（水工结构工程专业论文）大型人字闸门计算与试验研究.pdf

摘要 船阉入字阐门( 以下简称阐f - j ) 有两种不秘的工作状态，一为开肩工作状态， 一为关闭工作状态。两种工作状态的支承条件及受力状况大不相同。闸门处于开启 获态时，主要承受自重及壅水压力、风压等日l 起的扭转作用；而闸门处于关闭袄态 时，则主要承受由水压、风压引起的整体簿曲作用。在闸门设计时，应满足两种工 作状态的受力要求。 目前，较常见的闸门门型有封闭式、半封闭式和开敞式三种。国内外也曾研究 过双西板的门型，但因该门型用钢量大，又不便于制造，且运行期间维护也较困难， 故在工程实践中较少采用。封闭式、半封闭式门型，其封闭、半封闭部分主要是增 加阔门的抗扭刚度，但这部分存在着与双蕊板相同的缺点。拜敞式门型，其用钢量 较省，制造也方便，且在背拉杆中施加预应力可以调整闸门的状态，消除由于闸门 自重g 起的扭转变形，使其自由悬挂瞎基本处于铅赢状态，故该门型应用较广泛。 但由予该门型剪心与质心不重合，抗扭主要由背拉杆和面板承担，对鸳拉杆施加的 预应力也较大，因而增加了闸门安装的复杂程度。此外，由于背拉秆处于较高应力 状态，在闸门运行过程中会出现松弛现象，因此，皮长期监铡其应力状况，增加了 一定的维护工作量。 对于窄而离的开敞式闸门门型，为保证背拉杆安装及预应力簏加的要求，传统 上布置三层背拉秆。但檄据万安工程的经验，三层背拉杆给制造、安装尤其是预应 力的施加带来了较大的困难，由于各层背拉杆的相互影响，报难准确地施加既定的 预应力。此外，多一层背拉杆，也多一份维护工作量因此，减少开敞式闸门的预 应力背拉杆的屡数，具裔现实的工程意义。 菜工程为一开敞式闸门，该闸门门体高度为4 2 4 m ，单扇门的计算跨度为 1 3 7 5 m ，主粱腹梗高度为2 雎，高宽比大于3 ，这在巨型人字门中是罕见的。本文对 其原设计方案进行了调整，为了对其在各种工况作用下的性态进行分析，本文首先 运用有限元理论，编制了针对性较强的计算程序，并进行了背拉杆布置方案的优化， 提出了等效抗扭管的概念，利用筒板、竖向隔板、燕梁腹板以及与主梁下翼缘平面 握联的交叉杆组成一个等效挠扭镑，一方掰提高门体的抗扭熙l 度，另一方面，缩短 门体下游面完全敞开部分的高度，以达到布置两层预应力背拉杆的目的，同时，在 门体下面布置横向交叉杆件，对下部主梁下翼缘与竖向隔板下翼缘之间的连接焊缝 或加强板的受力也有利。 背拉杆的面积及预应力的确定：目标函数是使背拉杆所施加的预拉力之和最 小，约束条件是：a ) 在闸门自然悬挂时，闸门门体右下角点( 通常是径向变位最大 的点) 的径向变位接近于零；b ) 其他各工况作用下均不允许背拉杆的应力大于 1 0 5 m p a 或小于4 5 m p a 。上述问题是一个非线性的优化问题，为减少问题的复杂程 度，结合工程上的实际情况，我们选取上、下主背拉杆的面积相等，上、下付背拉 杆的面积相等，应用优选法分两个阶段进行预应力大小及背拉杆面积的选取，最终 选定主背拉杆面积a 。= 0 0 2 0 m 2 ，付背拉杆面积, - - o o l o m 2 ，以及背拉杆的预拉力。 他们分别是：上主背拉杆：1 4 3 0 k n ：下主背拉杆：1 5 0 0 k n ；上付背拉杆：6 5 0 k n ；下付 背拉杆：6 5 0 k n 。 为进一步明确闸门的工作状况，制作了t l o 的模型。 利用开发的有限元程序进行了原型和模型分别在开门状态和关门状态下各种 工况的计算分析，计算模型的目的主要是为了指导模型试验，为模型试验的加荷提 供依据。 在有限元分析的基础上，为完成模型试验，设计了加荷装置，尤其提出了模拟 壅水压力和风压力的等效荷载法，实践证明，该法行之有效。同时，可利用该法的 原理，在闸门安装的过程中，准确地施加背拉杆的预应力。 本文最后进行了闸门的模型试验。 通过上述工作，本文得出了如下结论： 1 ) 人字闸门处于关闭状态： 此时门体结构只承受静水压力，自重和预应力背拉杆此时所产生的应力和变形 都非常小，可以忽略，静水压力通过左右两扇门门轴柱上的侧向支承传给闸首的侧 墙。 2 ) 人字闸门处于开门状态： a ) 在门体结构自重作用下，主背拉杆都受拉，副背拉杆都受压，在实际工程 中由于一般副背拉杆的长细比较大，承受的压应力很小就会失稳而退出工作，从而 会增大主背拉杆应力和门体结构上、下角点的径向位移，造成对接柱严重不垂直。 b ) 入字闸门开、关，上、下游壅水压力和风压力作用时，引起主、副背拉杆 的应力和门体结构上、下角点的径向位称，其绝对值相等，而符号相反。 c ) 自重和上或下游壅水压力及风压力共同作用引起主、副背拉杆的应力和门 体结构上、下角点的径向位移等于它们单独作用时的代数和，即符合迭加原理。 d ) 主背拉杆加预应力后，预应力损失约4 0 ；副背拉杆加预应力后，预应力增 加约2 0 。这是由于门体结构在背拉杆预应力作用下，引起内部应力和变形调整， 结果使背拉杆节点位移偏向主背拉杆，减小了主背拉杆的有效应变，而增加了副背 拉杆的有效应变。 e ) 门体结构自重产生的径向位移，在背拉杆加了预应力以后其值基本为零 ( 残留的径向位移：- i 2 r a m ) 。 f ) 人字闸门开门时，副背拉杆的应力最大为1 0 3 n m m 。