關(guān)于底鉸式鋼閘門中墩設(shè)備室優(yōu)化方案的研究

黃建紅，羅 希

(1. 江蘇科興項目管理有限公司，江蘇 南京 210029；2. 中工武大設(shè)計研究有限公司，湖北 武漢 420072)

底鉸式鋼閘門相對于傳統(tǒng)橡膠壩和翻板壩優(yōu)勢較多，近幾年成為景觀河道較為常見的低水頭擋水建筑物[1]，但對于較寬的河道，鋼壩的中墩設(shè)備室在結(jié)構(gòu)和景觀上的弊端則表現(xiàn)得尤為明顯。

本文結(jié)合工程實例，在分析中墩設(shè)備室對工程的不利影響為基礎(chǔ)，提出了幾種優(yōu)化中墩設(shè)備室可行的設(shè)計方案，并對各方案的優(yōu)缺點進行分析比較，確定了最優(yōu)的解決方案。

1 中墩設(shè)備室的作用和對工程的不利影響

1.1 中墩設(shè)備室的結(jié)構(gòu)布置和作用

底鉸式鋼閘門的翻轉(zhuǎn)主要通過液壓設(shè)備控制門葉的底橫軸來實現(xiàn)。由于底橫軸的截面尺寸主要受鋼閘門高度H和跨度B影響[2]，當(dāng)河寬較大時，若鋼閘門選取較大的跨度B，則會造成底橫軸外徑D較大，增加鋼材用量，同時也會加大不均勻沉降對底橫軸結(jié)構(gòu)安全的影響[3]，引起安全隱患。因此對于較寬的河道，一般將鋼閘壩分為若干跨，每跨之間采用中墩設(shè)備室相隔，設(shè)備室內(nèi)順?biāo)鞣较蚱叫胁贾?臺液壓啟閉機。中墩設(shè)備室主要有以下兩個方面的作用：

1)保證液壓設(shè)備在水中安全穩(wěn)定運行，方便檢修管理；

2)設(shè)備室兩側(cè)設(shè)大理石貼面，是鋼閘門側(cè)止水的主要接觸面。

以某3 m高底鉸式鋼閘門工程為例，中墩設(shè)備室平面具體布置如圖1所示，縱剖面圖如圖2所示。

1.2 中墩設(shè)備室對工程的不利影響

中墩設(shè)備室的主要弊端表現(xiàn)以下三個方面。

1)防洪安全。由于中墩設(shè)備室內(nèi)平行布置2臺液壓啟閉設(shè)備，考慮設(shè)備安裝和檢修的要求，中墩設(shè)備室凈寬尺寸約為7.0～7.5 m，在汛期會產(chǎn)生阻洪，雍高水位[4]。

圖1 鋼壩平面布置圖

圖2 中墩設(shè)備室縱剖面圖

2)結(jié)構(gòu)安全。由于中墩設(shè)備室內(nèi)液壓設(shè)備和底橫軸支座安裝高程相差約2.0 m，致使中墩設(shè)備室底板厚度相對閘室段底板較厚，易產(chǎn)生不均勻沉降影響工程安全，增加設(shè)計難度，同時其底板混凝土用量較大，增加工程投資。

3)景觀效果。為最大程度的利用雍高的水體遮擋，在布置上中墩設(shè)備室一般靠上游布置，但由于液壓設(shè)備運行對高度和長度空間的限制，造成中墩設(shè)備室體型大，出露水面多，影響景觀效果。

隨著底鉸式鋼閘門在城市河道景觀工程中的推廣運用，中墩設(shè)備室產(chǎn)生的不利影響對該低水頭壩型發(fā)展的限制愈發(fā)明顯，因此對中墩設(shè)備室的布置方案進行優(yōu)化是十分必要的。

2 中墩設(shè)備室的布置優(yōu)化方案

2.1 方案優(yōu)化的主要原則

中墩設(shè)備室的布置優(yōu)化方案應(yīng)建立在符合工程實際情況，合理可行的前提下，主要應(yīng)把握以下兩個方面的原則。

1)保證安全的原則。根據(jù)國內(nèi)已建底鉸式鋼閘門項目的運行上來看，目前的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式能較好的保證工程安全穩(wěn)定的運行，因此優(yōu)化方案應(yīng)不以降低工程運行管理安全為前提，僅以現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式為基礎(chǔ)進行局部調(diào)整。

