（机械工程专业论文）燕山湖水库闸门设计中新方法、新技术的应用研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 闸门是水利工程建设中的关键设备，它对该工程的正常运行和充分发挥效益起着十 分重要的作用。燕山湖水库金属结构工程中闸门的规模和技术参数已基本达到了国际水 平，孔口大、设计水头高。如何解决闸门在设计水头高的情况下的关闭问题、在设计周 期短，任务重的情况下，如何保质保量地完成设计任务及闸门的防腐问题是本文所要研 究的主要课题。 作者阅读了大量的资料，在工程实践的基础上总结了行之有效的设计方法和途径。 在设计水头高的情况下，采用了利用水柱闭门的方法，并且对此方法进行了拓展， 把水柱应用在露顶式闸门和上游封水的潜孔闸门上，同样也收到了预期的效果。同时对 利用水柱闭门的闸门在承受三个方向外力的情况下产生的内力如何叠加，提出了自己的 见解和方法。设计水头高，闸门产生的摩阻力过大，直接影响到闸门顺利关闭，对此， 闸门主支承采用了摩擦系数小的自润滑关节轴承，使得闸门能够顺利关闭，同时闸门的 启闭力也随之降低，节省了启闭机的制造成本。 在设计周期短，任务重的情况下，为保质保量地完成设计任务，课题小组编制了闸 门计算程序，使得闸门计算工作和优化工作实现了计算机化，大大地提高了工作效率， 减轻了设计人员的工作强度。在计算过程中采用了插值法，插值法的引用保证了设计数 据的精度和工程的安全。 针对闸门防腐问题，通过对工程水样分析，尝试了喷锌防腐与涂层配套使用的防腐 方法，通过实践证明这种方法是有效的、安全可靠的，延长了闸门的使用寿命。 总之，在闸门设计中需要研究的内容较多。本文围绕燕山湖水库闸门设计中新方 法、新技术的应用作了系统的分析与研究，通过工程的实践验证，证明这些新方法和新 技术是可行的，即节省工程投资，又为今后类似工程的设计提供了新的途径和方法。 关键词：闸门设计，水柱，优化，防腐方法，自润滑关节轴承 沈阳工业大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o no f n e wm e t h o da n dn e wt e c h n o l o g yi ns t e e lg a t e d e s i g ni ny a n s h a n h u r e s e r v o i r a b s t r a c t s t e e lg a t ei st h ek e ye q u i p m e n ti nh y d r oc o n s t r u c t i o np r o j e c t ；i tm a k e sv e r yi m p o r t a n tu s e f o rt h en o r m a lo p e r a t i o na n df u l l yc r e a t i n gb e n e f i to ft h ep r o j e c t t h es c a l ea n dt h et e c h n i c a l p a r a m e t e ro fs t e e lg a t ei ny a n s h a n h u r e s e r v o i rh a sr e a c h e di n t e r n a t i o n a ll e v e l ，t h eh u g eo r i f i c e s i z ea n dh i g hd e s i g nh y d r a u l i ch e a d , e t c t h em a i nt a s ko f t h i sp a p e ri st op e r f e c t l ys o l v et h e s t e e lg a t ec l o s eu n d e rh i g hd e s i g nh y d r a u l i ch e a da n da n t i s e p s i so f s t e e lg a t e ，t oc o m p l e t ed e s i g n w o r ku n d e rt h ed e s i g nc y c l ei ss h o r ta n dt h ew o r ki sh a r d w r i t e rc o n s u l t e dal o tl i t e r a t u r e ，s u m m a r i z e de f f e c t i v ed e s i g nm e t h o d sa n dw a y su n d e rt h e b a s i co f p r a c t i c ep r o j e c t f o rt h eh i g hd e s i g nh y d r a u l i ch e a d ，w ea d o p t e dt h ew a t e rc o l u m nt oc l o s et h eg a t ea n d a p p l i e dt