大跨度擋潮閘網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型方案研究

唐金忠，朱博華

（1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200061；2.上海諾山工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海市200333）

大跨度擋潮閘網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型方案研究

唐金忠1，朱博華2

（1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200061；2.上海諾山工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海市200333）

通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀門(mén)型結(jié)構(gòu)分析，提出一種擋潮閘網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型創(chuàng)新方案。在跨度方向采用拱形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為門(mén)體受力體系，塑料面板，以塑代鋼、不生銹，免維修保養(yǎng)。充分利用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，大跨度、重量輕，同時(shí)，創(chuàng)新采用圓弧形凹形槽作為行走和支撐軌道，使門(mén)體的支撐和行走合二為一，合理地解決了大跨度門(mén)頁(yè)的支撐和行走機(jī)構(gòu)。對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了充分論證和結(jié)構(gòu)分析，并闡述了實(shí)施方法，可作為大跨度擋潮閘門(mén)型選擇參考。

擋潮閘；大跨度；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；門(mén)型；研究

0　引言

風(fēng)暴潮對(duì)入海河流的影響甚大，為能有效地防止風(fēng)暴潮，唯一的辦法就是在河口建擋潮閘，將風(fēng)暴潮擋在河口以外?，F(xiàn)有的擋潮閘門(mén)型多種多樣，有直升門(mén)、弧形門(mén)、三角門(mén)、臥倒門(mén)等，但門(mén)體受力體系均是鋼結(jié)構(gòu)的主次梁或桁架，門(mén)型雖然有所不同，而門(mén)體均為鋼閘門(mén)。由于擋潮閘跨度需要很大，為了滿足閘門(mén)的剛度和強(qiáng)度，閘門(mén)需要的尺寸大、重量也大。如荷蘭鹿特丹新水道擋潮閘橫臥在寬360m、深17m的新水道上，為空腹式弧形閘門(mén)，單扇門(mén)體重達(dá)1.5萬(wàn)t，其支臂與固定在河道的球形聯(lián)軸就重達(dá)600 t。如此大重量的門(mén)體，也使整個(gè)土建結(jié)構(gòu)相應(yīng)增大，門(mén)體重導(dǎo)致啟閉力大，啟閉時(shí)間長(zhǎng)，一般需1 h左右。在漲潮的過(guò)程中關(guān)閉閘門(mén)，啟閉時(shí)間無(wú)疑會(huì)影響擋潮效果。

針對(duì)現(xiàn)狀大跨度擋潮閘門(mén)型存在的不足，研究表明對(duì)于大跨度擋潮閘，減小閘門(mén)自重和降低閘門(mén)啟閉力是關(guān)鍵，為此，門(mén)型結(jié)構(gòu)的受力體系需要“脫胎換骨”。通過(guò)對(duì)門(mén)型結(jié)構(gòu)分析，本文提出一種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型［1］創(chuàng)新方案，以網(wǎng)架結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主次梁或桁架結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型具有大跨度、重量輕的特性，這是門(mén)型受力體系又一次理想變革。利用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特性增大跨度，同時(shí)也可以減小門(mén)體重量，可節(jié)省大量門(mén)體結(jié)構(gòu)工程量；采用塑料面板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼板，這樣既可以增大擋潮閘跨度，也可以減小門(mén)葉重量和啟閉機(jī)械的容量，也降低了結(jié)構(gòu)的制造難度，同時(shí)也相應(yīng)減少了土建工程量，減少了施工難度。

網(wǎng)架是比較普遍的一種大跨度結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，空間剛度大，防震性能好。網(wǎng)架的高度（或稱為厚度）較小，能利用較小桿形構(gòu)件拼裝成大跨度的建筑。采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型以一跨或多跨建設(shè)擋潮閘，能適應(yīng)不同的閘址、不同的河口寬布置，方便應(yīng)用，例如上海市黃浦江長(zhǎng)航錨地閘址［2］，采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型時(shí)，可以為三跨（100m+150m+100m）或一跨。

