氣動(dòng)盾形閘門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

黃臣勇，覃志強(qiáng)，李云峰

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

氣動(dòng)盾形閘門(mén)系統(tǒng)是從國(guó)外引進(jìn)的一種先進(jìn)閘門(mén)技術(shù)，其應(yīng)用具有不受跨度限制、對(duì)基礎(chǔ)沉降適應(yīng)能力強(qiáng)、施工工期短、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)，在城市景觀設(shè)計(jì)、大壩加高、防旱排澇、引水發(fā)電、防海水倒灌等工程中得到了廣泛應(yīng)用。由于其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性和新穎性，目前缺少相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范或技術(shù)文件可以遵循。雖然氣動(dòng)盾形閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)可以通過(guò)有限元軟件進(jìn)行分析計(jì)算，但如鉸鏈、氣囊、主錨栓等關(guān)鍵零部件屬于復(fù)雜接觸分析模型，采用有限元技術(shù)分析計(jì)算需要非常強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)才能完成，本文主要介紹氣動(dòng)盾形閘門(mén)系統(tǒng)的理論分析計(jì)算方法，可為相關(guān)設(shè)計(jì)提供一定的參考[1]。

1 工作原理及組成

氣動(dòng)盾形閘門(mén)系統(tǒng)是利用空氣壓縮原理，通過(guò)氣囊充氣與排氣，使閘門(mén)升起和倒伏。閘門(mén)升起時(shí)可以維持在特定的水位高度，門(mén)頂溢流形成瀑布景觀；閘門(mén)倒伏時(shí)，門(mén)葉貼靠河床不影響泄洪和通航。氣動(dòng)盾形閘門(mén)系統(tǒng)主要由門(mén)葉、止水、氣囊、抑制帶、埋件、充氣系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)等組成。

充氣系統(tǒng)對(duì)空氣進(jìn)行除濕、過(guò)濾通過(guò)管道注入氣囊，氣囊內(nèi)空氣達(dá)到一定壓力值后對(duì)門(mén)葉提供支承。同時(shí)氣囊靠夾具固定在基礎(chǔ)埋件上，氣囊表面拉力通過(guò)鉸鏈、夾具傳遞給主錨栓。根據(jù)閘門(mén)的擋水高度不同，氣囊分為單氣囊和雙氣囊兩種，氣囊材料具有強(qiáng)度高、韌性和延伸性好的特性，為提高氣囊的使用壽命，其表面加有橡膠保護(hù)層。

門(mén)葉由弧形面板和迎水面加勁肋組成，門(mén)葉通過(guò)鉸鏈與夾具連接。門(mén)葉結(jié)構(gòu)多為焊接結(jié)構(gòu)，可選用碳素結(jié)構(gòu)鋼、低碳合金鋼、不銹鋼等材料[2-3]。

抑制帶設(shè)置在門(mén)葉上懸臂段與抑制帶錨栓連接，在整個(gè)系統(tǒng)中起平衡水壓力和氣囊內(nèi)壓作用，防止在上游水壓力較小時(shí)，氣囊將門(mén)葉頂起發(fā)生前傾。抑制帶一般采用聚酯纖維帶，可根據(jù)閘門(mén)擋水高度和門(mén)葉寬度確定抑制帶數(shù)量。

鉸鏈、夾具、主錨栓為主要受力構(gòu)件，其中鉸鏈?zhǔn)菍㈤T(mén)葉承受的水壓力傳遞給夾具和主錨栓。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1 計(jì)算模型假設(shè)

氣動(dòng)盾形閘門(mén)系統(tǒng)門(mén)葉結(jié)構(gòu)由氣囊支承，水壓力和氣囊表面拉力通過(guò)鉸鏈和夾具傳遞給主錨栓。整個(gè)系統(tǒng)的受力受制造、安裝精度影響較大，門(mén)葉面板表面曲率半徑不一致、接觸面間存在摩擦力等都將影響氣囊表面張力的連續(xù)性和有效接觸面積。夾具、氣囊、鉸鏈之間的摩擦力將影響力的傳遞，氣囊為柔性非線性材料，如果將這些因素都考慮進(jìn)去，氣動(dòng)盾形閘門(mén)結(jié)構(gòu)及零部件計(jì)算難度較大[4]。故本文對(duì)計(jì)算模型做如下簡(jiǎn)單假定：(1)門(mén)葉表面曲率各處一致，且表面光滑；門(mén)葉與氣囊之間接觸不存在摩擦，能自由滑動(dòng)。(2)夾具、氣囊、鉸鏈之間不存在摩擦力。(3)氣囊充氣前后氣囊截面長(zhǎng)度不發(fā)生變化。