门体角点相对径向位 移 一7 3 1 9 1 2 0 = 一7 4 3 9 m 。 g ) 人字闸门关门时，主背拉杼的应力最大为9 6n m i l l 2 i 副背拉杆的最小应力 为4 8 4n r a m 2 。门体角点相对径向位移；7 3 1 9 - i 2 0 = 7 2 o l m m 。 3 ) 模型试验也证实了有限元分析的结果，试验与理论分析的误差在工程允许 的范围之内。 综上可知，人字闸门的理论分析是正确的，其闸门门体的设计、背拉杆截面尺 寸和预应力设计符合优化条件，因而也是合理的。 关键词人字闸门、船闸、模型试验、有限元分析 i l l a b s t r a c t m i t e rg a t e so fl o c ka r ew o r k i n gi nt w od i f f e r e n ts t a t e s o n ei su n m i t e r e d ，t h eo t h e r m i t e r e d t h e r ea r eg r e a td i f f e r e n c ei nt h es u p p o r t sa n db e a r i n gf o r c e si nt w os t a t e s w h e n u n m i t e r r e d ，m i t e rg a t eb e a r st o r s i o no fd e a dw e i g h lt e m p o r a lh c a d ，i n c l u d i n gh i 曲o rl o w p o o l ，a n dw i n d i n gp r e s s u r e w h e nm i t e r e d ，m i t e rg a t eb e a r sg r o s sb e n d i n go fh y d r o s t a t i c a n dw i n d i n gl o a d i n g m i t e rg a t em u s tm e e tt h eb o t hd e m a n d s t h e r ea r et h r e ec r o s s s e c t i o nt y p e so ft h ec o n v e n t i o n a lg a t e ，c l o s e d ，s e m i c l o s e d ， o p e n e d t h ed o u b l e - s k i np l a t ev c a sr e s e a r c h e di nt h ep a s ta n dw a sl e s si nu s i n gb e c a u s e o fi t sd i s a d v a n t a g e s ：i n c r e a s e da m o u n to fs t e e lr e q n i r e d , i n c r e a s e dc o s ta n dd i f f i c u l t yi n f a b r i c a t i n gt h e c l o s e ds e c t i o n s ，a n di n c r e a s e dm a i n t e n a n c ec o s t sa n dd i f f i c u l t yo f i n s p e c t i o no ft h ee n c l o s e dr e g i o n s t h ec l o s e do rs e m i - c l o s e dc r o s s s e c t i o no ft h e c o n v e n t i o n a lg a t ei n c r e a s e st o r s i o ns t i f f n e s s ，b u tt h ed i s a d v a n t a g e sa r ea ss a m ea st h e d o u b l e - s k i np l a t e 。t h eo p e nc r o s s s e c t i o ni sw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n gb e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e s ：l e s sa m o u n to fs t e e lr e q u i r e d , l o w e rc o s ta n dc o n v e n i e n c e i nf a b r i c a t i n g , a n d u s i n gp r e ，s t r e s si nt h ed i a g o n a l sa d j u s t i n gt h eo u t - o f - p l u m bd i s p l a c e m e n to ft h eg a t e b u t t h ed i s a d v a n t a g ei st h ed i f f i c u l t