（水工结构工程专业论文）深孔闸门受力分析方法探讨.pdf

摘要 对钢闸门的计算，现行的钢闸门设计规范中有两种方法：平面体系方法和 空间体系方法。过去对闸门的结构计算通常采用平面体系方法，这使计算结果在 许多地方比实测值大2 0 4 0 1 2 j 【1 3 】，而在一些关键部位又有可能偏小；特别对 于深孔弧门而言，深孔弧门是一种具有很强空间效应的结构，从而使得一些深孔 闸门控制部位的空间计算结果大于平面结果，危及整个结构的安全。 因此，有必要深入分析闸门特别是深孔弧门这种特殊结构的受力特点，再 清楚每一构件的受力特点及薄弱环节，改进计算方法，充分利用弧门空间体系的 整体工作特点，用少量的材料来提高闸门的整体安全度。 本文针对工程中的深孔闸门的平面设计理论所涉及的问题进行了研究、探 讨，结合河海大学和昆明勘测设计研究院的合作项目小湾水电站中、底孔闸 门三维有限元分析研究的成果进行了分析，为昆勘院合理评价小湾中、底孔闸门 的安全性能提供了参考依据。 针对小湾中孔工作弧门这一工程实例，运用现行的平面体系算法进行了计 算，并运用双向平面主框架结构算法对该弧门再次进行了平面算法的计算，将两 种平面体系算法的结果与有限元成果进行了对比，分析研究了现行闸门设计规范 的平面体系算法的优、缺点，并针对各缺点提出了解决方法和相应的计算公式， 特别针对深孔弧门提出了一些针对性的措施，从而改进了闸门的设计方法。通过 分析可知，双向平面主框架结构的计算成果比现行规范中主横梁、主纵梁框架结 构计算方法更加合理与全面，因此推荐在深孔弧门的设计中使用。由小湾中孔弧 门支臂的平面算法成果和有限元成果对比可看出，支臂最大应力值是不一致的， 应力较大值区域也不一致的，因此支臂采用平面算法对于小湾中孔弧门来说是不 够合理的。 关键词：钢闸门；空间有限元法；平面设计；应力；支臂 主框架；对比分析 a b s t r a c t f o rt h ec a l c u l a t i o no fs t e e lg a t e t h e r ea r et w om e t h o d si nt 1 1 e p r e s e n ts t e e l g a t ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n - - t h ep l a n es y s t e mm e t h o da n dt h es p a c es y s t e mm e t h o d n o wt h ep l a n es y s t e mm e t l l o dw a su s u a l l yu s e di dt h es t r u c t u r ec a l c u l a t i o no fg a t e t h i sc a u s e st h er e s u l tt h a tt h ev a l u eo fc a l c u l a t i o na r el a r g e rt h a nt h a to fa c t u a ls u r v e y b y2 0 4 0 a tm a n yp a r t s l “j l ”j b u ti tm a y b es m a l l e ra tt h ek e y p o s i t i o n ；e s p e c i a l l y f o rt h ed e e p h o l em d i a ls t e e l g a t e f o ri t i sak i n do fs t r u c t u r ew i t hs t r o n gs p a c e e f f e c t w h i c hm a k e st h er e s u l t so f s p a c ec a l c u l a t i o no f t h ek e y p o s i t i o nl a r g e rt 1 1 a nt h a t o ft h ep l a n ec a l c u l a t i o n h e n c ei ti sd a n g e r o u sf o rt h ew h o l es t r u c t u r e t h e r e f o r e ，i t i s