oe m e r g e dg a t ea n du p s t r e a ms e a ls u b m e r g e dg a t e w eg o tt h ed e s k e de f f e c ta st h e s a m em e t h o d a tt h es a m et i m e ，ip u tf o r w a r dm yo w no p i n i o na n dm e t h o do ft h eg a t ei n n e r f o r c es u p e r p o s i t i o nu n d e rt h r e ed i r e c t i o n sp r e s s u r e g r e a tf r i c t i o n a lr e s i s t a n c ei n f l u e n c e st h e s t e e lg a t ec l o s e df l u e n t l yu n d e rh i 出h y d r a u l i ch e a d ，s ol o w e rf r i c t i o nf a c t o rs e l f - l u b r i c a t i n g s p h e r i c a lb e a r i n g i sa d o p t e di nt h eg a t ew h e e l ，p r o d u c t i o nc o s to f t h eh o i s ti sl o w e ra sd e c l i n eo f l i f t i n gp o w e r t h ed e s i g nc y c l ei ss h o r ta n dt h et a s ki sh a r d ，t oa c c o m p l i s ht h ed e s i g nw o r kp e r f e c t l y ，t h e t a s kg r o u pm a d eas t e e lg a t ec a l c u l a t i o np r o g r a m , c o m p u t e r i z e dt h ec a l c u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o no fs t e e lg a t e ，e n h a n c e dt h ew o r ke f f i c i e n c y , l i g h t e n e dt h ew o r ki n t e n s i t y w e a d o p t e di n t e r p o l a t i o nf u n c t i o ni nc a l c u l a t i o n ，e n s u r e dt h ep r e c i s i o no f t h ed e s i g nd a t aa n ds a f e t y o f t h ep r o j e c t w i t ht h ea n a l y s i so f t h e w a t e rs a m p l e ，w ea t t e m p t e dz i n c s p r a y e da d d e dc o a t i n ga n t i s e p s i s p r a c t i c ep r o v e dt h a tt h i sm e t h o di se f f e c t i v e ，s a f e t ya n dd e p e n d a b l e ，i tp r o l o n g e dt h es t e e lg a t e l 】s e 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 i naw o r d , t h e r ea r em a n ym a t t e r sn e e dt os t u d yi ns t e e lg a t ed e s i g n i nt h i sp a p e r , w eh a v e m a d es y s t e m i ca n a l y s e sa n ds t u d yo fn e wm e t h o da n dn e wt e c h n o l o g yi ns t e e lg a t ed e s i g ni n y a n s h a n t mr e s e r v o i r n e wm e t h o da n dn e wt e c h n o l o g yh a sb e e np r o v e di nt h ep r o j e c tp r a c t i c e ， n o to n l yi th a ss a v e dt h ep r o j e c tc o s t ，b u ta l s oi th