型如圖7所示.端桁架在總水壓力作用下，靠向閘墩，所以其簡化后的計(jì)算模型如圖8所示.

圖7 豎向桁架計(jì)算模型

圖8 端桁架計(jì)算模型

2.2 浮箱設(shè)計(jì)

浮箱設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)橫拉門自重、最低設(shè)計(jì)水位等來確定浮箱的排水體積和安放位置［6］.橫拉門在啟閉瞬間，受殘余水頭和風(fēng)浪壓力的影響，閘門易發(fā)生傾覆的危險(xiǎn)，船閘設(shè)計(jì)規(guī)范中通過規(guī)定橫拉門的抗傾覆安全系數(shù)［7］不低于1.25來保證浮箱設(shè)定的安全性，抗傾覆安全系數(shù)計(jì)算式為

式中，G表示閘門自重，可由橫拉門自重公式計(jì)算求得；V為浮箱的排水體積；ρ為水的密度；g為重力加速度；F為殘余水壓力對閘門產(chǎn)生的作用力；l1、l2分別為閘門自重和殘余水壓力至到頂?shù)缀髠?cè)輪連線的空間距離.

3 結(jié)果與分析

經(jīng)計(jì)算，4組水位下包括主桁架在內(nèi)的各橫向桁架承擔(dān)的水壓力見表2，可知主桁架最危險(xiǎn)情況出現(xiàn)在工況4時(shí)的4號主桁架，此時(shí)承擔(dān)的水壓力最大，為1 123.58kN.根據(jù)此時(shí)桁架承受的水壓力，計(jì)算得出主桁架各桿件的內(nèi)力值，結(jié)果見表3.

表2 各橫向桁架承擔(dān)的水壓力 （單位：kN）

表3 最大水壓力下的桿件軸力 （單位：kN）

表4為上弦桿最大彎矩及應(yīng)力表，其中最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在有效截面積相對較小的支座處受壓側(cè)位置.由船閘設(shè)計(jì)規(guī)范［5］知，在鋼材厚度I16mm時(shí)，Q235材料的容許應(yīng)力，因閘門受力復(fù)雜，按第四強(qiáng)度理論，計(jì)算的最大應(yīng)力值不得超出容許值1.1α［σ］＝252N／mm2.由表3知，弦桿最大應(yīng)力為132MPa，滿足設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié) 語

根據(jù)傳統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)法對橫拉門結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，包括梁格布置、桁架結(jié)構(gòu)和浮箱等.其中，重點(diǎn)介紹了桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程，可為同類的桁架計(jì)算提供設(shè)計(jì)參考.此外，該設(shè)計(jì)過程結(jié)合了閘門平面設(shè)計(jì)法的工程可靠性和ANSYS軟件的強(qiáng)大計(jì)算功能，在閘門的平面法設(shè)計(jì)中初步引入計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，簡化了靜力學(xué)模型的計(jì)算過程，可為閘門設(shè)計(jì)提供一種以計(jì)算機(jī)軟件為計(jì)算工具的平面法設(shè)計(jì)過程，對完善閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的設(shè)計(jì)參考價(jià)值.

此種設(shè)計(jì)方法也存在一些待改進(jìn)之處.依據(jù)傳統(tǒng)的平面法進(jìn)行閘門設(shè)計(jì)時(shí)，未能充分考慮各結(jié)構(gòu)的整體性，可結(jié)合空間法的設(shè)計(jì)進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)方法.在桁架設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)傳統(tǒng)的計(jì)算方法，將桿件通過節(jié)點(diǎn)板的連接簡化作鉸接處理，未能充分考慮節(jié)點(diǎn)板對桿件的影響，可結(jié)合ANSYS對兩種模型進(jìn)行計(jì)算對比，進(jìn)一步完善桁架的設(shè)計(jì)計(jì)算.

［1］ 蔣 明.橫拉門設(shè)計(jì)技術(shù)總結(jié)［J］.水運(yùn)工程，2009（8）：130－134.

［2］ 楊俊敬.橫拉門的設(shè)計(jì)與改進(jìn)［J］.金屬結(jié)構(gòu)，1998（1）：77－80.

［3］ 徐東婷，胡友安.船閘橫拉門靜力數(shù)值分析［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2013（6）：93－95.

［4］ 莊哲惺，朱召泉，殷小珠.船閘橫拉門的結(jié)構(gòu)分析［A］.第七屆全國土木工程研究生學(xué)術(shù)論壇論文集［C］.2009.

［5］ 四川省交通廳內(nèi)河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)院.SL74－2003.水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2003.

［6］ 李 芬.船閘閘門增設(shè)浮箱的探討［J］.江蘇船舶，2004：8－12.

［7］ 中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.JTJ308－2003.船閘閘閥門設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2003.