n e c e s s a r y t o a n a l y s e t h ea t r e s sc h a r a c t e r i s t i co ft h e g a t e ，e s p e c i a l l y f o rt h ed e e p h o l er a d i a l g a t e t h ea t r e s s c h a r a c t e r i s f i c a n da n dt h e f e e b l ec o m p o n e n ts h o u l db em a d ec l e a r ，a n dt h e ni m p r o v ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，m a k e 工no f t h eh o s i s t i cw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c t h es a f e t yo f t h e g a t e sh o l i s t i cd e g r e ec a n b e i m p r o v e d w i t hal i t t l em a t e r i a l t h ep r o b l e m si n v o l v e di nt h ep l a n ed e s i g nt h e o r yo ft h ed e e p - h o l eg a t ea r e s t u d i e sa n dd i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h r o u g ha r i a l y s i n gt h eo u t c o m eo ft h ep r o e c t _ 一 t h e3 一df i l l i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h em i d d i e h o l ea n db o t t o m h o l eg a t ei nx i a o w a n p o w e rs t a i o n w h i c h a r ed o n eb vh o h a iu n i v e r s i t ya n dk u n m i n gh y d r o e l e c t r i c i n v e s t i g a t i o nd e s i g na n dr e s e a r c hi n s t i t u t e p r o v i d et 1 1 ew a r r a n t yf o rt h er e a s o n a b l e a p p r a i s e m e n t o f t h em i d d i e h o l ea n db o t t o m h o l eg a t ei nx i a o w a n p o w e t s t a i o n t o w a r d st h e e n g i n e e r i n ge x a m p l e o fm i d d l e - h o l er a d i a i g a t e o fx i a o w a n p r o j e c t ，t h ea c t u a lp l a n es y s t e mm e t h o da n dt h ed o u b l e d i r e c t i o np l a n em a i nf r a m e s t r u c t u r ec a l c u l a t i o nm e t h o da r eu s e dt oc a l c u l a t e c o m p a r et h er e s u l t so ft h et w o k i n d so fp l a n es y s t e mm e t h o d sw i mt h er e s u l to ft h ef i n i t ee l e m e n t b ym e a n so f a n a l y s i n gt h ee x c e l l e n c ea n d d e f e c to ft h ep l a n es y s t e mm e t h o di nt h ep r e s e n tg 。