有必要指出，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型的提出，仍處于概念設(shè)計(jì)階段，不可能馬上走向市場(chǎng)，但獨(dú)特的設(shè)計(jì)創(chuàng)意將帶給人們啟迪，激起設(shè)計(jì)思想的撞擊和感動(dòng)，會(huì)不斷促進(jìn)門(mén)型受力體系創(chuàng)新。在大跨度擋潮閘的設(shè)計(jì)進(jìn)程中，我們將看到一個(gè)設(shè)計(jì)理念是如何逐漸演化和成長(zhǎng)的。

1　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型方案設(shè)計(jì)

擋潮閘采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型，以實(shí)現(xiàn)大跨度跨越河道。本方案以單孔閘為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，多孔閘可在此基礎(chǔ)上稍作變通。單孔網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型其主要內(nèi)容分以下組成作用和運(yùn)行方式兩個(gè)部分闡述。

1.1組成和作用

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型擋潮閘根據(jù)河道寬度確定閘孔數(shù)，每孔由閘室結(jié)構(gòu)、門(mén)體結(jié)構(gòu)和啟閉設(shè)備組成，閘室結(jié)構(gòu)由弧形混凝土框架、混凝土圓形塔體和底板組成；門(mén)體由網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)頁(yè)、行走構(gòu)件和支撐構(gòu)件組成；啟閉設(shè)備可選擇常規(guī)的卷?yè)P(yáng)機(jī)。

1.1.1整體支撐體系

與常規(guī)的水閘閘墩不同，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)體的支撐為兩個(gè)豎向構(gòu)件，擋潮側(cè)為一個(gè)弧形鋼筋混凝土構(gòu)件，作為門(mén)體的支撐和運(yùn)行軌道；內(nèi)河側(cè)為一個(gè)垂直向筒體，作為閘室的豎向交通，如圖1所示。兩個(gè)豎向構(gòu)件形成前弧后豎，其上部相交處設(shè)置啟閉機(jī)室，為了增加閘室結(jié)構(gòu)的整體性，減少不均勻沉降，宜采用樁筏基礎(chǔ)，即兩個(gè)構(gòu)件下采用一塊整底板，按剛度調(diào)平原則進(jìn)行樁基布置［3］。

整體支撐體系受力合理、傳力明確、外形流暢、簡(jiǎn)潔明快，建筑造型能突出水利景點(diǎn)。啟閉機(jī)房布置在圓形筒體的頂部，其上部設(shè)置觀潮、聽(tīng)潮層，通過(guò)設(shè)在內(nèi)部的螺旋樓梯實(shí)現(xiàn)上下交通，并設(shè)置觀光電梯。閘室剖面如圖1所示。

圖1　閘室剖面圖

弧形鋼筋混凝土構(gòu)件采用框架結(jié)構(gòu)，弧線方向?yàn)榭蚣苤海┳鳛闈L輪行走的軌道，這樣可以使?jié)L輪在任何狀態(tài)下具有一個(gè)向心力，在啟閉設(shè)備的牽引下緊貼著軌道運(yùn)行。兩端分別固結(jié)于底板和圓形筒體。

1.1.2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)頁(yè)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)頁(yè)是該創(chuàng)新方案的主要亮點(diǎn)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是門(mén)頁(yè)的主要受力體系，網(wǎng)架的桿件和節(jié)點(diǎn)的形狀尺寸大都相同，因而可做成標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件在工廠生產(chǎn)。這樣制作加工方便，還可以提高效率，而且可降低材料消耗，改進(jìn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，確保產(chǎn)品質(zhì)量，并能減少大量現(xiàn)場(chǎng)工作量，提高網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)頁(yè)的制作質(zhì)量。

（1）門(mén)頁(yè)形狀

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)頁(yè)在垂直水流方向?yàn)楣靶?，其矢高f與跨距L之比一般為1/15～1/20。這樣可以充分利用材料的抗壓性能，節(jié)省材料，受力也更加合理；支座處順?biāo)飨驗(yàn)閳A弧形，且與支撐框架結(jié)構(gòu)為同心圓。