yi ns e t t i n gg a t eb e c a u s ei t ss h e a rc e n t e ri sn o tn e a ri t s g r a v i t yc e n t e r t h et o r s i o ni sm o s t l yb e a r db yi t ss k i np l a t ea n di t sd i a g o n a l s t h e r e l a x a t i o nm a yo c c a ri nt h ed i a g o n a l sd u et ot h er e l a t i v e l yh i 曲p r e s t r e s s ，s ot h a tt h e m a i n t e n a n c ec o s t sm a yi n c r e a s e f o rt h ec o n f i g u r a t i o no ft h ed i a g o n a l sa n dt h ed e m a n d so ft h ep r e s t r e s st h e r ea r e t h r e el a y so fd i a g o n a l si nc o n v e n t i o n a lg a t ef o rw h i c hh e i g h tg r e a t l ym o r et h a nt h ew i d t h w i t ho p e nc r o s ss e c t i o n i ti sd i f f i c u l tf o rf a b r i c a t i n ge s p e c i a l l yf o rp r e s t r e s s i n gt h e d i a g o n a l so ft h l 陀el a y sb e c a u s eo ft h ee a c ho t h e ri n f l u e n c e s t h e r e f o r e ，d e c r e a s i n gt h e l a y so f t h ed i a g o n a l si ss i g n i f i c a n tt oe n g i n e e r i n g t a k eam i t e rd a t ea sa ne x a m p l e e a c hm i t e rg a t el e a fw i t ho p e nc r o s ss e c t i o nf o ra l o c ki s4 2 4 mh i g ha n d13 7 5 mw i d e t h eg a t eh a st h ec o n v e n t i o n a l ，f x a n l ec o n f i g u r a t i o n , u s i n g2 3h o r i z o n t a lg i r d e r st h a t2 m1 l i g ha st h em a i nl o a d - c a r r y i n gm e m b e r s t h et h e s i sd i dt h ef o l l o w i n gw o r k s ：1 ) a d j u s t i n gt h eo r i g i n a td e s i g n ；2 ) d e v e l o p i n g i v f e ap r o g r a mf o rt h eg a t e ；3 ) o p t i m i z i n gt h ed i a g o n a l sc o n f i g u r a t i o nu s i n gc o n c e p to f e q u i v a l e n tt o r q u e - t u b e ，t h a ti n c r e a s et h et o r s i o ns t i f f n e s sa n dd e c r e a s et h eo p e nh e i g h to f d o w n s t r e a mf a c et os e to n l yt w ol a y so fd i a g o n a l s m e a n w h i l e ，s e t t i n gt h et o pa n d b o s o mx b r a c i n go f t h eg a t ei sh e l p f u lt ot h e j o i n tw e l d i n go f d o w nf l a n g eo f g i r d e ra n d v e r t i c a ld i a p h r a g mo rg u s s e tp l a t e ；4 ) d e t e r m i n i n gt h ec r o s ss e c d o na n dp r e - f o r c e so f d i a g o n a l s 、i n i n i i n i z et h es u mo ft h ep r