a t e d e s i g n s t a n d a r d t h es o l u t i o na n di t sc a l c u l a t i o n a lf o n n u l a s a r e b r o u g h t f o r w a r d ，e s p e c i a l l ys o m ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sa r ea d v a n c e df o rd e e p h o l er a d i a l g a t e ，w h i c hi m p r o v e d t h e d e s i g n s c h e m eo ft h e g a t e ，t h r o u g h t h e a n a l y s i s ，t h e c a l c u l a t i o np r o d u c t i o n so ft h ed o u b l e - d i r e c t i o np l a n em a i nf l a m es t r u c t u r e a r e r e a s o n a b l ea n dc o m p r e h e n s i v et h a nt h a to ft h em a i nh o r i z o n t a lb e a mf l a m es t r u c t u r e a n dt h em a i nv e r t i c a l b e a r n 丘a l t l es t r u c t u r eo ft h ea c t u a l g a t e sd e s i g n r e g u l a t i o n t h e r e f o r e ，t h e d o u b l e d k e c t i o np l a n em a i n 岔d i r l es t r u c t u r ec a l c u l a t i o n m e t h o di sr e c o m m e n d e dt o e m p l o yi n t h e d e s i g no ft h ed e e p - h o l e r a d i a l g a t e t h r o u g ha n a l y s i n gt h eg a t ea r m sr e s u l to f t h ep l a n es y s t e mm e t h o da n dt h er e s u l to f t h ef i n i t ee l e m e n to ft h em i d d t e h o l er a d i a lg a t eo fx i a o w h i tc a nb eo b t a i n e dt h a t t h em a x i m a ls t r e s si sn o tc o h e r e n t ，a n dt h er e g i o no ft h eb i g g i s hs t r e s si sn o tc o h e r e n t a l s o t h e r e f o r ei ti sn o te n o u g hr e a s o n a b l et oa d o p tt h ep l a n es y s t e mm e t h o do fg a t e f i r mo f t h em i d d l e h o l er a d i a lg a t eo f x i a o w a l l k e y w o r d s ：s t e e lg a t e ；s p a c e f i n i t e e l e m e n t ；p l a n ed e s i g n ；s t r e s s ；g a t ea r m ； m a j o rf l a m e ；c o n t r a s t i n ga n a l y s i s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： ! 