a so f f e r e dn e ww a ya n dm e t h o df o rt h es i m i l a r p r o j e c td e s i g ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s = s t e e lg a t ed e s i g n ，w a t e rc o l u m n ，o p t i m i z a t i o n ，a n t i s e p s i s ，s e l f - l u b r i c a t i n gs p h e r i c a lb e a r i n g 一3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：量丝童匠日期：坦堡竺：塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：丝室缉导帅签名：燃日期：2 翌：! 兰：竺 沈i i h t 业大学硕士学位论文 1 前言 1 1 工程概况 燕山湖水库位于大凌河于流朝阳县肖家店村，坝址距朝阳市2 5 k i n ，坝址以上流 域面积9 4 8 2 k m ，占全流域的4 1 。 大凌河是辽宁省西部最大的河流，其南支发源于辽宁省建昌县，北支发源于河 北省平泉县，南北两支征合于辽宁省喀左县大城子附近。大凌河流经建昌、喀左、 凌源、建平、朝阳、北票、义县、阜新于凌海市注入渤海。干流长4 3 5 k m ，流域面 积2 3 2 6 3 k m 2 。 燕山湖水库是以满足朝阳市近期工业和生活用水及朝阳市郊区部分农业灌溉用 水及防洪为主，兼顾发电的综合利用水利枢纽工程。朝阻地区干旱少雨，降水年内 年际分配很不均匀，工农业用水严重不足。朝阳市区现有地下水水源地均处于超采 状态，已无潜力可挖。与此同时，大凌河干流目前尚无控制性工程进行径流与洪水 调节，水资源利用率低，洪水灾害频繁。因此，为了满足朝阳市近期发展需要，兴 建燕山湖水库是非常必要的。 1 1 1 水文 库区流域属寒温带夏雨炎热气候型，夏季炎热，冬春少雨干燥。坝址附近多年 平均降水量4 9 0 m m ，多年平均蒸发量2 1 0 0 m m ，多年平均气温8 4 。c ，多年平均日 照时数2 8 5 4 小时，无霜期1 6 0 天。 1 1 2 地质 工程位于我国北方一级构造单元中朝准地台之燕册台褶带东部的辽西台陷，朝 阳弯褶断束内的大平房盆地与大黑山褶皱隆起带的接壤部位，库区8 0 的面积位于 大平房盆地北东段南缘。 库区的主要褶皱构造有中生代晚燕山期形成的大平房烧锅杖子构造盆地，是 由白垩系九佛堂组和阜新组砾岩夹砂岩、页岩和煤层等组成的单斜构造盆地。 l _ 1 3 工程任务和规模 朝阳市是我省贫困地区，1 9 9 0 年朝阳市全区人! z l2 2 9 3 8 万人，农业总产值 5 0 4 3 亿元，人均收入在3 3 7 5 8 4 元之间。其中朝阳市区人口3 6 0 8 万人，工业产 值1 9 0 亿元，人均收入9 0 9 元。 沈阳工业大学硕士学位论文 大凌河干流没有控制性工程，仅在支流有两座大( i i ) 型水库和五座中型水库， 其总调节水量仅占流域地表径流的1 0 ，水资源利用率很低。 为了改变朝阳市贫困落后面貌，实现“富民升位”，根据“朝阳市国民经济和 社会发展十年规划”及“八五计划纲要”的精神，近期内朝阳市城区工农业生产将 有较大发展。城市郊区农业要求建成高产高效的灌区，市区工业产值将由1 9 9 0 年 的1 9 0 亿元提高到2 0 0 0 年的7 0 0 亿元。工农业用水大幅度增加，目前主要水源 是地下水，由于地下水处于超采状态，水源不足，因此水库将作为朝阳市的重要水 源工程，为该市的工农业发展提供保障。水库建成后，可以直供朝阳市工业与生活 用水6 8 5 5 1 0 m 3 ，直供灌区用水2 6 3 0 1 0 6 3 ，补库下现有水源的地下水 l o 6 9x1 0 3 ，基本可满足朝阳市城区近期工农业发展的用水要求。 1 1 4 主要建筑物的布置 溢流坝顶高程2 0 1 0 m ，上游坡在1 9 5 0 m 高程以下为1 ：0 2 ，以上为直立。溢流 堰面在堰顶前为椭圆曲线。溢流坝设有弧形工作闸门和检修闸门，因为汛期要进行 调洪和错峰，工作闸门要经常局部开启调节流量，若采用平面闸门，不仅启门力很 大，而且坝顶启闭机工作桥排架很高，不利抗震；泄洪时高速水流及其泥沙对门槽 埋件的冲蚀也较为严重。不论从启闭机布置跚。1 、水流条件、调节流量、运行管理 等方面考虑都比平面闸门优越，因此采用启门力较小的弧形闸门“悯，其启闭设备选 用双吊点2 1 2 5 0 k n 液压式启闭机。 液压启闭机的布置，采用后拉斜吊式，活塞杆工作行程为7 m 。每孔液压启闭 机设一套液压泵站，相邻两孔液压泵站并联可互为备用4 1 。边孔液压泵站布置在边 墩上，其它各孑l 液压泵站均布置在中墩上。配电设备和操作台等布景在人行桥的两 端。液压泵站设有厂房和操作室。