根據(jù)河道斷面形狀，門(mén)頁(yè)底部可以是水平，也可以為折線形，折線形與河道形狀結(jié)合較好。

（2）門(mén)頁(yè)面板及錨固

傳統(tǒng)閘門(mén)多為鋼面板，為了減輕門(mén)頁(yè)重量，該創(chuàng)新方案采用一種高強(qiáng)度塑料面板。采用塑料輕質(zhì)面板，以塑代鋼，不生銹，免維修保養(yǎng)。為配合塑料面板的使用，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸不宜太大，一般可以采用2～4m，以便為采用輕型面板提供有利的支撐條件。分塊面板的尺寸與網(wǎng)架上弦網(wǎng)格尺寸相同，面板通過(guò)螺栓與網(wǎng)架連接，兩者間采用橡膠止水。面板直接擱在網(wǎng)架上弦網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的支托及梁上，且要求每塊面板4個(gè)角點(diǎn)和邊與網(wǎng)架上弦節(jié)點(diǎn)的支托和支托間的連梁采用螺栓連接，螺栓間距按照需要確定，如圖2所示。

圖2　面板與網(wǎng)架的連接示意圖

（3）門(mén)頁(yè)支撐

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的門(mén)頁(yè)可以采用邊支撐網(wǎng)架，也可以采用點(diǎn)支承撐網(wǎng)架，因?yàn)檫呏尉W(wǎng)架受力比較均勻，而擋潮閘一般跨度需要較大，因此，門(mén)頁(yè)宜采用邊支撐網(wǎng)架。

由于閘門(mén)功能的要求，需要在兩對(duì)邊上開(kāi)口，因而使網(wǎng)架僅在兩對(duì)邊上支撐，另兩對(duì)邊為自由邊。在運(yùn)用中，閘門(mén)打開(kāi)時(shí)，門(mén)頁(yè)為兩邊支撐兩邊開(kāi)口狀態(tài)。當(dāng)閘門(mén)關(guān)閉擋水時(shí)，門(mén)體與底板簡(jiǎn)支，門(mén)頁(yè)在原兩邊支撐情況下，增加了底邊支撐，形成三邊支撐，一邊開(kāi)口。

上下兩個(gè)自由邊的存在對(duì)網(wǎng)架的受力是不利的，為此應(yīng)對(duì)自由邊作出特殊處理，一般可在自由邊附近增加網(wǎng)架層數(shù)或在自由邊加設(shè)托梁或托架；亦可采用增加網(wǎng)架高度或局部加大桿件截面的辦法予以加強(qiáng)。

門(mén)頁(yè)的對(duì)邊支撐構(gòu)件可以采用槽形鋼梁，門(mén)頁(yè)加上鋼梁后組成一個(gè)矩形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的門(mén)體，槽形鋼梁與嵌在凹形槽中的主支架有效連接，以便于將網(wǎng)架的荷載傳遞給框架支撐結(jié)構(gòu)，再傳遞于基礎(chǔ)。

（4）門(mén)頁(yè)配重

卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)對(duì)閘門(mén)不產(chǎn)生閉門(mén)力，門(mén)頁(yè)底端通過(guò)計(jì)算可以適當(dāng)配重，增大門(mén)體下滑力，以滿足關(guān)閉閘門(mén)時(shí)門(mén)體能沿著弧形軌道自行滑動(dòng)，并且滿足關(guān)門(mén)的時(shí)間要求。

在閘門(mén)結(jié)構(gòu)、卷?yè)P(yáng)機(jī)功率以及支撐的框架結(jié)構(gòu)都能夠滿足的情況下，按所需的最大閉門(mén)力，計(jì)算閘門(mén)應(yīng)具有的重量，以其與閘門(mén)實(shí)有重量之差作為應(yīng)增配的重量進(jìn)行配重。配重增加閘門(mén)閉門(mén)力，同時(shí)亦增加了啟門(mén)力，因而同樣需經(jīng)驗(yàn)算，在應(yīng)滿足要求的情況下方可實(shí)施配置。配重材料可選擇比重較大、易于安裝施工的混凝土或鑄鐵材料。配重物應(yīng)在門(mén)頁(yè)底部對(duì)稱設(shè)置，其重心應(yīng)在閘門(mén)重心線上，避免因配重造成重心偏離或引起閘門(mén)變形，影響啟閉。