刘盟妻沙曲r 年月涉日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被套阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：l ：受i 地墨埘年弓月才日 第一章概述 第一章概述 1 1 闸门的结构特点及发展概况 1 1 1 闸门的结构特点 闸门是水工建筑物的重要组成部分之一，它的作用是封闭水工建筑物的 孑l 口，并能够按需要全部或局部开启这些孑l 口f 5 】，可靠地调节上下游水位，以 获得防洪、灌溉、引水发电、通航、过木以及排除泥沙、冰块和其它漂浮物等 效益。 水力闸门的建设是与灌溉、供水及河流航运系统的发展紧密联系在一起 的。在早期的水利工程中，通过小坝蓄水并输送到旁边的灌溉渠道中，过量的 水通过坝顶排放。随着进一步发展，修建了“可移动的坝”( 即闸门) 。这些可 移动的坝可以从正常的位置移开，为排放过量的水提供了通道，这样在水利工 程的运行中允许有更大的安全性和灵活性。 弧形闸门最早为人所了解是它1 8 5 3 年运用在巴黎的塞纳河上，那里曾安 装有四扇宽8 7 5 m ，高l i l l 的闸门。其它早期的应用包括1 8 6 0 年在尼罗河三角 洲r o s e t l a 坝和d a m i e t t a 坝上安装的1 3 2 扇宽6 m ，高5 1 n 1 的弧形闸门。闸门支 臂受到牵引力的作用，当时被叫作“半径在牵引力作用下的圆筒闸门”。最初的 闸门是制作成圆弧形，用于闭合两闸墩之间的空隙。 弧形闸门是由面板、梁格和支臂、支铰所组成，本身是一个复杂的空间 结构体系，其受力和工作条件具有明显的空间特征，分析弧门的问题时，不能 忽视弧形闸门的这些构造特征。 闸门是水工建筑物的重要组成部分，其运行情况关系到整个枢纽建筑物 的安全，在对闸门进行设计时，需要考虑的因素很多，其中闸门的结构稳定性 是最主要的考虑，它关系到枢纽综合效益的充分发挥，以及枢纽下游城乡居民 的安危，选用强度刚度好的材料和增加闸门各构件间的衔接部件可以达到提高 结构稳定性的要求，但这样做会增加成本。如何才能做到既能保证闸门的正常 运行又能尽可能地降低成本是设计者一直所遵循的准则。在传统的弧形闸门的 设计方案中，闸门的支承桁架大多采用三角形的，这主要是因为按平面体系进 行设计计算的方法忽略了结构的整体性及弧形闸门的空间结构特点，为了保证 河海大学硕士学位论文 整个闸门的结构稳定，采取比较保守的设计。 弧形钢闸门由门体结构、闸室的埋设构件和启闭闸门的机械设备三大部 分组成。弧形钢闸门的面板做成圆弧形，主梁支承在闸门两边的支臂上，而支 臂末端又支承在固定于闸墩侧面的支铰上。主梁与支臂构成主框架。上支臂杆 与下支臂杆以及其间的联系杆再加上主梁端部的横向联结系所构成的桁架叫做 支承桁架。 弧形闸门是我国使用最广泛的一种门型。与其它型式的闸门相比，弧形 闸门有其独特的优点： ( 1 ) 可封闭相当大面积的孔口； ( 2 ) 所需闸墩高度和厚度较小，可以利用水柱下门； ( 3 ) 没有影响水流流态的门槽，水道连续，水流条件良好。特别是在高 水头工作闸门及需要局部开启的工作闸门中，由于水力条件是门型选择的关键 因素，因而弧形闸门应用更为普遍； ( 4 ) 由于弧形闸门的铰轴一般布置在弧形面板曲率中心，故作用在面板 上的全部水压力通过铰轴中心。启门时只需克服闸门自重以及止水与铰轴的摩 阻力对轴心的阻力矩，因而弧形闸门启闭省力、迅速、运转可靠，可以减小启 闭机容量以达到降低工程造价的目的，而且对于特高水头的闸门来说，启闭机 容量是其一个非常大的限制条件； ( 5 ) 门槽埋件数量较少，在埋件上省材最为显著，总体材料而言是各种 闸门中最省材料的一种门型。 因此弧形闸门被普遍认为是闸门中可靠的、经济的、灵活的一种门型， 特别广泛应用于泄水建筑物的工作门。现在国内外需要局部开启的深孔工作闸 门绝大多数都采用弧门这种型式。 1 1 2 闸门的分类 闸门一词，从广义上讲包括闸门与阀门，在本文中只讨论深孔平板闸门 和深孔弧形闸门的受力分析方法，尤其是深孔弧形闸门的受力分析方法研究。 