考虑启闭机检修需要，在闸墩上部靠油缸上吊点 附近埋设吊环预埋件，同时在检修闸门的门式启闭机上设有回转吊，为液压启闭机 维修服务。为了防止震动和冲击，油缸上下都留有一定的缓冲行程。为保持液压启 闭机在闸门启闭过程的双缸活塞杆同步，在液压系统中设有电液比例调速阀和手动 调速阀同步回路。启闭机上还设有数码高度指示器及主令控制开关；当活塞发生爬 行或闸门自降( 一般2 0 0 r a m ) 到一定行程时，可使液压泵站自动为油缸下腔供油， 使闸门回升到原高程；当闸门关闭到底坎或最大开度，主令控制器可自动切断电 源，保护启闭机部件不受破坏。为了防止高压管路因意外事故发生爆裂，造成高压 2 沈刚工业大学硕士学位论文 油从液压缸内大量外泄，闸门快速自由下落造成灾害性的破坏，在液压缸的高压回 路出口处，安装单向液控截流阀。 冲沙闸底板高程1 9 6 0 m ，孔口尺寸8 m x 9 m ，闸高3 3 5 m ，闸长3 3 2 7 m 。在闸 体后部设置8 m x 9 m 工作闸门，由液压式启闭机启闭：在工作闸门前设置8 m x l 8 m 平板检修闸门，由坝上门机启闭。 工业取水口最大设计引用流量4 4 m a s ，进水口采用顶面收缩式，底板高程为 2 0 1 5 m ，进口尺寸2 5 m x 3 0 m ，进口设拦污栅，闸门段设2 5 m x 2 0 m 检修闸门。 农业取水口最大设计引用流量1 2m 3 s ，进水口采用顶面收缩型式，底板高程 2 0 2 4 m ，进口尺寸为2 8 m x 4 0 m ，进口渐变段之后设2 8 m 2 5 m 事故检修闸门：出 口设平板工作闸门。 电站系利用弃水发电的季节性电站，装有一台容量为1 6 0 0 k w 的z d 5 6 0 - l h - 1 4 0 型水轮发电机组。进口采用喇叭型，底高程为2 0 4 0 m ，孔口尺寸为 2 2 m x 4 5 m ，闸门段设2 5 m 2 5 m 事故检修闸门。水轮机安装高程1 9 3 8 9 4 m ，水轮 机层地面高程为1 9 5 5 6 9 m ，发电机层地面高程为1 9 9 7 6 6 m ，厂房地面高程为 2 0 4 3 0 0 m ，尾水管出口安装尾水闸门，闸门尺寸为4 7 1 3 m x 2 0 1 8 m 。 1 2 金属结构特性 金属结构包括溢流坝、冲沙闸、工业取水口、农业取水口、电站等部位的闸 门、拦污栅及启闭设备。各部位的闸门、启闭设备的特性如下： 1 2 1 溢流坝 1 、工作闸门 工作闸门采用双主梁斜支臂弧形闸门，焊接钢结构，孔口尺寸为1 2 0 m x 1 3 o m ，设计水头为1 2 7 m ，双吊点，动水启闭，调节流量，共l o 孔。 弧形闸门采用两支臂，由于支臂受力较大，采用箱型断面结构，材料为1 6 m n ， 曲率半径为1 6 m 。启闭机布置在闸门下游侧，采用液压启闭机启闭。启闭机容量为 2 1 2 5 0 k n ，工作行程为7 o m ，启门速度为1 0 m m i n ，吊点距离为l o 8 m ，共l o 台，油缸最大工作压力1 8 m p a 。 2 、检修闸门 检修闸门采用平面滑动闸门，焊接钢结构，孔口尺寸为1 2 0 m x1 3 2 m ，设计水 头为1 2 7 m ，双吊点i 云用条件打节问充水，静水启闭- t 4 - 1 n 爿 蛤临闰门沿譬掰 3 沈阳工业大学硕士学位论文 扇，每扇闸门分三节，每节高4 4 m ，其启闭设备采用2 x 4 0 0 k n 门机。启门前先开 启上节闸门充水，待平压后再开启其余两节。两扇检修闸门平时储存在坝面门库 内。闸门的面板设在下游侧，即保证了检修闸门与弧形闸门之间的空间又提高了闸 门底坎的高程，使闸门下部结构及底坎的布置更为合理。 3 、门式启闭机 布置在坝顶的双向门机，启闭容量为2 4 0 0 k n ，其主要任务是担负启闭溢流坝 检修闸门、农业取水口进口的拦污栅和事故检修闸门、冲沙闸检修闸门、工业取水 口进口的拦污栅和事故检修闸门、电站进口的拦污栅和事故检修闸门及大坝廊道内 的吊物等。门机启闭各种拦污栅和闸门均配有自动抓梁，但是由于各种拦污栅和闸 门的孔口尺寸不同，需要采用多种规格的抓梁。 1 2 2 农业取水口 农业取水口金属结构部分包括：进口拦污栅、进口平面定轮检修闸门、出口平 面定轮工作闸门及其启闭设备。进口拦污栅和检修闸门的启闭利用坝顶门机，出口 工作闸门的启闭用1 4 0 0 k n 的固定卷扬启闭机。进口检修门在非灌溉期，同时作 为挡水门使用，以防止泥沙进洞。出口工作闸f i l l 水时可以调节水量。 1 、进口拦污栅 拦污栅采用平面滑动式，焊接钢结构，孔口尺寸为2 8 m x 4 o m ，设计水位差为 3 m ，单吊点，2 孔共2 扇。一扇拦污栅分上下两节，栅条间距l o o m m ，由坝顶门机 配自动抓梁分节启闭。 2 、进口事故检修闸门 进口事故检修闸门采用平面定轮闸门，焊接钢结构，孔口尺寸为2 8 m x2 5 m ， 设计水头为1 5 0 i i l ，单吊点，运用条件为动水启闭，不调节流量，1 孔共1 扇。为 使泥沙不进入闸门井内，水封设在上游侧。由于在动水关闭时，不能靠自重下降， 采用图2 1 c 型式，利用水柱下门。