1.1.3行走與支撐

閘門(mén)行走及門(mén)體支撐系統(tǒng)均布置在閘室的弧形框架上，在啟閉機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，門(mén)體依靠滾輪行走完成啟閉。滾輪既是行走設(shè)備也是支撐構(gòu)件，滾輪由主輪和側(cè)輪組成，如圖3所示，各滾輪與支架一起組成門(mén)體的支撐系統(tǒng)。行走與支撐系統(tǒng)置于凹形開(kāi)口槽內(nèi)，一個(gè)主輪和兩個(gè)側(cè)輪通過(guò)支架連接組成一組，網(wǎng)架門(mén)頁(yè)的支撐邊梁與主支架焊接，主支架下按需要設(shè)置若干組滾輪裝置，共同提供上下行走，啟閉閘門(mén)。

圖3　行走與支撐節(jié)點(diǎn)詳圖

（1）主輪

主輪設(shè)置于凹形槽內(nèi)，為網(wǎng)架門(mén)體的主要行走和支撐裝置，其軸兩端上方支撐于主支架；主輪軌道為不銹鋼凹形槽的底部，為圓弧形，門(mén)體在自身重力或水壓力的作用下，使主輪始終緊壓軌道，承擔(dān)著網(wǎng)架門(mén)體的垂直荷載，并且在啟閉設(shè)備提供的動(dòng)力作用下滾動(dòng)，啟閉閘門(mén)。

（2）側(cè)輪

側(cè)輪同樣設(shè)置于凹形槽內(nèi)，布置于主輪兩側(cè)，其軸由側(cè)支架支撐，而側(cè)支架又與主支架（主輪軸）連接；側(cè)輪沿著凹形槽側(cè)壁行走，主要承擔(dān)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的水平力，并將水平荷載傳遞于凹形槽側(cè)壁。兩側(cè)的側(cè)輪相向設(shè)置，有效地提供水平力的平衡，保證了網(wǎng)架門(mén)體的支撐和行走。

（3）凹形開(kāi)口槽

凹形開(kāi)口槽預(yù)埋于弧形的混凝土框架上，其縱向與框架同長(zhǎng)、同弧度，橫剖面為對(duì)稱形。槽內(nèi)對(duì)稱布置主輪和兩個(gè)側(cè)輪，并通過(guò)3個(gè)支架將3個(gè)滾輪連接為一組。凹形槽的寬度和深度主要由滾輪的大小決定，槽上方的開(kāi)口寬度稍大于網(wǎng)架支撐邊梁的寬度。

凹形開(kāi)口槽主要作為滾輪的行走和支撐，實(shí)質(zhì)為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)體的弧形門(mén)槽，且具有鎖口作用，防止?jié)L輪脫離軌道，并將閘門(mén)荷載傳遞給混凝土框架結(jié)構(gòu)。

（4）支架

主支架為U形鋼梁，其長(zhǎng)度與閘門(mén)高相等，寬度大于槽口寬度，并滿足主輪的安裝尺寸；既是主輪的支撐，又是網(wǎng)架邊梁的支撐梁，與網(wǎng)架邊梁一起共同承擔(dān)網(wǎng)架荷載。支撐邊梁分為兩個(gè)U形結(jié)構(gòu)，目的是便于網(wǎng)架門(mén)體和行走支撐系統(tǒng)的施工安裝。

側(cè)支架為側(cè)輪的支撐，為一U形構(gòu)件，與主輪軸對(duì)接。側(cè)支架主要承擔(dān)網(wǎng)架門(mén)體的水平荷載，并通過(guò)側(cè)輪將荷載傳遞于混凝土框架結(jié)構(gòu)。

1.1.4啟閉設(shè)備及連接方式

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)體的操作采用卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉，門(mén)體兩個(gè)支撐邊各設(shè)一根吊點(diǎn)，兩臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)布置在啟閉機(jī)房?jī)?nèi)；每臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)引出一根鋼絲繩，鋼絲繩置于凹形槽內(nèi)與主支架端頭鉸接。