闸门按工作性质【1 j 可分为工作闸门、事故闸门、检修闸门和施工导流闸 门等。按闸门设置的部位可分为露顶式和潜孔式两类。在水工建筑物中( 如大 坝) ，为讲述方便并具有形象，工程中也有用表孑l 、中孔、深孔、底孔闸门表示 第一章概述 不同高程位置的闸门。按照工作性质分为工作闸门、事故闸门和检修闸门。按 制造材料可分为钢闸门、木闸门、混凝土闸门等，对于深孔闸门而言一般采用 钢闸门。 闸门的种类按闸门的构造特征分类主要有平面闸门、弧形闸门、滑动闸 门、链轮闸门、人字闸门、扇形闸门、拱形闸门、屋顶闸门、反钩闸门、翻板 闸门、升卧式闸门、浮箱式闸门等型式。高压泄水道的主要设备有弧形闸门、 平面闸门、针形阀和锥形阀。当水头超过5 0 m 时，通常不用平面闸门调节流量。 关于按照操作水头划分为低、中、高、特高水头闸门，按照目前我国发 展水平和认识水平，大致可规定为：2 5 m 以下为低水头闸门，2 5 5 0 m 水头为 中水头闸门，5 0 8 0 m 为高水头闸f - j ，8 0 m 以上水头为特高水头闸门，这些数 值界限随时间的推移和建设规模及认识的发展，还会有新变化。 1 1 3 闸门的发展概况 在所了解的国内外资料中，面积大于1 0 m 2 、水头8 0 m 以上的闸门中， 以平面链轮门( 多为事故闸门) 和弧形门( 多为工作闸门) 为最多。孔口面积 大于2 0 m 2 的工作闸门，大多数为弧形闸门。 随着高水头电站的开发，现代水电站的设计水头普遍在2 0 0 m 以上，有 些已高达3 0 0 m ，为适应大型水库调度的需要，确保工程安全，迫切需要选用 能宣泄大流量、大断面的深孔泄水道，随之也必须同时配置相应的控制设备一 一高水头闸门，这也对闸门的设计、施工、运行和管理提出了更高的要求。 近十多年来，国内兴建、在建和设计了一批大型、特大型水利水电工程， 如三峡、小湾、溪洛渡、二滩、向家坝、小浪底、天生桥一级、漫湾等等。孔 口面积、工作水头与总水压力这三项是反映闸门水平的主要指标，目前国内深 孔弧门的技术特性己达到：孔口面积虽仍维持在3 0 8 0 m 2 ；但设计水头已有 5 0 6 0m 提高到1 2 0 1 6 0 m ，比如小湾底孔弧门的设计水头达到1 6 0 m ；底流 流速超过了4 0 m s ，达5 0 多r r g s ，总水压力已经可达1 1 0 0 0 吨左右：闸门除要求 在动水中全开、全关外，要求能在库水位变幅高达百米下任意开度局开操作、 调节水量等等。如此的规模和技术特性已达到了国际同类产品的先进水平，而 且，对高水头闸门设计的规模和技术特性的要求仍有上升的趋势。回顾国内外 高水头弧门的设计运行情况，设计的立足点是很清楚的，以安全、可靠为宗旨， 河海大学硕士学位论文 但在实际运行中还不能切实地保证深孔闸门不出故障。对于深孔闸门的设计， 国外如美、日、俄等国极为重视，自5 0 年代就开始组织科研力量从事专门课题 研究。国内自7 0 年代末，结合工程的需要也开始相关的课题研究，起步虽晚， 但发展较快，在工程应用上取得了相当的成效。一般深孔闸门的侧重点都在以 下两点：闸门的水力设计、选择合理的止水装置，两者之间有各自独特的一面， 也有互相制约之处，若这两者设计不当均是高水头泄水道和其闸门运行不善的 根源所在。 现在深孔闸门的设计水头都达到2 0 0 m 级别的，象小湾底孔工作弧门和 底孔事故链轮门的设计水头已达1 6 0 m ，而且闸门的设计水头还有进一步增加 的趋势。设计高水头深孔闸门之所以特别困难，是因为它有一系列的问题需要 解决： 1 ) 深孔工作闸门局部开启运行问题，涉及到闸门的振动稳定问题，特别 是支臂的振动稳定问题。要求闸门不发生共振，闸门及其埋件不得出 现空蚀； 2 ) 闸门全关和局部开启时止水的密封问题，密封方式或其材料不恰当的 话，容易导致闸门的振动，以及包括高水头下的止水材料的研究； 3 ) 要保证闸门部件能够调整，个别部件( 如止水) 能够及时更换； 4 ) 闸门的构件、埋件以及各种机械设备必须在高水头的作用下经久耐 用； 5 ) 泄水孔的钢板衬护在流速高达4 0 m s ，甚至更高的流速下运用时，不 得出现局部空蚀；泄水孔的钢板衬护要经久耐用，运行期要便于检修； 6 ) 常规的平面设计理论已经很难保证闸门的设计是安全的、可靠的，一 般设计人员都是参照已设计的闸门来加大尺寸，这不仅浪费了钢材， 同时在闸门的关键部位又容易造成应力过大、变位过大等。 