闸门在不挡水时锁定在门槽的顶部。利用门机 启闭。 3 、出口工作闸门 出口工作闸门采用平面定轮闸门，焊接钢结构，孔口尺寸为2 8 m x2 5 m ，设计 水头为1 5 o m ，单吊点，运用条件为动水启闭，调节流量，孔口数量为l 孔，闸门 4 沈阳工业大学硕士学位论文 数量为l 扇。由于在动水关闭时，闸门不能单靠自重下降，采用图2 1 c 型式，利 用水柱下门。其启闭设备采用固定卷扬式启闭机，额定启门力为l x 4 0 0 k n ，扬程为 9 o m ，启门速度为1 3 4 m m i n ，卷简直径为6 0 0 m m ，电机型号为y z l 6 0 l i - 8 ，电机功 率为1 i k w ，滑轮倍率为4 。 1 2 3 冲砂闸 i 、工作闸门 工作闸门采用双主梁斜支臂弧形闸门，焊接钢结构，孔口尺寸为8 m 9 m ，设计 水头为1 7 5 m ，双吊点，运用条件为动水启闭，调节流量，孔口数量为3 孔，闸门 数量为3 扇。弧形闸门采用两支臂，由于支臂受力较大，采用箱型断面结构，材料 为1 6 m n 。其启闭设备采用液压启闭机。启闭机额定启门力为2 x 2 0 0 0 k n ，工作行程 为7 0 m ，启门速度为i o m m i n ，吊点距离为6 9 m ，操作条件为动水启闭，调节流 量，共3 台。 2 、检修闸门 检修闸门采用平面滑动闸门，焊接钢结构，孔口尺寸为8 o m x1 8 o m ，设计水 头为1 7 5 m ，双吊点，运用条件为节间充水，静水启闭，孔口数量为3 孔，闸门数 量为l 扇分四节。启门时首先开启上节闸门充水平压，然后再开启其余各节闸门。 闸门平时储存在坝面门库内，其启闭设备利用坝顶门机。 1 2 4 工业取水口 i 、进口拦污栅 进口拦污栅采用平面滑动拦污栅，焊接钢结构，孔口尺寸为2 5 m x3 0 m ，设计 水位差为3 m ，单吊点，孔口数量为2 孔，数量为2 扇，栅条间距1 0 0 m m ，由坝顶门 机配自动抓梁启闭。 2 、事故检修闸门 事故检修闸门采用平面定轮钢闸门，焊接钢结构，孔口尺寸为2 5 m x2 o m ，设 计水头为1 6 m ，单吊点，运用条件为动水启闭，不调节流量，孔口数量为2 孔，闸 门数量为2 扇。由于工业用水，闸门经常处于开启状态，进口无泥沙淤积，所以水 封设在下游侧，闸门关闭时可利用水柱下降，采用图2 1 a 型式，其启闭设备利用 坝顶门机。 5 沈阳工业大学硕士学位论文 1 - 2 5 电站 1 、进口拦污栅 进口拦污栅采用平面滑动拦污栅，焊接钢结构，孔口尺寸为2 2 r e x4 5 m ，设计 水位差为3 m ，单吊点，孔口数量为2 孔，数量为2 扇。栅条间距8 0 i i n ，由坝顶门 机配自动抓梁启闭。 2 、进口事故检修闸门 进口事故检修闸门采用平面定轮钢闸门，焊接钢结构，孔口尺寸为2 5 r e x 2 5 m ，设计水头为1 0 m ，运用条件为动水启闭，不调节流量，孔口数量为1 孔。为 使泥沙不进入闸门井内水封设在上游侧。由于在动水关闭时，不能单靠自重下降， 采用图2 1 _ c 型式利用水柱下门。闸门在不挡水时锁定在门槽的项部，利用门机启 闭。 3 、尾水检修闸门 尾水检修闸门为平面滑动钢闸门，焊接钢结构，孑l 口尺寸为4 7 2 m x 2 0 2 m ，设 计水头为1 2 0 m ，双吊点，运用条件为静水启闭，不调节流量，孔口数量为1 孔， 闸门数量为1 扇。启闭时首先平压，闸门在静水中启闭。闸门的启闭设备采用两台 3 0 k n 手拉葫芦。 6 沈i t 1 3 5 业大学硕士学位论文 2 闸门设计中新方法的应用 2 1 闸门利用水柱下降的方法 潜孔式平面闸门在动水条件下关闭孔口时，有时由于摩擦阻力过大，不能依靠 闸门自重下降关闭孔口”：，有的采用机械下压力的方法迫使闸门下降，也有的采用 加重块，为了节省资金，对于潜孔平面闸门则利用水柱下降。“1 ，即将闸门顶、侧 封水布置在闸门的下游侧，底封水布置在闸门的上游侧，形成垂直水柱作用在闸门 的顶主梁上追使闸门下降，如图2 1 a 所示，工业取水口进口事故检修闸门采用了 此种型式。 上述这种方法是我们在工程实践中经常使用的传统方法，在工程中得到广泛应 用“。由于露顶式平面闸门和上游封水式潜孔平面闸门也存在着在动水条件下操作 不能依靠闸门自重下门的情况，我们采取的方法往往是机械下压力或加重块，前一 种方法对于启闭机的选用受到了限制，后一种方法却增加了资金的投入，我们结合 工程实际在露顶式平面闸门和上游封水式潜孔平面闸门上利用水柱进行理论探讨和 实践运用，如农业取水口事故检修闸门和电站进口事故检修闸门等均利用图2 1 c 这种型式。 图2 1 闸门利用水柱示意图 7 沈阳工业大学硕士学位论文 下面以具有普遍性的三主横梁的平面闸门为例，把闸门最下面的两主梁间的面 板移到主梁后翼缘处，形成局部后面板，结合最下面的两根主梁形成箱形体，如图 2 1 b 、c 所示，存储水体，这部分水的重量压在闸门上，用以代替加重块，同样达 到下门的效果。