2)經(jīng)濟適用的原則。優(yōu)化布置應(yīng)從不增加施工難度等方面進行考慮，以不增加或略微增加工程投資為基礎(chǔ)，同時注重方案的合理性和可操作性。

2.2 方案優(yōu)化的主要思路

根據(jù)以上原則，中墩設(shè)備室的布置優(yōu)化思路主要有以下兩點。

1)保留中墩設(shè)備室?？紤]到中墩設(shè)備室可起到保護啟閉設(shè)備、方便管理檢修和止水布置等作用，且對于較寬河道，在設(shè)備室阻洪影響有限的前提下，為保持現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式，可保留中墩設(shè)備室。但是，類似目前出現(xiàn)的液壓升降壩，將液壓設(shè)備設(shè)置于閘門底板下，盡管提高了景觀效果，但給設(shè)備的維護檢修造成了較大的麻煩，這種方式是不可取的。

2)最大程度地降低中墩設(shè)備室的頂高程。中墩設(shè)備室的頂部高程主要受以下兩個方面的因素決定：①鋼閘門擋水高度，由于設(shè)備室要聯(lián)合鋼閘門同時擋水，且為保證鋼閘門側(cè)止水的布置，設(shè)備室在鋼閘門活動的區(qū)間內(nèi)，頂高程不得低于鋼閘門的擋水高度。②拐臂和液壓設(shè)備的運動范圍，設(shè)備室頂板高程的設(shè)置應(yīng)根據(jù)拐臂和液壓設(shè)備的運動范圍留有一定的凈空，并滿足設(shè)備安裝的要求，理論上拐臂長度越小，頂板高程就可以設(shè)置的越低，但驅(qū)動鋼閘門時，力臂也越小，液壓設(shè)備容量需求就越大；反之，拐臂長度越大，液壓設(shè)備容量需求就越小，頂板高程越高，同時由于液壓行程的增大，設(shè)備室順?biāo)鏖L度也增大。因此為使中墩設(shè)備室的頂高程最低，目前一般取拐臂長度近似鋼閘門高度。

因此根據(jù)中墩設(shè)備室現(xiàn)階段的布置形式，應(yīng)考慮在不減少力臂的條件下，降低液壓設(shè)備的布置高程。

3)中墩設(shè)備室的布置方向。現(xiàn)階段的設(shè)計將中墩設(shè)備室布置在上游側(cè)，從而利用上游水體將中墩設(shè)備室遮蓋，但是由于中墩設(shè)備室體積較大，下游水位較低，容易造成下游側(cè)中墩設(shè)備室大面積露出水面，另一方面，由于液壓設(shè)備也相應(yīng)布置在鋼閘門的上游測，采用拉力驅(qū)動以實現(xiàn)鋼閘門翻轉(zhuǎn)，而一般情況下由于液壓設(shè)備拉力較推力小，降低了液壓設(shè)備使用性能，因此可考慮在降低液壓設(shè)備的布置高程的前提下，將中墩設(shè)備室向下游側(cè)布置，以便液壓設(shè)備的出力形式變化為推力，可在保證美觀的同時，更好地發(fā)揮驅(qū)動作用。

2.3 方案優(yōu)化設(shè)計

1)中墩設(shè)備室的布置形式。中墩設(shè)備室布置在鋼閘門靠下游側(cè)，驅(qū)動布置形式類似原設(shè)計，將液壓啟閉設(shè)備的固定支座移至液壓缸末端，高程與拐臂支座同高，并根據(jù)液壓設(shè)備的運動范圍，相應(yīng)降低下游側(cè)設(shè)備室頂板高程，縱剖面圖如圖3所示。

2)液壓設(shè)備額定容量的確定。由于底鉸式鋼閘門在運行時，鋼閘門受力及其轉(zhuǎn)化到底橫軸上的內(nèi)力如圖4所示[4]。

圖3 中墩設(shè)備室優(yōu)化方案縱剖面圖

圖4 鋼閘門受力圖及底橫軸內(nèi)力簡化圖

根據(jù)鋼閘門結(jié)構(gòu)的受力特點，可將底橫軸所受外力簡化為單位長度扭矩(Mn)和均布荷載(q)，其中均布荷載(q)為作用在底橫軸單位長度總水平荷載(∑F)和總豎向荷載(∑G)的合力[5]。