由以上分析，深孔闸门的设计难度还很大，需要很多科研人员的努力， 才能在技术上领先世界。 在我们以往对闸门的设计与运用中，闸门设计偏重于结构计算，对闸门 的运行、维修、防腐蚀等考虑不足，或完全没有考虑，随着在我国运行方面经 验的积累，上述不足也慢慢地得到了加强和对其规律更进一步的理解，因此有 第一章概述 必要在规范中制定相应的运行措施。 在闸门结构的设计时要考虑积水、积尘等对易腐蚀钢材的影响，设计好排水 孔等。不仅要设计好闸门，而且要考虑闸门的长久运行的需要，才能更合理地 在实际工程中运用好闸门。宜多了解现行的钢结构设计理论以及最近出台的钢 结构设计规范g b 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) ) ，特别是钢结构稳定方面的条例，在闸门设计规 范的相应的地方提出一些改进。 建议把钢闸门的防腐蚀措施也列入到规范中去，腐蚀对钢闸门的使用寿命 有着很大的关系。必须高度重视闸门的防腐蚀，其基本技术要求，原则性条文 都应加上，要提高对防腐的要求，使闸门寿命延长十年是不难做到的，如果再 加强研究工作，提高防腐蚀科技含量，防腐蚀效益将非常可观。 日本近年来加强了对已建闸门实际工况及运行寿命的分析研究，这样 能既安全又经济的运用闸门。而国内在这方面的研究很少，这样导致工作到规 定年限的闸门有的还可以继续使用较多年却被弃用，而有的则还没有到规定年 限就已经不能使用却还在工作之中。该研究相当有经济性，可以大大减少工程 费用。而且，闸门设计是一项系统工程，面板设计寿命应与梁系结构整体综合 考虑才合理。 1 1 4 小湾坝身中孔工作弧门 小湾坝身中孔工作弧门【8 】的孔口尺寸为6 m x 6 5 m ，设计水头为9 0 4 m 。弧 门动水启闭，启闭非常频繁。闸门采用双主横梁、直支臂、圆柱铰相互连接的 结构。止水型式采用门槽周边上设置一道充压水封，闸门上设一道常规侧水封， 闸门顶部设置“p ”型压紧式水封，为防止开门时缝隙射水，门槽顶设置一道 金属水舌挡板。弧门半径为1 2 m ，门槽每边突扩0 8 m ，底坎突扩突跌1 5 ，并 在门槽两侧设置补气管通至门坎的下部。 中孔弧形闸门的基本资料： a 、孑l 口尺寸：6 m x 6 5 m ( 宽高)b 、孔口数量：2 c 、闸门数量：2d 、底坎高程：1 1 4 9 5 8 m e 、正常水位：1 2 4 0 0 mf 、最高水位：1 2 4 3 0 m g 、孔口出口夹角( 与水平线形成的上翘角) ：2 8 。 5 河海大学硕士学位论文 h 、面板半径：1 2 mi 、支铰高程：1 1 6 1 2 5 8 m j 、操作条件：动水启闭 设计简图如下图1 1 所示： 图1 1小湾中孔工作弧门设计简图 6 第一章概述 1 2 弧形闸门的设计方法及发展现状 钢闸门的结构计算按照水利水电钢闸门设计规范d l t 5 0 1 3 9 5 的规定 和要求来进行计算，计算方法有两种：平面体系方法和空间体系方法。这里为 平面计算方法及其发展现状。 平面体系算法又依据闸门的高宽比分为两种：主横梁框架结构计算方法和 主纵梁框架结构计算方法。对高宽比较小的闸门，宜采用主横梁框架结构计算 方法，对高宽比较大的闸门，宜采用主纵梁框架结构计算方法。这样具有布置 合理，整体刚度大等优点。对于高宽比接近于1 0 的闸门，究竟采用哪一种形 式最合理，目前还没有定论。 平面体系方法是按结构力学和容许应力法进行分析与计算的。弧型闸门的 面板和纵向梁系忽略其曲率影响，近似按平板和直梁计算。面板、水平次梁、 竖直次粱等构件的计算方法均和平面闸门相应构件的计算方法相同。面板直接 承受水压力产生局部弯应力，局部弯应力按四边固定( 或三边固定一边简支) 的弹性薄板理论进行计算。面板还作为梁系的一部分参与主( 次) 梁的整体弯 曲，将面板的局部弯曲应力与主( 次) 梁的整体弯曲应力按照第四强度理论进 行叠加。水平次梁的荷载分配按相邻间距和之半法进行，再根据构造按连续粱 或简支梁进行计算。竖直次梁承受的荷载有水平次梁传来的集中荷载和面板直 接传来的三角形分布荷载，一般竖直次梁可按悬臂梁或简支梁进行计算，梁系 的计算均要考虑面板兼作梁翼缘的影响。 主横梁和支臂相连构成刚性承重结构横向主框架，主横梁和支臂的结 构计算按这个主框架进行计算。