对于露顶式平面闸门来讲，水柱极易形成，可以调节流量，并且用 水柱代替加重块，节省了资金的投入，节省了加重块的安装、检修和更换，增加了 经济效益；对于露顶式双扉闸门的下扉门需要加重时，同样可以利用此种方法。对 于上游封水式潜孔平面闸门来讲，除具有露顶式平面闸门利用水柱的优点外，并且 竖井内没有水，尤其是对于进水口第一道闸门，利于闸槽的检修；对于利用自动挂 脱梁操作的闸门，闸门封水布置在上游侧，不仅节省了加重块，而且水流条件好，改 善了自动挂脱梁的工作环境，增加了自动挂脱梁的工作可靠性，一但出现事故便于 处理。 因此把闸门结构略加改动，充分利用水柱，就会收到很好的效果。对于多主梁 的平面闸门，可视利用水柱的多少来改变梁格的数目“。通过设计回访，认为这种 结构型式从理论和运用情况看是可行的，为今后类似工程设计提供了新的方法和途 径。 2 2 三向应力折合计算方法 上节提到的闸门利用水柱迫使闸门降落，而此时闸门主梁承受三个方向的外力 “3 作用，如图2 2 所示：水平方向水压总合力p ，垂直方向水压总合力w 和侧向 水压总合力n 及n 力在作用线与梁的横截面形心间有一偏心距而产生的弯矩 m _ n e 。 这样主梁受力情况相当复杂，外力荷载所产生的应力9 8 有( 图2 2 中所示为某 一断面的应力示图，以下各表达式中的应力均为相应断面的应力值) ： 水平水压总合力p 在水平方向主梁前后翼缘处产生的应力o 。、o ：。 垂直水压总合力w 在连续梁上下翼缘处产生的应力o 。、o 。 侧向水压总合力n 在整个截面上产生的压应力o ，及侧向水压总合力n 产生的 偏心弯矩在水平方向主梁前后翼缘处产生的应力。j 、o 。 那么这些三向应力应如何折合昵? 情况很复杂，而且容易混淆，尽管有些 专业书籍也给出了原则性的公式，运用起来还是不易掌握，为方便使用，下面 将分两种具体情况进行归纳、论述应力折合方法。 8 沈阳t 业大学硕十学位论文 图2 2 主粱受力示意图 l 、连续梁为偶数跨( 以四跨为例) 以图2 3 a 、c 为例。图a 为水平荷载产生的弯矩图，2 2 断面弯矩值最 大，产生的应力值也最大；图c 为垂直荷载产生的弯矩图，3 - - 3 断面弯矩值最 大，产生的应力值也最大。这样应该把l l 断面与3 3 断面、2 2 断面与 4 4 断面的应力值分别相折合进行计算，但图c 中3 3 断面、4 4 断面均 处于连续梁的支座处，为方便、安全计，直接把2 2 断面应力与3 3 断面 应力相折合就可以了，结果为： o ：。= 0 。一0 。一0 。一0 ：( 顶主梁后翼缘的下边缘) o 。2 _ 0 ：+ o 。一o 。一o i ( 顶主梁后翼缘的上边缘) 2 、连续梁为奇数跨( 以三跨为例) 以图2 3 b 、d 为例。图b 为水平荷载产生的弯矩图，2 2 断面弯矩值最 大，产生的应力值也最大；图d 为垂直荷载产生的弯矩图，3 3 断面弯矩值最 大，产生的应力值也最大。而3 3 断面处于连续梁的支座处，4 4 断面处于 连续梁的跨中处，根据不同的情况有时无法判断哪个断面的折合应力最大，这 9 沈刚工业大学硕士学位论文 样应分别进行l l 断面与3 3 断面、2 2 断面与4 4 断面应力折合计 算。 3j 4 墨理翼巧空叮噬$ 3 1 4 图( c ) 1 11 2 翎咖杪 1 1i 2 目( b ) b 图2 3 内力示意图 ( 1 ) 1 1 断面与3 3 断面应力的折合结果为： o ：。= o ：一o 。一o 。一o 。( 顶主梁后翼缘的下边缘) 0 。= o2 + 0 。一。一o 。( 顶主梁后翼缘的上边缘) ( 2 ) 2 2 断面与4 4 断面应力的折合结果为： o 。= o2 + o 。一o 。一o i ( 顶主梁后翼缘的下边缘) oa 。= 0 。一o 。一0 。一o 。( 顶主梁后翼缘的上边缘) 通过设计回访和运用情况来看，这种计算方法是安全可靠的。 2 3 插值法的应用 插值法是一种应用十分广泛的数值方法“，例如在研究某些变量f f i j 的关系 时，是通过观察、测量或其它实验手段而获得的一组数据( x ，y i ) ( i = o ，1 ，2 ，n ) ， 通过这一组数据来找出变量y 与x 之间的函数关系y = f ( x ) 的一个近似表达式； 又如在使用数学用表时，往往要查找的值在表中不能直接查到，如何通过该数 表利用所查值附近的一些数值“推算”出该点的值，这些问题实际上就是插值 法所要解决的问题。 在水工金属结构设计计算过程中经常需要查表，但多数值在表中不能直接查 到，如计算面板的有效宽度系数时，当l d b = 1 3 时；l 的值就需要用插值法进行插值 1 0 一警 挚 沈阳 ：业大学硕士学位论文 计算才能得到。在水利水电工程钢闸门设计规范( 以下简称“规范”) 附录d 表 d 2 ，附录g 表g i 、表g 2 、表g 3 、表g 4 ，附录j 表j l 中都存在用插值法进行插值 计算的情况。 插值法很多，有拉格朗日插值、牛顿插值、埃特金插值、埃尔米特插值、分段 插值、样条插值等等。其中拉格朗日插值法又有一次线性插值、二次抛物插值、三 次插值直至门次插值。 