e - f o r c e so fa l lt h ed i a g o n a l ss u b j e c tt ot h e c o n s t r a i n s ；a ) t h eo u t - o f 却l u m bd e f l e c t i o no ft h eb o t t o ma n dr i g h tp o i n ti s0i nn a t u r a l a p p e n d i n g ；b 1t h es t r e s s e so fd i a g o n a l sa r el e s st h a n1 0 5 m p aa n dg r e a t e rt h a n4 5 m p a u n d e rv a r y i n gc o n d i t i o n s s i m p l y , a s s u m i n gt h es a m ec r o s ss e c t i o n so f p o s i t i v ed i a g o n a l s ， a n dt h a to f n e g a f i v ed i a g o n a l st o o t h er e s u l t so f t h eo p t i m i z a t i o ni s ：t h ea r e ao f t h e ma r e o 0 2 0 m 2 ，o o l o m 2r e s p e c t i v e l ya n dt h ep r e f o r c e sa l e1 4 3 0 k nf o ru pp o s i t i v ed i a g o n a l ， 15 0 0 k nf o rd o w np o s i t i v ed i a g o n a l ，6 5 0 k nf o ru pa n dd o w nn e g a t i v ed i a g o n a l s ；5 ) d e s i g n i n gt h e1 ：1 0m o d e lo ft h eg a t e ；6 ) t a k i n gf e af o rp r o t o t y p eg a t el e a f , a n df o r g i v i n gs t e e r i n gt h em o d e le x p e r i m e n tt oa n a l y s i st h em o d e lg a t et o o 7 ) d e s i g n i n gt h e d e v i c e so ff o r c i n g ，e s p e c i a l l yt h a to fs i m u l a t i n gt h et e m p o r a lh e a dl o a d s t h ed e v i c ec a n b eu s e dt op r e f o r c et h ed i a g o n a l si nc o n s t r u c t i o n ；a n d8 ) m o d e le x p e r i m e n t i n g t h et h e s i sc o m e st ot h ec o n c l u s i o n st h r o u g ht h ea b o v e - m e n t i o n e dw o r k s ： 1 ) m i t e rg a t ei nm i t e r e ds t a t e ： t h eg a t el e a fs t r u c t u r eb e a r s o n l yh y d r o s t a t i cp r e s s u r e t h es t r e s s e sa n dt h e d e f l e c t i o n sd u et ot h ed e a dl o a da n dt h ep r e f o r e e so ft h ed i a g o n a l sc a nb ei g n o r e d b e c a u s et h o s ea r cv e r ys m a l l 2 ) m i t e rg a t ei nu n m i t e r e ds t a t e ： 幻b e f o r ep r e s t r e s s i n gt h ep o s i t i v ed i a g o n a l so ft h eg a t ea r ei nt e n s i o na n dt h e n e g a t i v ed i a g o n a l sa r ei np r e s su n d e rt h ee f f e c to f d e a dl o a d t h em i t e re n d m a yh a v em u c hm o r eo u t - o f - p l u m bd i s p l a c e m e n tf o rt h eb u c k l i n go ft h e n e g a t i v ed