此时主横梁同时承受弯矩和框架水平推力产生 的轴向压力，它是一个偏心受压构件，需验算主横梁跨中和支座两个断面的强 度和腹板的局部稳定性，不需验算整体稳定性。支臂为一偏心受压柱1 5 j ，除应 满足强度要求之外，支臂还需验算弯矩作用平面内和弯矩作用平面外的稳定。 总之，整个闸门的结构计算，按实际可能发生的最不利荷载组合情况，对各个 构件进行强度计算、刚度计算和稳定性计算。 由此可见，按平面体系算法进行计算和设计的方法是对闸门各构件进行了 一定程度的结构简化，把整个结构体系分割成相互独立的构件，将外荷载按照 经验分配给各个构件，然后再对每个构件按平面受力进行分析，其结构计算只 河海大学硕士学位论文 限于在主框架平面内进行，而平面外的内力或应力的影响却未考虑，对于空间 效应较强的大型深孔弧形闸门而言，按平面体系计算方法不能全面正确的反映 闸门空间的受力情况。 平面体系分析方法实质上等于默认了一个与事实不相符合的假设，即闸门 各平面构件之间的变形永远是协调一致的。按该方法对结构进行计算时，是将 构件逐个独立的进行计算的，忽略了各构件的整体工作协调性，但深孔弧门的 结构具有很强的空间效应，而按现行的平面体系计算方法却无法体现出这种效 应。因此，运用平面设计方法设计弧形闸门，虽然计算图式简便、便于应用， 但不是很精确，不能准确的反映整个闸门各构件间的相互联系及变形协调关系 以及非计算构件在闸门上的作用。 弧门的安全主要取决于闸门的主梁强度和支臂的强度及稳定，面板具有较 多的强度储备( 由于面板直接挡水，容易锈蚀，所以一般选厚一些) 。主梁与支 臂的连接处为应力复杂区域，支臂发生振动容易在该处产生极大的剪力，所以 此处要加足够厚度的抗剪板，并且防锈蚀。 过去对闸门的计算通常是按平面体系算法进行计算的，没能正确反映出弧 形闸门这样一个复杂空间结构的受力状况。现行的钢闸门设计规范对旧规范的 规定作了相应的修改，对钢闸门的计算方法没有作硬性规定，只要能准确、可 靠、简便地求出结构内力和应力的计算方法可酌情选择，并明确指明了空间体 系方法的可行性。为此，我们应该深入分析弧形闸门这种特殊结构的受力特点， 弄清每一构件的受力条件及薄弱环节，改进计算方法，充分利用弧形闸门空间 体系的整体工作特点，用少量的材料来提高闸门的整体安全度。 现行钢结构规范中改变了原来规范中的容许应力法，采用了以概率理论为 基础的极限状态设计法，并以分项系数的应力表达式进行计算。按照水利水 电工程结构可靠度设计统一标准( g b j 5 0 1 9 9 9 4 ) 要求，各类水工设计规范均 应按标准制定相应的规定。目前钢闸门设计规范仍采用传统的容许应力法，与 钢闸门设计规范相关的其它规范均已采用了结构可靠度设计的基本原则和设计 标准，由于不配套给使用带来了不方便。现行钢闸门设计规范规定，校核荷载 要考虑校核水头下的地震动水压力，与水工建筑物荷载设计规范 ( d l 5 0 7 7 1 9 9 7 ) 规定校核洪水位的静水压力不应与地震作用同时参与组合等 第一章概述 有矛盾。当然，由于闸门的重要性，校核荷载要考虑校核水头下的地震动水压 力是为了提高闸门的整体安全度，这也是可以理解的。 有些荷载，比如波浪压力、地震力、风荷载等需要按混凝土重力坝设计 规范、水工建筑物抗震设计规范、工业与民用建筑结构荷载规范等有关 规定采用，而这些规范已经全部采用结构可靠度设计的基本理论和原则，无法 直接引用。还有，现在水利水电项目已经在国外做了不少了，为方便国际交流、 承揽国外工程项目，可以考虑钢闸门设计规范的英文版。 随着技术及经济的发展，钢闸门设计规范也在不断地完善之中，今后在工 程结构设计中采用结构可靠度设计的基本理论和原则也是一种趋势。目前水工 建筑物荷载设计规范( d l 5 0 7 7 19 9 7 ) 已经实旌，而且所有与钢闸门设计规范 有关的规程规范均已过渡到可靠度理论中去了。 1 3 问题的提出 弧形钢闸门在国内几十年的运用历史中，出现了不少事故，有的事故造成 了很大的危害。究其原因，除制造、安装及运行上的原因之外，主要在于设计 中出现的问题。过去对闸门的计算通常是按平面体系方法进行计算的，没能正 确反映出弧门这样一个复杂空间的受力状况。对于这个空间框架体系的计算， 设计人员往往在“不可见荷载因素”、“动力荷载”、“工程重要性”、“提高安全 度”等方面作文章，人为地增加荷载或减小钢材容许应力来“保证”闸门的安 全性。