我们知道高次插值有它的缺点，插值函数与被插值函数在某些点处的值偏差较 大，会发生“龙格”现象，为避免发生“龙格”现象又要满足计算精度要求，同时 结合规范附录表中给值特点，我们可应用拉格朗日一次、二次、三次插值、牛 顿插值、样条插值进行插值计算。 下面以表2 1 为例，分别利用上述方法进行插值计算求当如忙1 3 时f 的 值： 1 、一次线性插值法( 选取2 个点) ： 公式：y ( x ) = 毒。= 三兰y 。+ 三竺， 妣加，) 咱= 导警o 。+ 等o s s - o s o s 此种方法的优点是计算方便，简单；缺点是此公式由两点式直线方程演变而 来，从“几何”意义来讲，在 丑，如 区间内用直线段代替了曲线段，在整个区间 内用折线代替了曲线，误差较大。 2 、二次抛物插值法( 选取3 个点) ： 公式：贝曲= 1 = 则 垒二兰i 垒二兰! ( 一m ) ( x o 一知) +( z 一灿) 一z z ) t 一胁) 0 一一戈2 ) 朋。h - = 等豢祭群 + 业二! 丛! 二! ：型o 7 ：o 5 1 5 2 ( 2 0 1 ) ( 2 0 1 5 ) 此种方法明显比一次线性插值精度高。 ”+ ( x - x o ) ( x - x , ) v ： 。 ( x z 一觚) o ! 一z ，) 。 ( 1 5 1 ) ( 1 5 2 o ) 。霉它墨厘n；毒蝌h*龌最善隧茸(一on一足鼍：o蚓日趔g一 鲁ni弋0，耵错粕(qoi)-(s：s近缎墨篷晕g鲁【遗新*仪：申=区坎匿悟并蝴， 一in谁离文椒b町群聋：糖鬟：轵掣长蜊苍r，一。划 n o o o o o e j 卜o 卜卜o 卜o 甘o o o 【o n 可o o o 【o o o _ 【 o 卜o o o o 叫o o o 叫o 卜o 卜o o 叫o n o 。：裁嶙巡撼辏忙窨辎旧t碳 戗魍g扑书匿扑爿一医爆 沈阳工业大学硕士学位论文 3 、三次插值法( 选取4 个点) ： 缄y 咱= 等x 畿l 蒜x zix墨ox o 等篆蒜焉弘 l 如一儿知一j t x i 一如儿m 一知儿m 一而j + ( x - x o ) ( x - x , ) ( x - x on + ( x - x o ) ( x - x , ) ( x - x o 弘 一m ) 一五) - x o7 ( x 3 一知) ( x 3 一m ) 一施) 。 贝n ：y o 3 ) = 喜= ( 1 3 石- 二1 i 5 面) ( 1 百3 二- 互z 面o 百) ( 1 二3 j ! - j 2 了一5 ) x 0 4 + ：i ：；：； ：；1 2 ；：篙x n s s + 坚二! ：! 丛! 二! ：塑：! 二型。o 7 + 业二! ：! 丛! = ! ：盟：! 二型。0 7 8 ：0 5 1 6 3 2 。( 2 0 1o ) ( 2 0 1 5 ) ( 2 0 2 5 )( 2 5 1 0 ) ( 2 5 1 5 ) ( 2 5 2 0 ) 4 、牛顿插值法： 公式：m ) = f l = f ( x o ) + ，；q ( x - x o ) + 厂 x o ，x l ，x 2 ( x - x o ) ( x - x o + + 厂 x o ， x 1 ，x ( x - x o ) ( x - x o ( x - x ，1 ) 其中， 岛，m ， ，丑，嗣，f 局，玉，五 分别为y ( 曲在点蜀， 如，蜀处的1 阶差商。 当n = o 时朋( 曲= f 。= ，( j 砀) 当n - - 1 时m ( 曲= f = ，( x o ) 玎 岛，五 ( x - x o ) = y o ( 曲手， x o ，置 ( x - x c i ) 当仃= 2 时m ( 曲= f = f ( 蜀) 玎 蜀，玉 ( j 碣) 玎 局，丑，丑 ( x - x i i ) ( 肖五) = m ( 曲 十， 蜀，丑，五 ( x - x o ) ( j 蜀) 当n = k 时n ( 曲= y k 。( 曲玎 蜀，x t ，蝴( x 强) ( 肖硝) ( j 一) 由此可见，七次牛顿插值仅仅是在k - 1 次牛顿插值公式的基础上增加了一项， 蜀，x j ，m ( x - x o ) ( 互嗡) ( 工皿) 作为对七一1 次插值的一种补偿或修正，提高了 插值的精度，这一过程可一直延续下去，直至得到较为满意的结果。 则：如( 1 3 ) = f = ，( 蜀) 二o 4 m ( 1 3 ) = f 。= 如( 1 3 ) - 玎 蜀，玉 ( x - , r j ) = 0 4 + 0 3 6 0 3 = 0 5 0 8 儿( 1 3 ) 二f ；= 儿( 1 3 ) + ， x o ，置，五 ( j 蜀) ( 肖墨) = o 5 0 8 + ( - o 1 2 ) 0 3 ( - o 2 ) = o 5 1 5 2 兕( 1 3 ) = f = 皿( 1 3 ) + ， x o ，蜀，西，禺 ( j 强) ( x 强) ( j 碣) 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 = o 5 1 5 2 + 0 0 2 6 0 3 ( 一0 2 ) ( 一0 7 ) = o 5 1 6 2 9 2 ( 各阶差商见表2 2 ) 由y 3 ( 1 3 ) 且( 1 3 ) 1 0 。