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 氣囊內(nèi)壓及張力計(jì)算

在氣動(dòng)盾形閘門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定閘門(mén)擋水高度H、弧面半徑R和傾斜角度。擋水高度根據(jù)工程實(shí)際需要確定，弧面半徑和傾斜角度是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，在滿足工程需要的前提下建議對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行比選。門(mén)葉與氣囊接觸弧長(zhǎng)lc和氣囊頂部弧面半徑Rb可根據(jù)幾何放樣得出。

氣囊內(nèi)壓主要是支承水壓力和門(mén)葉自重，在氣囊內(nèi)壓計(jì)算時(shí)先計(jì)算水壓力在水平、豎直兩個(gè)方向的分力Fhx和Fhy。以鉸鏈A點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)中心分別計(jì)算水壓力和門(mén)葉自重對(duì)A點(diǎn)的力矩Ma和Mg。計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算模型

水壓力作用在門(mén)葉面板上呈下大上小梯形分布，為保證氣囊整體變形協(xié)調(diào)，氣囊形狀設(shè)置為與水壓力分布類(lèi)似的等腰梯形，見(jiàn)圖2。

圖2 氣囊與門(mén)葉接觸形狀

氣囊表面為張力相等的連續(xù)曲面，張力計(jì)算可取頂部圓弧端氣囊進(jìn)行分析計(jì)算，頂部氣囊半徑為Rb。因氣囊厚度遠(yuǎn)小于它的直徑(厚度小于直徑5%)，頂部氣囊可假設(shè)為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)；若封閉的薄壁圓筒所受內(nèi)壓力為P，則沿圓筒橫截面上拉力為PRb。

2.2.2 鉸鏈設(shè)計(jì)

鉸鏈在整個(gè)系統(tǒng)中將門(mén)葉承受的水壓力和氣囊表面張力傳遞給夾具，對(duì)力的傳遞起著關(guān)鍵性的作用。

鉸鏈為柔性材料只承受軸向荷載，不受彎矩和剪力作用，故鉸鏈承受拉力應(yīng)為Rx與Ry的合力。鉸鏈設(shè)計(jì)可根據(jù)此合力進(jìn)行計(jì)算，確定其材料和厚度。

2.2.3 夾具設(shè)計(jì)計(jì)算

在氣動(dòng)盾形閘門(mén)系統(tǒng)中常用夾具結(jié)構(gòu)形式有兩種，鑄鋼夾具和壓板夾具。鑄鋼夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受荷載大，常用于中高水頭項(xiàng)目，壓板夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單受力較小，多在低水頭項(xiàng)目中采用。夾具結(jié)構(gòu)形式和與鉸鏈之間的傳力關(guān)系見(jiàn)圖3和圖4。本文介紹雙氣囊鑄鋼夾具的計(jì)算，壓板夾具設(shè)計(jì)方法同抑制帶壓板。

圖3 鑄鋼夾具連接關(guān)系

圖4 壓板夾具連接關(guān)系

鑄鋼夾具主要受力部位為鼻梁部分，在夾具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮鼻梁在彎矩和剪力作用下的強(qiáng)度和剛度。夾具卡槽圓弧段承受鉸鏈楔形端推力J，為減小鼻梁受力，在夾具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將J的作用方向通過(guò)主錨栓受力點(diǎn)。

2.2.4 主錨栓設(shè)計(jì)計(jì)算

主錨拴在整個(gè)系統(tǒng)中起到固定夾具的作用，承受荷載大，且以上拔力為主，準(zhǔn)確計(jì)算主錨栓受力是整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。主錨栓受力根據(jù)夾具結(jié)構(gòu)尺寸列平衡方程計(jì)算反力。夾具受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。

圖5 夾具受力

計(jì)算的荷載為計(jì)算寬度內(nèi)總荷載，單根主錨栓受力計(jì)算應(yīng)按錨栓數(shù)量均分。

2.2.5 抑制帶計(jì)算

抑制帶設(shè)計(jì)按最不利工況：上、下游無(wú)水，氣囊支撐力全部由抑制帶平衡。在正常情況下抑制帶設(shè)計(jì)按氣囊設(shè)計(jì)內(nèi)壓力P計(jì)算拉力，為安全考慮，抑制帶設(shè)計(jì)時(shí)氣囊內(nèi)壓考慮1.15倍的放大系數(shù)，根據(jù)力的平衡，氣囊內(nèi)壓對(duì)鉸鏈力矩等于抑制帶拉力力矩，計(jì)算抑制帶拉力Ty，根據(jù)Ty設(shè)計(jì)抑制帶截面。