i a g o n a l s b ) t h ea b s o l u t ev a l u eo ft h es t r e s s e sa n dt h ed e f l e c t i o n si nd i a g o n a l sa n dg a t e l e a fs t r u c t u r eu n d e rt e m p o r a lh e a dl o a d sf 6 舳u p s t r e a mo rf r o m d o w n s t r e a m ) a r ee q u a l ，b u tt h ed i r e c t i o n sa r eo p p o s i t e v c ) t h es h e s s e sa n dt h ed e f l e c t i o n si nd i a g o n a l sa n dg a t el e a fs t r u c t u r eu n d e r t e m p o r a lh e a dl o a d sa n d d e a dw e i g h ta l ea c c o r d e dt os u p e r p o s i t i o nt h e o r e m d ) t h e r ei sa b o u t4 0 s l t c s sl o s sf o rp o s i t i v ed i a g o n a sa n da b o u t2 0 s t r e s s g a i nf o rn e g a t i v ed i a g o n a l sa f t e rp r e s t r e s s i n g e ) t h eo u t - o f - p l u m bd e f l e c t i o no ft h eb o r o ma n dr i g h tp o i n ti sn e a r l y0 ( t h e r e n m a n ti s 1 2 r a m ) a f t e rp r e s t r e s s i n gd i a g o n a l su n d e rd e a dw e i g h t f ) w h e ni nu n m i t e r e ds t a t e ，t h em a xs t r e s so fn e g a t i v ed i a g o n a li s1 0 3 n m m 2 ， a n dt h eo u t - o f - p l u m bd i s p l a c e m e n ti s 一7 4 3 9 m m g ) w h e ni nm i t e r e ds t a t e ，t h em a xs t r e s so fp o s i t i v ed i a g o n a li s9 6 n r a m 2 ，t h e m i ns t r e s so fn e g a t i v e d i a g o n a l4 8 4 n m m 2 ，a n dt h eo u t - o f - p l u m b d i s p l a c e m e n t7 2 0 1 m m ， 3 ) t h em o d e le x p e r i m e n tc o i n c i d e sw i t ht h ef e ai ne n g i n e e r i n gm e a n i n g a sa b o v e ，t h ea n a l y s i st ot h eg a t el e a fi sr e a s o n a b l e ，a n dt h ed e s i g no ft h eg a t el e a f s t m c t u r e ，d i a g o n a l s ，a n dt h ep r e f o r c e s a l es o u n d k e yw o r d s ：m i t e rg a t e ，l o c k ，m o d e le x p e r i m e n t , f e a v i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有 瓤窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承 担由此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者： 动杉汨厶 f i 2 0 0 4 年4 月2 0 日 引言 人字闸门是承受单方向水压力的大型船闸优先选用的一种常见的闸门型式，相 比较于其他闸门型式，它可节省钢材，减轻闸门的自重，降低造价。在高水头、大 跨度的船闸中上述优点尤其突出。此外人字闸门还具有运转可靠、启闭省力、操作 方便迅速、通航净空不受限制的巨大优点。但人字闸门的不足之处是底枢等支承运 转部件、门底止水和门体下部长期淹没水下，需水下检修，增加了维修工作的困难； 当闸门进行大检修时，甚至要求闸门断航排水。如果闸门的三个铰链发生非常位移 时，则会对闸门的工作产生严重的影响。