3 2 可以看出，计算精度已足够高。 表2 2 差商表 5 、样条插值法： 样条( 勋l i n e ) 插值，是一种既能克服高次多项式插值的缺陷，又能保证一定光滑性 的插值。 样条一词来源于工程中的样条曲线，绘图员在描绘过已知点( 样点) 的光滑曲线 时，往往用细长的木条或金属条( 样条) 把邻近的几个点连接成光滑的曲线。这样描绘 出的曲线，实际上是一段段的三次曲线拼成的曲线，在拼接处，不仅连续，而且它的 一阶及二阶导函数也是连续的，通常把这样得到的函数叫作样条函数。 由于样条插值函数涉及函数的一阶、二阶导函数，而规范附表中给值不俱备 这样的条件，所以无法利用样条插值函数来求得，但我们可以利用软件来实现。如用 a u t o c a d 命令绘出表2 1 中部分点或全部点，然后利用绘图命令中的印l i n e ( 样条) 把 这些点连接起来，绘成一条样条曲线，再在这条样条曲线上量取相应位置的函数值， 如图2 4 所示。 则：y ( 1 3 ) = i 产! a b = 0 5 1 4 2 4 4 这种方法直观、方便、不用计算便可量得所需要的结果。 总之，通过工程实践的检验，认为插值法在设计计算中应用，计算精度提高，使 得工程更加安全可靠，为今后设计计算提供了更加方便、高效的计算方法。 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 l o o8 o 6 04 o2 0 一| b 113234 5 o b 图2 4f 。与l 帕关系曲线图 沈阳工业人学硕士学位论文 3 闸门主梁截面的优化 主梁计算截面和抗弯应力分布，如图3 1 所示。图中a 、a ：和a 3 分别表示前翼缘、 腹板和后翼缘的截面面积。a 为总面积，即a = a + a ：+ a 。h ，和h ：分别表示梁的高度和腹板 的高度。和o ：分别表示前翼缘和后翼缘处梁的抗弯应力。令x l = lo o ：l ， x 2 = o 5 ( h + h ：) ，m - h 。6 。对于一般闸门主梁，从强度角度来看，梁的截面往往受弯矩 控制，其腹板的厚度往往取决于板的稳定条件，腹板高度与厚度的比值m 可视为常量。 图3 1 主粱计算截面和抗弯应力分布 因翼缘板的厚度远小于梁高，故在强度计算中可以近似地用平均高度x 。代替梁高h ，和腹 板高度h 。进行上述简化后便可导出“”： 。：上一望 ! 二蜷( 3 1 ) x 1 - x2o h x 1 月一董 月。：生一望二型篓 x 26 m 4 ：竺吐生+ ( ! 生生 x i x 26 m x l 1 6 ( 3 2 ) ( 3 ，3 ) ( 3 4 ) 沈阡i j r 业大学硕士学位论文 式中_ l v _ 梁所需要的截面抵抗矩，即最大弯矩同容许应力的比值。 在前翼缘有梁的应力同面板应力叠加问题，面后翼缘无此问题。进而第一个约束条 件可根据面板的局部弯曲应力o 。和水利水电工程钢闸门设计规范d l t 5 0 1 3 9 5 有 关规定给出： xl c i 式中： 铲f 吁丽一忙1 苫鬻 在梁系布置和面板厚度已知的前提下，面板参与主梁工作的有效截面面积，可近似 地视为常数，并用c 2 表示，则有； a l c 2 这便是第二个约束条件。 为满足刚度要求，实际采用的梁高不能小于最小梁高h 晌，即 x z h n 这便是第三个约束条件。 此外，x 。显然只能大于零。为采用相同的形式，以便于编写电算程序，故取 x l - o 1 o 这便是第四个约束条件。 还有一些约束条件，因通常不起控制作用就不列出了。 闸门的部分竖向构件( 如隔板的腹板) 的高度，通常取决于梁高，应计入这种影 响。若用k 表示这种构件计算长度的总和同主梁腹板计算长度的总和之比，则这种构 件的面积可用k a 2 表示。进而可取“a * 泌2 一最小”为优化目标。其数学模型如下： 目标 ( x l , x2 ) = 型+ 蛙掣羔+ 堕一最小 1 7 沈阳：f 业大学硕士学位论文 约束条件 求x 1 和x 2 ，- 0 - ，j ：) = f - 一j - 0 o ：) ：上一粤二! 毽一 工i x 2b 凹j l ，3 0 l ，x 2 ) = x 2 一hnm 0 ，。臼1 ，x 2 ) = 【一0 1 0 这显然是有约束的非线性规划问题。这个问题可用微分法解出，其结果如下 一f c ， ， 【( 6 r o w + d 3 ) ( 2 d ；+ 6 m e2 d 3 ) 铲 乏 ( h o h 。i 。时) ( h o h m i n 时) ( d l d 2 时) ( d 1 d 2 d 3 时) ( d2 d 3 时) ( d z j z 时?( 3 5 ) ( d 2 x 2 时) 、7 f3 q + c o r n 饥2 可i 面鬲 矾= v2 3 川m w+2 + 2 mc t c e ) 3 + 据一繁n 麓，3 d 3 ：( 1 - 0 4 4 2 0 8