閘門(mén)啟閉時(shí)，兩臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)應(yīng)同步運(yùn)行。卷?yè)P(yáng)機(jī)的同步采用電氣變頻同步系統(tǒng)，以保證卷?yè)P(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)速的同步。通過(guò)安裝在電動(dòng)機(jī)上的測(cè)速儀，由PLC控制變頻器，使變頻器變頻改變電動(dòng)機(jī)的頻率，達(dá)到糾偏同步的目的，從而使卷?yè)P(yáng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持同步。

1.2運(yùn)行方式

運(yùn)行方式應(yīng)根據(jù)擋潮閘的運(yùn)行要求設(shè)計(jì)。入海河口擋潮閘的運(yùn)行要求基本相同，一般為漲潮前或漲潮過(guò)程中漲至某一特定高潮位時(shí)，關(guān)閉閘門(mén)擋潮；落潮過(guò)程中當(dāng)閘門(mén)內(nèi)外水位齊平時(shí)，打開(kāi)閘門(mén)泄水、通航。

（1）關(guān)閉閘門(mén)

關(guān)閉閘門(mén)是通過(guò)門(mén)體自重關(guān)閉。閘門(mén)于全開(kāi)位置狀態(tài)，啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)逐漸放松鋼絲繩，在門(mén)體的重力作用下，門(mén)體沿弧形軌道自動(dòng)向下滑行，鋼絲繩逐漸打開(kāi)，卷?yè)P(yáng)機(jī)控制下滑速度，閘門(mén)慢慢向下滑行；弧形軌道導(dǎo)致門(mén)體重力逐漸加大，克服浮力，落至閘底板完成關(guān)閉閘門(mén)。關(guān)閉閘門(mén)時(shí)間較短，可以控制在20min以內(nèi)，由門(mén)體自重和卷?yè)P(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)速確定。

（2）開(kāi)啟閘門(mén)

打開(kāi)閘門(mén)時(shí)，上下游水位宜基本持平。啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，鋼絲繩拉動(dòng)門(mén)體向上移動(dòng)，至閘門(mén)全打開(kāi)。

閘門(mén)至全開(kāi)位置后，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)的鎖錠裝置鎖定閘門(mén)；鎖錠裝置設(shè)防誤操作行程保護(hù)開(kāi)關(guān)；同時(shí)，在弧形軌道上設(shè)置結(jié)構(gòu)鎖錠，做到雙保險(xiǎn)。打開(kāi)閘門(mén)是在靜水中進(jìn)行，時(shí)間可以控制在20min以內(nèi)。

2　結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算

受力分析的目的是利用傳力路徑分析圖，優(yōu)化水平向和豎向構(gòu)件布置，做到構(gòu)件布置合理，有足夠的強(qiáng)度和剛度，并方便力的傳遞，使行走系統(tǒng)運(yùn)用自如，結(jié)構(gòu)變形應(yīng)控制在允許的范圍內(nèi)。在該實(shí)例中網(wǎng)架門(mén)體的支撐結(jié)構(gòu)為主輪和側(cè)輪，通過(guò)受力分析，確定行走裝置及支撐結(jié)構(gòu)的合理性。以下僅對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題予以討論，以提供一些解決問(wèn)題的思路。

2.1門(mén)體結(jié)構(gòu)分析

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型在跨度方向采用拱形結(jié)構(gòu)，如圖4所示，其矢高f與跨距L之比一般為1/15～1/20。拱形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與常規(guī)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有所不同，既要考慮在跨度方向上的受力，尚應(yīng)考慮門(mén)體垂直方向上的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定?？缍确较蛏峡梢园凑粘Ｒ?guī)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計(jì)算，同時(shí)應(yīng)計(jì)算垂直方向上網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力。

圖4　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型平剖面圖

拱形結(jié)構(gòu)在豎向荷載的作用下，在拱腳處將產(chǎn)生水平推力，這是拱結(jié)構(gòu)所具有的一個(gè)特點(diǎn)。拱形的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)體在水壓力的作用下，同樣在拱腳處將產(chǎn)生水平推力。采用主輪和側(cè)輪組合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力明確，保證了將閘門(mén)荷載傳遞于框架，可以有效地化解拱腳水平推力對(duì)門(mén)體變位的影響。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)體拱腳采用兩個(gè)側(cè)輪對(duì)撐，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易變形，構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳力明確而直接，有效地將門(mén)體所受水壓力、自重等荷載傳遞至框架。凹形槽兩個(gè)側(cè)向支撐面，互為約束，提高了支撐的穩(wěn)定性。

