增加弧形鋼閘門高度的方案設(shè)計初探

王 波

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

1 綜 述

目前，現(xiàn)狀防洪堤防上存在一定數(shù)量的水閘工程，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)在汛期的防汛任務(wù)越來越重，要求越來越高，一但出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水，應(yīng)采取一定的預(yù)防和應(yīng)急搶險措施，盡而解決超標(biāo)準(zhǔn)洪水位下的防洪安全，如筑子堤加高堤防高度等，力保人民生命和財產(chǎn)安全。在大中型水閘工程中，弧形鋼閘門的應(yīng)用比較廣，如果采取措施來提高防洪水位，防洪堤防提高了擋水高度，可能造成閘門擋水高度或防浪高度不夠的問題，針對該問題有必要對弧形鋼閘門的加高措施進(jìn)行研究和探討，以保證防洪系統(tǒng)的運(yùn)行安全。文章根據(jù)某弧形鋼閘門的加高問題，設(shè)計探討通過門體結(jié)構(gòu)整體加高，實(shí)現(xiàn)提高擋水高度或防浪高度，可為今后弧形閘門的加高設(shè)計提供參考。

2 設(shè)計實(shí)例

某水閘工程閘孔凈寬12m，采用弧形鋼閘門進(jìn)行擋水，弧門半徑6m，擋水高度4.75m，根據(jù)防汛任務(wù)要求，進(jìn)行應(yīng)急儲備方案設(shè)計應(yīng)對超標(biāo)準(zhǔn)洪水，擋水高度由4.75m提高至5.55m，并預(yù)留安全加高30cm。根據(jù)上述要求進(jìn)行了充分論證，由于閘門頂端附近空間比較小，無條件采取胸墻加高方案，經(jīng)過研究采取門體結(jié)構(gòu)整體加高措施。增加的活動門體結(jié)構(gòu)高度為0.8m，半徑與原弧形鋼閘門半徑一致，由面板和兩根水平主梁構(gòu)成，在下主梁處通過5個活動鉸座與原門葉結(jié)構(gòu)頂梁鉸接，并對原門葉結(jié)構(gòu)頂梁采用T型鋼型式進(jìn)行加固?；顒訐跛Y(jié)構(gòu)再通過3套可調(diào)節(jié)鋼撐桿與原門葉結(jié)構(gòu)的豎直次梁鉸接，起到支撐作用和調(diào)節(jié)安裝位置，并在迎水側(cè)新增擋水結(jié)構(gòu)底部安裝止水橡皮。最后根據(jù)計算復(fù)核決定是否對液壓啟閉機(jī)管路閥組、油缸和液壓泵站進(jìn)行升級改造。

2.1 牛腿結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

2.1.1 驗(yàn)算一

弧門支座附近閘墩的局部受拉區(qū)的裂縫控制應(yīng)滿足下列公式要求：

(1)

式中：FK為按荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算的閘墩一側(cè)弧門支座推力值，N；b為弧門支座寬度，mm；B為閘墩厚度，mm；e0為弧門支座推力對閘墩厚度中心線的偏心距，mm；ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2。

不能滿足上式要求時，應(yīng)加大弧門支座寬度或提高混凝土強(qiáng)度等級。

2.1.2 驗(yàn)算二

閘墩區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積滿足下列公式要求：

(2)

2.1.3 驗(yàn)算三

弧門支座的裂縫控制滿足下列公式要求：

Fk≤0.7ftkbh

(3)

式中：h為支座高度，mm。

2.1.4 驗(yàn)算四

弧門支座的受力鋼筋截面面積應(yīng)符合下式規(guī)定：

(4)

式中：As為受力鋼筋的總截面面積，mm2；a為弧門支座推力作用點(diǎn)至閘墩邊緣的距離，mm；fy為受力鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2。

牛腿結(jié)構(gòu)安全復(fù)核成果見表1。

表1 牛腿結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計算表

通過計算說明，當(dāng)閘前擋水高度<5.11m以下時，閘墩和牛腿結(jié)構(gòu)可以安全運(yùn)行，當(dāng)閘前擋水高度在5.25-5.55m之間時，該工況按偶然荷載進(jìn)行考慮，承載力安全系數(shù)較規(guī)范值1.2有所降低，降低系數(shù)后閘墩和牛腿結(jié)構(gòu)可以安全運(yùn)行[1]。

2.2 閘門結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

2.2.1 加高部分及頂梁加固結(jié)構(gòu)的安全驗(yàn)算

根據(jù)閘門整體結(jié)構(gòu)布置，按“近似取相鄰間距和之半法”計算出原閘門頂梁及加高部分的底梁的單位寬度荷載，并進(jìn)行驗(yàn)算[2]。

最大彎矩：M=0.106ql2

最大剪力：Q=0.606ql

應(yīng)力及撓度應(yīng)滿足下列公式要求：

式中：W為梁截面抗彎模量，cm3；I為梁截面對中和軸慣性矩，cm4；E為彈性模量，取2.06×105MPa。

2.2.2 原閘門結(jié)構(gòu)的安全驗(yàn)算

按全高度擋水驗(yàn)算原閘門門葉結(jié)構(gòu)和支臂結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定。

主橫梁與支臂的單位剛度比值應(yīng)滿足下列公式：

(5)

式中：Il0為主橫梁的截面慣性矩；l0為計算跨度；Ih為支臂截面慣性矩；h為長度；K0應(yīng)滿足3-7。

主橫梁的應(yīng)力應(yīng)滿足下列公式要求：

(6)

式中：N為主梁軸向壓力；M為主梁跨中彎矩；A為主梁跨中截面面積；W為主梁跨中截面抗彎模量。

支臂在框架平面內(nèi)、外兩個方向的穩(wěn)定應(yīng)滿足下列公式要求：

式中：φp為彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)、φ1為外的穩(wěn)定系數(shù)；N為支臂軸向力；A為支臂截面面積[3]。

2.2.3 閘門啟門力驗(yàn)算

弧形閘門啟門力按下列公式計算：

(7)

閘門結(jié)構(gòu)安全復(fù)核成果見表2。通過計算說明，閘門擋水高度為5.55m時，加高部分的結(jié)構(gòu)和原閘門的門葉結(jié)構(gòu)和支臂結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定是滿足現(xiàn)有規(guī)范要求的。

表2 門體結(jié)構(gòu)安全復(fù)核成果表

3 結(jié) 論

通過對門體結(jié)構(gòu)的整體加高，實(shí)現(xiàn)了提高閘門前的擋水高度和防浪高度，進(jìn)一步提高了防洪標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場查看新、老結(jié)構(gòu)銜接比較和諧和美觀。通過了近幾年的汛期運(yùn)用，驗(yàn)證了采用該種措施進(jìn)行處理后的閘門是安全可靠的，可以為類似的工程提供參考。實(shí)際設(shè)計過程中注意進(jìn)行門體結(jié)構(gòu)加高時，要進(jìn)行牛腿等結(jié)構(gòu)的安全進(jìn)行驗(yàn)算，并復(fù)核啟閉容量和油路系統(tǒng)，是否滿足安全運(yùn)行條件。