此外，人字闸门只能在静水中启闭，必须 另设输排水通道等。 随着我国水利水电事业和航运事业的发展，船闸人字闸门得到了广泛的应用。 前人也做了大量的研究工作。近几十年来，我国已建成了数十座人字闸门，其中， 葛洲坝l 号、2 号船闸人字门、三峡船闸人字门就是最著名的代表。但船闸人字闸 门尤其是水利水电工程中的人字闸门，受通航闸室位置布置的限制，有向更高、更 大方向发展的趋势。对于这些大型船闸人字闸门的结构型式、受力特征、尤其是影 响闸门安全、运行的关键部件还有待于做更深入的研究，特别是对于有些特殊的人 字闸门。他们的高度巨大，但宽度并不一定很大，即所谓的高而窄的闸门，如何进 行门体结构的布置，他们的受力特性如何，这些都不同于过去已有的研究成果。而 这类船闸人字闸门随着我国西部的水利水电工程的进一步开发，将不可避免地愈来 愈多地出现在我们的面前。例如本文的工程对象大藤峡水利枢纽船闸人字门，它高 4 2 4 m ，但宽仅1 3 7 5 m ，高宽比大于3 这类高宽比大于3 的人字闸门，过去遇到 过，如万安船闸人字闸门等，但如此巨大的尺寸，却是从未有过的。根据目前的资 料，大藤峡人字闸门是世界上准备兴建的最高的人字闸门，它比我国著名的三峡永 久船闸上游一级闸首的人字闸门( 高3 9 7 5 m ) ，还高2 6 5 m 。因此，为了更安全和 经济合理起见，必须全面研究n l t f l 体的工作性态。针对大型开敞式船闸人字闸门 的特点，本文主要讨论如下几个问题： 1 针对船闸人字闸门的结构组成，提出了将其部分视为薄壁构件的思想，并 进行了相应的程序设计工作。 2 对大藤峡船闸人字门的原初步设计方案进行了初步优化。 3 对人字闸门进行了有限元分析，揭示了人字闸门在各种可能的工作状态的 应力和变形。具体工作如下： 1 ) 通过对结构布置进行优选，选择适合巨型人字闸门的背拉杆布置方案： 2 ) 通过对各种状态下闸门的计算，确定背拉杆的预应力大小： 3 ) 全面分析巨型开敞式人字闸门在各种工作状态下的应力、变形情况： 4 为验证计算结果的可靠性，制作人字闸门的模型，同时计算模型在各种工况 下的工作状态，以指导并进行模型试验； 5 通过模型试验，验证分析结果的正确性； 6 通过模型试验，找出了预应力背拉杆的准确、简便的预应力施加方法。 第1 章概述 人字闸门是船闸闸门中最常采用的一种型式，它是由左右两扇门叶及支承门叶 的部件所组成。闸门开启时，门叶绕顶、底枢轴转动，打开后隐靠在门龛中。闸门 全关闭时，其水平投影呈人字状，故而得名。 由于人字闸门是由两扇门组成，并在斜接柱处相交，形成人字状三铰拱，因而 门跨相较于其他闸门型式而言可以缩短，可以合理布置拱轴压力妁作用点，达到减 小主梁弯矩的目的，从而节省钢材，减轻闸门的自重，降低造价。在高水头、大跨 度的船闸中上述优点尤其突出。此外人字闸门还具有运转可靠、启闭省力、操作方 便迅速、通航净空不受限制的优点。 人字闸门的不足之处是底枢等支承运转部件、门底止水和门体下部长期淹没水 下，需水下检修，增加了维修工作的困难；当闸门进行大检修时，甚至要求闸门断 航排水。如果闸门的三个铰链发生非常位移时，则会对闸门的工作产生严重的影响。 此外，人字闸门只能在静水中启闭，必须另设输排水通道；人字闸门只能承受单向 水头等 综上，一般大型承受单向水头的船闸，除有特殊需要外，都优先选用人字闸门。 表1 - 1 是据不完全统计，我国已经建成的大、中型人字闸门陆1 ”。表1 - 2 是国内 外已经建成的总水头大于3 0 m 的多级船闸一览表。从表中可以看出，近些年来，世 界上的大型多级船闸主要建在中国。因此，我国在船闸入字闸门的研究和建造技术、 管理水平等诸多方面已处于世界水平。 表i - i我国大、中型船闸人字门统计表 序大型船闸人字门( h 1 3 5 r a )大型船闸人字门( h 1 3 5 m ) 号 船闸名称高h ( m ) 宽b ( 神船闸名称高h ( m ) 宽b ( m ) 1 蚌埠( 下闸) 1 4 6 08 3 0四女寺( 上闸)8 2 48 9 0 2 郑家岗1 8 7 07 2 3入黄口( 下闸)1 0 4 6 6 8 7 3 七里垅 2 2 。1 07 7 0 水牛韩 8 9 04 1 0 4 红水河 1 5 0 06 1 0 蚌埠( 中闸) l o 7 08 3 0 5 西滓( 上闸) 1 4 5 09 1 0泗洪l o 5 04 4 0 6 西津( 中闸) 1 4 0 59 1 0沅江1 0 o o3 6 l 7 西津( 下闸) 1 6 8 09 1 0 白渔潭( 上闸) 1 0 4 54 6 5 8 新晃 1 4 0 03 0 0 双牌( 上闸) 8 2 34 7 6 9 水府庙( 上闸) 1 3 8 04 4 0 艳州 7 o o7 9 0 l o 水府庙( 下闸) 1 3 6 04 4 0 澧水( 青山闸) 1 1 5 04 2 0 l l 荥城 1 4 。0 06 。