門(mén)體在開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，懸架于閘室框架的頂端，風(fēng)荷載、地震作用都比較復(fù)雜，需要進(jìn)行三維有限元分析計(jì)算；有條件時(shí)，宜進(jìn)行模型試驗(yàn)。

2.2行走和支撐受力分析

受力分析的目的是利用傳力路徑分析圖，優(yōu)化水平向和豎向構(gòu)件布置，做到構(gòu)件布置合理，有足夠的強(qiáng)度和剛度，并方便力的傳遞，使行走系統(tǒng)運(yùn)用自如，結(jié)構(gòu)變形應(yīng)控制在允許的范圍內(nèi)。主輪和側(cè)輪既是支撐結(jié)構(gòu)，也是行走裝置，通過(guò)受力分析，確定受力的合理性。

創(chuàng)新采用凹形槽圓弧形行走軌道，使門(mén)體的支撐和行走合二為一。門(mén)體兩端各有一組行走系統(tǒng)，由主輪和側(cè)輪組成，在為門(mén)體提供支撐和行走過(guò)程中，主要是通過(guò)滾輪組織力的傳遞，主輪支撐受力如圖5所示，可以看出通過(guò)主輪和側(cè)輪匯集并完成力的傳遞。

圖5　門(mén)體配重計(jì)算示意圖

側(cè)輪的軸支撐通過(guò)支架與主輪軸連接，側(cè)輪平行于門(mén)體，支撐于凹形槽的側(cè)壁，且在側(cè)壁上行走，為主輪提供水平向的支承力，以抵抗門(mén)體的水平荷載。作為支撐體系的滾輪在外荷載和軌道反力的作用下，必須滿足靜力平衡條件。

2.3門(mén)體配重計(jì)算

門(mén)體行走于弧形的軌道上，在自重的作用下，必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力和下滑力，如圖5所示，簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)可將門(mén)體自重和配重各簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，分別計(jì)算下滑力后疊加。

由圖5可以看出，某一質(zhì)點(diǎn)i在重力作用下產(chǎn)生下滑，其下滑力Fi為：

式（1）中：Fi為質(zhì)點(diǎn)i的下滑力，kN；Gi為質(zhì)點(diǎn)i（門(mén)體或配重）的重量，kN；ai為質(zhì)點(diǎn)i的位置與水平線的圓心角，（°）；Li為對(duì)于圓心角ai的弦長(zhǎng)，m；R為弧形軌道半徑，m。

由式（1）和圖5可知，在同一個(gè)弧形軌道上，同一質(zhì)點(diǎn)在弧形軌道上的位置越高，其圓心角越大，則下滑力越小；而同一高度下同一質(zhì)點(diǎn)，弧形軌道半徑R越大，則下滑力越大。門(mén)體位于閘底板時(shí)，下滑力最大；門(mén)體打開(kāi)位置時(shí)，下滑力最?。痪W(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般自重較小，為了保證門(mén)體在自重作用下放松卷?yè)P(yáng)機(jī)拉索后能自動(dòng)下滑，就需要有足夠的配重。

在閘門(mén)閉落過(guò)程中，隨著閘門(mén)的下落，閘門(mén)受到摩擦力和浮力逐漸增大，閘門(mén)必須克服這些阻力才能順利閉落。對(duì)于卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)， 由于卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)對(duì)閘門(mén)不產(chǎn)生閉門(mén)力，只能靠閘門(mén)自重產(chǎn)生。在閘門(mén)自重不能滿足閉門(mén)需要時(shí)，門(mén)體需要增加配重。配重物一般設(shè)置于門(mén)體下部，配置重量按式（2）計(jì)算：