由于∑G和∑F傳導(dǎo)至橫軸鉸支座，而扭矩(Mn)通過底橫軸傳到傳動室內(nèi)，因此，若假設(shè)扭矩與液壓桿相對底橫軸力臂值為L，則傳動室內(nèi)的液壓設(shè)備額定驅(qū)動容量F>Mn/L。

3)拐臂初始角度的確定。根據(jù)方案布置，拐臂相對水平方向的初始角度θ是影響液壓設(shè)備運動范圍、驅(qū)動力臂和液壓桿行程的主要因素，則以3.5 m底鉸式鋼閘門為例，分別計算不同拐臂初始角度θ，可得液壓桿在鋼閘門在啟動狀態(tài)和擋水狀態(tài)下的力臂，以及液壓桿的行程，將計算結(jié)果與原設(shè)計值相比較，如表1所示。

表1 驅(qū)動力臂及液壓桿形成計算表

由表1中數(shù)據(jù)可知，若采取該布置形式，得到以下結(jié)論：①在最不利工況(擋水工況)下，液壓桿力臂均大于原設(shè)計值，且液壓桿行程也相應(yīng)減少，均優(yōu)于原設(shè)計；②經(jīng)過計算3.5 m底鉸式鋼閘門底軸的扭矩如圖5所示，圖5中閘門轉(zhuǎn)角α為0°和90°時對應(yīng)的縱坐標(biāo)值分別為擋水工況，啟動工況時底橫軸單位長度的扭矩值。

圖5 鋼閘門受力圖及底橫軸內(nèi)力簡化圖

由計算可知，在啟動狀態(tài)下，底軸所承受的扭矩約為擋水工況1/4，因此，要滿足液壓設(shè)備在啟動狀態(tài)的推力值不大于設(shè)備額定驅(qū)動容量F，以保證設(shè)備的安全運行，其液壓桿的力臂不應(yīng)小于擋水工況下液壓桿力臂的1/4，即在該布置型式下，初始角度α最適宜范圍為10°～15°之間。

2.4 優(yōu)化的相比與原方案的優(yōu)劣

1)土建工程明顯下降，以3.5 m高底鉸式鋼閘門中墩設(shè)備室為例，原設(shè)計混凝土用量約389.2 m3，鋼筋用量約32.67 t，對布置形式優(yōu)化后，混凝土用量為240.6 m3，鋼筋用量約24.92 t，混凝土及鋼筋用量分別降低約38.2%和23.7%。

2)工程結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，消除了中墩設(shè)備室原設(shè)計中局部段底板較厚，易產(chǎn)生不均勻沉降的影響，提高工程安全性。

3)該布置使液壓設(shè)備在最不利工況的力臂大于原設(shè)計，且行程更小，同時，由于設(shè)備室向下游布置，液壓設(shè)備運行時液壓桿受推力，運行工況改善。

4)景觀面貌可得到一定改善，中墩設(shè)備室頂板露出水面的結(jié)構(gòu)面積縮小為原設(shè)計的30%以下，但中墩結(jié)構(gòu)露出水面的問題仍未能完全解決。

3 結(jié) 語

1)對底鉸式鋼閘門現(xiàn)有中墩設(shè)備室的布置形式及對工程的不利影響進行的分析表明，其不利影響包括防洪安全、結(jié)構(gòu)安全和景觀效果等方面。

2)通過分析確定中墩設(shè)備室優(yōu)化的主要原則和思路，即在保證安全、經(jīng)濟適用的原則下，通過調(diào)整設(shè)備室的布置型式和驅(qū)動方式等方法進行優(yōu)化。

3)提出了一種對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)無較大影響的優(yōu)化方案，經(jīng)分析，可縮減土建結(jié)構(gòu)造價、提升建筑穩(wěn)定、改善液壓設(shè)備運行、提高工程景觀效果等作用，同時也為同類低水頭閘門的設(shè)計提供了一種可行且有效的思路。