0 0花岩9 9 04 2 0 1 2 甘溪 1 3 8 5 4 3 2 葛洲坝3 抖( 上闸)1 2 0 01 1 0 0 1 3 自渔潭( 下闸) 1 4 0 8 4 1 0 车滩1 0 1 03 7 5 1 4 双牌( 下闸) 1 4 3 74 9 8 桥溪口 9 6 03 7 5 1 5 樊口 1 7 o o5 7渠江1 1 2 04 7 0 1 6葛洲坝2 # ( 上闸)1 3 5 5 1 9 7 0 芦家洞1 1 1 04 2 0 1 7 葛洲坝2 # ( 下闸) 3 4 o o1 9 7 0 泅阳( 上闸)7 4 0 1 1 5 8 1 8 葛洲坝3 ( 下闸) 3 2 5 01 1 o o 朱码 1 1 ，l l6 o o 1 9 凉滩 1 3 6 04 7 2 蒋坝( 上闸) 8 5 55 9 5 2 0泗阳( 下闸)1 3 4 0 1 1 5 8 蒋坝( 下闸)l o 0 0 5 9 5 2 l 赣江( 上闸) 1 7 5 08 5 0 运东 9 9 05 8 0 2 2 赣江( 下闸) 3 6 1 l8 9 3 淮沐( 上闸) g 6 05 9 5 2 3= 嶂3 8 5 0 2 0 2 0 淮沐( 下闸)1 1 1 05 9 5 2 4 大源渡 1 8 2 01 3 4 2 杨柳青 9 6 01 5 4 0 2 5宿迁1 1 7 08 8 8 2 6架桥石8 2 0 7 0 0 2 7 淮阴( 上闸) l o 3 0“5 8 2 8淮阴( 下闻)1 0 3 01 1 5 8 2 9 王福9 1 0 3 7 5 表l 一2 世界各国总水头3 0 m 以上的多级船闸一览表 总水 闸室尺寸 线级 有无 建成 国别船闸名称所在河流中间 头 数数年份 长 宽渠道 中国三峡 长江1 1 32 8 03 4双5 无 2 0 0 3 中国水口闽江5 91 6 01 2 监 3 无1 9 9 8 中国双牌潇水 4 35 68 堕 2 有 1 9 6 2 中国酒埠江 三汶江3 8 52 99 2 茁 2 无 1 9 5 9 中国五强溪 沅水6 0 91 3 01 2 j 邑 3 无 1 9 9 5 俄罗斯 布赫塔明 额尔齐斯6 81 0 01 8 盥 4 无 1 9 6 l 哥伦比亚 美国 福尔斯 支流惠勒6 1 66 41 2 2 苴4 无1 9 8 2 梅脱河 怀来特运圣劳伦斯 加拿大河第轧6水道怀来 4 2 5 2 3 5 2 4 5 双 3 无 1 9 5 9 号船闸特运河 乌克兰 第聂伯i 第聂伯河 3 7 4 1 2 0 1 8 苴 3 无1 9 3 4 罗马尼 亚南斯 铁门多瑙河 3 4 43 1 0 3 4双 2 无 1 9 7 2 4 拉夫 尼日利 卡因齐足日尔河 3 01 9 81 2 2 堕 2 无 1 9 6 0 亚 托坎廷斯 巴西库图鲁伊 7 12 2 03 3 苴 2 有不祥 河 加拿大韦l 、2 、3韦兰廷扣j 4 2 2 3 3 2 4 4 萱 3 有 1 9 3 2 加拿大 韦4 、5 、6 韦兰运河 4 32 3 3 52 4 4 双 3 无 1 9 3 2 威尔逊 美国田纳西河 3 0 51 8 33 3 5 堕 2 无不祥 ( 老) 1 1 人字闸门结构的组成 人字闸门的结构由以下部分组成：门扇承重结构、支承部件等。其中fj 扇承重 结构又由挡水面板、次梁、主梁、隔板、背拉杆、门轴柱以及斜接柱等组成。 人字闸门的主梁是门扇的主要受力构件。由面板和次梁传来的水压力是通过两 个门扇中相对应的主梁起三铰拱作用而传给闸酋边墩上的支承部件。主梁除承受弯 矩外，还承受三铰拱的轴向压力，因而必须按偏心受压构件设计。它通常杜采用实 腹式焊接工字形截面，这种实腹式截面有利于加强门扇的刚度。 背拉杆是门扇中起重要作用的构件。当闸门开启时，它可以减小由于门扇一边 悬挂而产生的下垂度和翘曲变形，保证门扇的几何不变性，增强门扇的抗扭刚度。 因而背拉杆对人字闸门的安全运转起着重要的作用，正确地设计背拉杆，可以将扭 矩变形减到最小。背拉杆有普通积预应力两神，一般大型船闸人字闸门大都采用预 应力背拉杆，以便更有效的加强闸门的抗扭刚度。 斜按柱和门轴柱与门扇的顶部、底部主梁一起构成门扇的外框，将全部主梁以 及其他部件联结成整个门扇。在门轴柱的上、下两端设置顶枢、底枢，门扇的启闭 是绕着由顶枢和底枢中心连成的竖直轴线而转动。在门轴柱的外侧，对应于每个主 梁布置支垫座，当闸门关闭时，能将主梁所传来的力传递给埋固在闸首边墩上的枕 垫座。对大型闸门，在斜接柱的外侧，也在对应于每根主梁的位置处设置支垫座或 沿着整根斜接柱布置整条的金属压条，以使得两门扇的中缝构造符合铰的受力特 征。 此外，人字闸门还有顶枢、底枢、止水、启闭装置等。 1 2 船闸人字闸门的荷载 船闸人字闸门上的荷载有： i ) 水平水压力 2 ) 垂直向上的水压力 3 ) 门扇自重 4 ) 门顶工作桥上的人群与设备荷载 5 ) 风荷载 6 ) 水面壅高 7 ) 船舶撞击力 1 3 船闸人字闸门的研究现状与存在的问题 一、船闸人字闸门的门型 船闸人字闸门有两种不同的工作状态，一为开启工作状态，一为关闭工作状态。 两种工作状态的支承条件及受力状况大不相同。闸门处于开启状态时，主要承受自 重及壅水压力、风压等引起的扭转作用；而闸门处于关闭状态时，则主要承受由水 压、风压引起的整体弯曲作用。因此，毫无疑问，在闸门设计时，应满足两种工作 状态下各种可能的工况作用时的受力和变形要求。 目前，较常见的闸门门型有封闭式、半封闭式和开敞式三种。 国内外也曾研究过双面板的门型“”1 ，在一些小型闸门中，曾试验性地运用过。 