式（2）中：△G為閘門(mén)增重，kN；k為摩阻力安全系數(shù)，一般采用1.10；f為摩阻力，kN；p為門(mén)體浮力與f平行的分力，kN。

3　實(shí)施步驟和方法

閘室為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由兩組豎向構(gòu)件和底板組成，豎向構(gòu)件比較集中，可采用鋼圍堰施工，也可以采用沉井施工；底板為分離式空箱結(jié)構(gòu)，空箱底板分段先在工廠預(yù)制，基礎(chǔ)底應(yīng)先進(jìn)行沖淤至設(shè)計(jì)高程，空箱底板分節(jié)浮運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，灌水后下沉就位，支撐結(jié)構(gòu)和底板不做過(guò)多地論述，本實(shí)用新型擋潮閘的主要亮點(diǎn)是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)體，因此，以下對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)體的實(shí)施作重點(diǎn)闡述。

目前網(wǎng)架結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的加工技術(shù)已很完善，整個(gè)網(wǎng)架宜分段制作，現(xiàn)場(chǎng)采用船在水上拼接安裝，其施工已有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，因此，以下從設(shè)計(jì)的角度簡(jiǎn)述其具體實(shí)施方法的要點(diǎn)。有必要指出，制作安裝的工藝多種多樣，施工順序不同，施工的方法也就不同，以下所述只是其中的一種方法。

3.1閘門(mén)支撐結(jié)構(gòu)的施工

門(mén)體支撐為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，施工過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格對(duì)構(gòu)件的外形尺寸（特別是曲線形構(gòu)件中心線位置）以及各點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行計(jì)算和測(cè)量，務(wù)必滿足設(shè)計(jì)精度要求。

弧形鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)做好凹形槽的預(yù)埋。

3.2門(mén)頁(yè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和面板制作

網(wǎng)架的桿件和節(jié)點(diǎn)布置對(duì)稱，形狀尺寸大都相同，因而可做成標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件在工廠生產(chǎn)。這樣制作加工方便，還可以提高效率，而且可降低材料消耗；改進(jìn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，確保產(chǎn)品質(zhì)量，并能減少大量現(xiàn)場(chǎng)工作量，提高網(wǎng)架的工程質(zhì)量。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)頁(yè)可以委托專業(yè)公司，按設(shè)計(jì)要求分段制作。

面板采用塑料，按照網(wǎng)架的網(wǎng)格尺寸分塊制作，并預(yù)留好螺栓孔；按面板支撐長(zhǎng)度制作橡膠片，并預(yù)留螺栓孔。

3.3行走和支撐裝置制作與安裝

（1）凹形開(kāi)口槽

凹形槽為弧形，與弧形框架梁為同心圓，應(yīng)采用不銹鋼分段制作，現(xiàn)場(chǎng)焊接于弧形框架梁的預(yù)埋件上，接縫處拋光。

（2）滾輪和支架

一組滾輪由一個(gè)主輪和兩個(gè)側(cè)輪組成，由一個(gè)主支架和兩個(gè)側(cè)支架，將一組滾輪組成一套行走和支撐裝置；主支架縱向?yàn)榛⌒?、截面為U形的不銹鋼梁，與凹形槽和門(mén)頁(yè)邊梁為同心圓，與門(mén)頁(yè)邊梁同弧度、同長(zhǎng)；一個(gè)主支架下設(shè)置若干組滾輪，在工廠內(nèi)將支架和滾輪進(jìn)行焊接組裝成一套裝置，從凹形槽的一端（未封口前）插入；或凹形槽上方兩側(cè)擋板先不焊接，行走與支撐裝置從凹形槽上方放入槽內(nèi)，在門(mén)頁(yè)網(wǎng)架安裝完成后，再焊接凹形槽上方擋板。

（4）門(mén)頁(yè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和面板安裝

制作好的分段門(mén)頁(yè)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，先將兩個(gè)端頭門(mén)頁(yè)段與行走支撐裝置焊接（或采用螺栓連接），在船上再完成其它段門(mén)頁(yè)網(wǎng)架整體拼接；將拼接好的門(mén)頁(yè)網(wǎng)架運(yùn)置于閘門(mén)開(kāi)啟位置，最后進(jìn)行面板安裝，閘門(mén)底止水和側(cè)止水安裝。