計(jì)算出抑制帶拉力后，根據(jù)抑制帶錨栓及壓板形式計(jì)算錨栓拉力，抑制帶錨栓受力，見(jiàn)圖6。

圖6 抑制帶錨栓受力方式

抑制帶壓板可簡(jiǎn)化為懸臂梁的計(jì)算，固定端為錨栓位置，懸臂長(zhǎng)為圖6中B，荷載為Rsc。

2.2.6 門(mén)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

門(mén)葉結(jié)構(gòu)由弧形面板和多道加勁肋組成， 1道肋板可視為1道由面板兼做翼緣的T型梁。肋板可采用有限元整體分析計(jì)算或按簡(jiǎn)支連續(xù)梁計(jì)算，按簡(jiǎn)支連續(xù)梁計(jì)算時(shí)，單道T型梁可假設(shè)為一跨帶懸臂的連續(xù)梁，門(mén)葉與鉸鏈連接位置為第一個(gè)鉸接端，氣囊支撐中點(diǎn)為連續(xù)梁的另一個(gè)支點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算連續(xù)梁彎矩、剪力進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。

3 工程算例與分析

貴陽(yáng)市南明河段共設(shè)置四座氣動(dòng)盾形閘門(mén)，閘門(mén)高度為8.0 m，門(mén)頂過(guò)水深0.3 m，一扇閘門(mén)由雙氣囊重疊支撐，每扇閘門(mén)寬10.0 m。

3.1 弧面半徑選定

弧面半徑按18.0 m、19.0 m、20.0 m三組進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。初步假設(shè)氣囊與門(mén)葉接觸弧長(zhǎng)為3.0 m。本工程閘門(mén)高度較大，初步采用雙氣囊設(shè)置方案。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同弧面半徑時(shí)氣囊內(nèi)壓力、表面張力和主錨栓反力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)對(duì)比分析，氣動(dòng)盾形閘門(mén)在氣囊形狀相同的情況下，整個(gè)閘門(mén)系統(tǒng)受力變化較小，出于美觀考慮本工程閘門(mén)弧面半徑采用19.0 m。

3.2 氣囊及主錨栓反力計(jì)算

本工程按氣囊與門(mén)葉面板接觸弧長(zhǎng)為2.8 m、3.0 m、3.2 m分別按單氣囊和雙氣囊驗(yàn)算氣囊內(nèi)壓、氣囊張拉和主錨栓反力。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同氣囊半徑時(shí)氣囊內(nèi)壓力、表面張力和主錨栓反力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示本工程采用單氣囊時(shí)張力過(guò)大材料強(qiáng)度不滿足要求，宜采用雙氣囊。氣囊接觸面積越大表面張力和主錨栓反力越小，對(duì)應(yīng)氣囊材料使用量將增加，綜合考慮本工程接觸長(zhǎng)度取3.0 m，在這個(gè)范圍內(nèi)可以充分利用氣囊材料的強(qiáng)度并預(yù)留一定安全系數(shù)，主錨栓反力可采用工程措施傳遞給基礎(chǔ)。

門(mén)葉結(jié)構(gòu)、鉸鏈、夾具、抑制帶、主錨栓等部分根據(jù)前述方法計(jì)算荷載，根據(jù)荷載選取截面，計(jì)算方法不做具體介紹。

4 結(jié) 語(yǔ)

氣動(dòng)盾形閘門(mén)是由國(guó)外引進(jìn)的一種新型閘門(mén)，目前國(guó)內(nèi)有不少?gòu)S家在設(shè)計(jì)生產(chǎn)，但缺少相關(guān)理論計(jì)算依據(jù)，設(shè)計(jì)單位對(duì)廠家的依賴(lài)程度大，在實(shí)際工程中由廠家提供整套設(shè)備及主錨栓、抑制帶錨栓反力；設(shè)計(jì)單位關(guān)注門(mén)葉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算，忽略?shī)A具、鉸鏈、氣囊、基礎(chǔ)反力的驗(yàn)算復(fù)核。本文從結(jié)構(gòu)受力分析出發(fā)介紹的計(jì)算方法比較合理的反應(yīng)氣動(dòng)盾形閘門(mén)的實(shí)際受力情況，對(duì)設(shè)計(jì)提供一定的幫助。