但因该门型用钢量大( 约比封闭式门型的用钢量多1 0 ) ，又不便于制造，且支承及 侧止水布置困难，运行期间维护也较困难，又加之如果完全封闭，闸门会在水压力 的作用下浮起，必须打开一部分面板，以便让水体进入闸门的封闭部分，这又增加 了制造和维护的工作量，故在工程实践中尤其是大型闸门中较少采用。 封闭式、半封闭式门型，其封闭、半封闭部分是与门轴柱、斜接柱相邻的竖向 隔板之间的部分，这部分组成了抗扭管，主要是为了增加闸门的抗扭刚度，这种闸 门门型，较之双面板门型，其抗扭刚度要小，用钢量要省，制造、维护工作量也有 所减少，但封闭部分依然存在着与双面板相同的缺点：且仅靠与门轴柱、斜接柱相 6 连的封闭部分，难以满足闸门门体的抗扭转要求，对于较大型的闸门，还必须辅以 预应力背拉杆来增加闸门的整体抗扭剐度。这样，此两种门型，除了封闭部分的缺 点外，还由于预应力背拉杆的存在，带来了下述的开敞式门型所存在的缺点。以前， 曾有过较多的应用，但随着时间的推移，其缺点尤其是维护困难的缺点( 主要表现 在对侧止水的维护上) 愈来愈明显，因而近些年来，在大型人字闸门中，也已较少 采用。 开敞式门型，其用钢量较省( 较封闭式门型节省材料5 l o ) ，制造也方便， 传力均匀，止水效果也好，维护相对也较方便，且在背拉杆中麓加预应力可以调整 闸门的状态，消除由于闸门自重引起的扭转变形，使其自由悬挂时基本处于铅直状 态，故该门型应用较广泛。我国葛洲坝船闸人字闸门、京杭运河复线船闸人字闸门 均采用了此种门型。鉴于此，本文将主要讨论开敞式门型。 二、背拉杆的布置 由于开敞式门型剪心与质心不重合，存在着如下缺点： 1 ) 抗扭主要由背拉杆和面板承担，对背拉杆施加的预应力也较大，因而增加 了闸门安装的复杂程度； 2 ) 由于背拉杆处于较高应力状态，在闸门运行过程中会出现松弛现象，因此， 应长期监测其应力状况，增加了一定的维护工作量； 3 ) 由于同封闭式半封闭式门型相比，开敞式取消了门轴柱和斜接柱边的抗扭 管，使得闸门抗扭能力下降，在反复的开门、关门状态下，由于其支承条件及受力 状态的变化，可能在靠近下部的主梁下翼缘与竖向隔板下翼缘附近产生一定量的变 形，造成此处的连接焊缝或加强板出现裂纹。 4 ) 对于高宽比较大的开敞式门型，由于构造上的要求，传统上布置三层或三 层以上的背拉杆，但多层背拉杆的布置给闸门的制造、安装、维护，特别是背拉杆 预应力的簏加带来了较大的困难。由于应力重分布的影响，使得预应力的施加很大 程度上依靠经验调整。多一层背拉杆，其施加预应力的过程就复杂得多。因此，对 于窄而高的闸门，如何从布置上采取措施，减少背拉杆的布置层数，具有较大的工 程意义。 三、背拉杆截面面积和预应力的确定 预应力背拉杆是开敞式人字闸门的重要构件，其截面面积虽小，但它尤其是施 加于其上的预应力极大的影响开敞式门型的人字闸门的工作性态。人字闸门的背拉 杆有主、副之别，主背拉杆预应力的施加使得闸门门体在自由悬挂时，其下角点的 位移偏向下游侧，其方向正好与闸门门体由于剪心与重心不重合而引起的扭转位移 相反；副背拉杆预应力的施加所引起的位移与主背拉轩预应力引起的位移相反，但 他们都增加了闸门门体的抗扭刚度。 由于应力重分布的影响，主、副背拉杆的预应力施加也相互影响，加大主背拉 杆预应力会使得副背拉杆上的应力也增加，反之亦然。同样，多层背拉杆中任一背 拉杆施加预应力对其他的背拉杆中的应力也一样产生影响。而这种影响很难找出数 量上的对应关系。 旖加预应力的主要目的，是增加闸门的抗扭刚度，使闸门门体在自然悬挂时， 尽可能地处于铅直状态。背拉杆为长细比较大的构件，为了保证所有的背拉杆都正 常工作，就必须保证在各种工作状态下，各背拉杆的应力始终为拉应力( 即各主、 副背拉杆始终处于张紧状态) ，以防止背拉杆受压失稳而退出工作( 失效) 。同时， 在各种工作状态下，各背拉杆的应力又不能太高，防止背拉杆长期处于较高的应力 状态下而发生松弛。这样，就必须恰当地确定背拉杆的截面面积和施加于各杆的预 应力大小。 传统上，依靠经验确定背拉杆的截面面积，在此基础上再确定预应力的大小川。 但事实上，闸门门体的扭转变形与背拉杆的截面面积和施加于其上的预应力是直接 相关的，二者必须综合考虑。这样，就给背拉杆的预应力确定带来了一定的困难。 因此，在优化确定背拉杆预应力时，必须考虑其面积的影响，这样就比单纯只考虑 预应力的优化要复杂得多。此外，以往的优化，往往考虑的约束条件之一是门体结 构的下角点的竖向位移近似为零，而没有考虑门体结构下角点的径向位移的约束 1 ，这种约束条件是值得商榷的。实际上，从增强闸门的抗扭刚度的角度出发，我 们更关心径向位移而非竖向位移。 四、背拉杆预应力的旌加 传统上施加预应力的方法有二，一是在背拉杆的中间设置法兰螺母的方法， 通过拧紧法兰螺母，调整背拉杆的长度，施加预应力；二是用千斤项在背拉杆的下 端张拉，用螺母把需要张拉的背拉杆临时固定在托架上，用千斤顶项托架使背拉杆 伸长，达到施加预应力的目的，张拉后用焊缝把背拉杆焊死在节点板上。由于应力 重分布的影响，通常需要依靠经验调整背拉杆预应力的大小，这样就给安装时闸门 的调整和使用阶段的维护带来了不便，而且，没有相应理论数据的指导，其安装调 试就带有一定的盲目性。如何