（5）啟閉設(shè)備安裝

卷?yè)P(yáng)機(jī)按常規(guī)要求進(jìn)行安裝，為了保證兩側(cè)卷?yè)P(yáng)機(jī)同步，首先要保證閘門(mén)吊點(diǎn)同步。當(dāng)兩吊點(diǎn)鋼絲繩啟閉同步時(shí)，卷?yè)P(yáng)機(jī)出繩點(diǎn)到閘門(mén)吊點(diǎn)的行程應(yīng)相等，即鋼絲繩的長(zhǎng)度相等，這樣就能保證閘門(mén)兩端同步運(yùn)行。除此之外，同時(shí)還應(yīng)設(shè)置電子監(jiān)測(cè)，如安裝一套旋轉(zhuǎn)編碼器，當(dāng)轉(zhuǎn)速差超過(guò)設(shè)定值而同步系統(tǒng)沒(méi)有糾偏時(shí)，系統(tǒng)將停機(jī)并發(fā)出警報(bào)信號(hào)。監(jiān)測(cè)、糾偏裝置有待于在自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中論述。

4　結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型方案，創(chuàng)新閘門(mén)受力體系彰顯了設(shè)計(jì)概念創(chuàng)新。該門(mén)型特別適用于大跨度，且應(yīng)用靈活。根據(jù)河口寬度，可以設(shè)計(jì)為單孔或多孔組成開(kāi)敞式擋潮閘，平時(shí)閘孔敞開(kāi)，風(fēng)暴時(shí)將閘門(mén)關(guān)閉擋潮。

（1）創(chuàng)新方案以網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為閘門(mén)的主要受力體系，閘門(mén)擋潮面為拱形，將拱與網(wǎng)架組合，開(kāi)拓出新的閘門(mén)結(jié)構(gòu)形式，使受力更加合理，滿足大跨度門(mén)體的需要；充分利用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特性，增大閘門(mén)跨度，同時(shí)可以大大減輕門(mén)頁(yè)結(jié)構(gòu)的自重，從而能經(jīng)濟(jì)地跨越很大的河道。

（2）采用塑料面板，以塑代鋼，不生銹，免維修保養(yǎng)；面板的尺寸與網(wǎng)架上弦網(wǎng)格尺寸相同，面板直接擱在網(wǎng)架上弦網(wǎng)格的支托梁上，兩者間采用橡膠止水片，每塊面板4個(gè)角點(diǎn)和邊，分別與網(wǎng)架上弦節(jié)點(diǎn)的支托和梁采用螺栓連接，施工方便。

（3）創(chuàng)新閘門(mén)行走和支撐技術(shù)，巧妙地將支撐和行走合二為一，行走的滾輪既可按閘門(mén)啟閉需要而上下行走，又是門(mén)頁(yè)的支座。主輪和側(cè)輪通過(guò)支架有效組合，合理地承擔(dān)網(wǎng)架門(mén)體的水平荷載和垂直荷載，構(gòu)成了力的平衡，保證了閘門(mén)支座受力合理。

（4）采用兩個(gè)側(cè)輪對(duì)撐技術(shù)，保證滾輪行走無(wú)擺動(dòng)；通過(guò)支架組合，門(mén)頁(yè)兩個(gè)對(duì)邊滾輪設(shè)置無(wú)同軸的精度要求，方便施工安裝。

（5）創(chuàng)新弧形門(mén)槽技術(shù)，采用弧形凹形槽軌道，集軌道、支撐于一體，能有效地防止?jié)L輪脫開(kāi)，且具有較好的導(dǎo)向性。創(chuàng)新弧形軌道，與混凝土支撐結(jié)構(gòu)同弧度，使行走和支撐結(jié)構(gòu)始終能有一個(gè)緊貼軌道的力，受力更加合理。

［1］ 唐金忠，潘世虎，孫一博.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)門(mén)型大跨度擋潮閘：中國(guó)，201420179070.3［P］.2014-04-14.

［2］ 上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院.黃浦江河口擋潮閘的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和閘孔規(guī)模研究［R］.上海：上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院，2011.

［3］ 唐金忠，盧永金.水工基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)與分析［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

［4］ SL 265—2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

TV66

B

1009-7716（2015）01-0078-05

2014-09-28

唐金忠（1956-），男，安徽安慶人，高級(jí)工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)與研究工作。