这种计算方法虽然计算图式简便，便于应用，但不能反映闸门各构件闯 的相互联系及变形协调的作用以及非计算构件在闸门上的作用。 近年来，高坝和高水头水电站在高度和数量上都有很大增加，因泄水建筑 物对调节水库泄流是必不可少的，所以对高坝泄水建筑物的设计提出了更高的 要求。通常需要闸门作局部开启运用，闸门下游形成高速水流容易导致负压， 当压力低到水的汽化压力时，就能发生空蚀和振动，从而使结构受到严重破坏。 此外它还会增加闸门的下吸力，因而需要增加启闭设备容量。国内外都有大量 高水头泄水建筑物遭受到空蚀和振动的各种程度破坏，有些甚至发生巨大的破 坏。随着水头越来越高，对现有闸门设计存在的各种问题应加以重视，现在的 一些研究成果宜加到闸门的设计中去。以下为现行闸门设计特别是深孔弧门设 计中存在的问题： 河海大学硕士学位论文 ( 1 ) 对按主横梁框架结构设计的弧门，不分析纵向框架的受力状态，无法 求出支臂端绕水平轴的弯矩，忽略该弯矩对支臂而言是不安全的。如果弧门高 宽比比较大，则可能造成主纵梁平面【9 】内的弯矩大于主横梁平面内的弯矩。当 然，如果该情况下按主纵梁框架结构来设计，将可以抓住问题的主要矛盾，但 是规范并没有规定高宽比比较大的弧门必须采用主纵梁框架结构的设计方案， 因此，如果能计算出两个方向的弯矩，则弧门支臂的设计与计算将更加合理。 ( 2 ) 在上下支臂框架平面( 主纵梁框架平面) 内，支臂受有该平面【9 j 的弯 矩的作用，这个弯矩是弧门竖直次梁所受弯矩的总代数和。因此，在主梁、支 臂和竖直次梁三者相接处，支臂的弯矩要大于竖直次梁弯矩的代数和，其差值 形成了主梁的扭矩。由于此剪应力的存在，使得主横梁上下腹板剪应力相差较 大，因此主横梁要承受扭转剪应力的作用。这在现行平面平面体系的设计( 大 多数闸门按照主横梁框架结构进行设计) 中是无法考虑的。 ( 3 ) 支臂是弧形闸门的关键部件，弧形闸门的承载力主要取决于支臂，实 际上弧门失事也大多表现为支臂破坏，对于现行的深孔弧门的支臂设计是否是 合理的、可行的，其应力成果是否偏于安全? 弧门支臂设计中应该进一步考虑 哪些因素? 按照平面体系计算出的应力一般较实测值大2 0 以上，有的部位甚至有 4 0 5 0 以上的强度富余【1 2 【13 1 ，而在一些关键部位又往往安全裕度不够、应力 值偏大。因此，我们应该深入分析弧门这种特殊结构的受力特点，弄清每一构 件的受力条件及薄弱环节，改进计算方法，充分利用弧门空间体系的整体工作 特点，用少量的材料来提高闸门的整体安全度。 对于高水头的弧形闸门，其主要构件的刚度较大，结构的空间效应很强，现 行闸门设计规范的平面体系算法过于简单，计算成果的误差较大，已不能满足高 水头深孔闸门的结构计算要求。弧门的设计者为安全起见已越来越多地趋向于 使用三维有限元来从事弧门的结构计算，但现在采用三维有限元来进行闸门的 设计还不够成熟，也没有相应的公式和规范。因此有必要对现行的规范中的计 算部分提出一些新的针对性方法，逐步改进现行闸门设计规范的平面体系算法。 1 4 本文的主要研究内容 本文针对实际工程中的深孔闸门平面设计理论所涉及的问题进行了研究、 第一章概述 探讨。论文结合河海大学与昆明勘测设计研究院的合作项目小湾水电站中、 底孑l 闸门三维有限元分析研究的成果进行了分析，为昆勘院合理评价小湾中、底 孔闸门的安全性能提供了参考依据。本文所做的主要内容如下： ( 1 ) 查阅大量国内外闸门方面的资料，了解平板闸门和弧形闸门特别是 高水头闸门的发展状况、受力特点以及常规设计理论中存在的问题和现在对于高 水头闸门方面的研究成果。 ( 2 ) 运用三维有限元软件g i d 对小湾中孔弧门进行三维建模，在此基础 上进行了三维有限元计算，对计算出的弧门应力、位移成果进行了分析，并由此 对该弧门的结构设计提出了一些结论和建议。 ( 3 ) 详细分析研究了现行闸门设计规范中平面体系算法的优、缺点，针 对各缺点提出了解决方案和对应的公式，特别针对深孔弧门提出了一些针对性的 措施，从而改进闸门特别是深孔弧门现行的设计方法。 ( 4 ) 针对小湾中孔工作弧门，运用现行的平面体系计算方法对其主要构 件进行了计算，并运用本文提出的双向平面主框架结构计算方法对该弧门再次进 行了平面算法的计算，将该弧门的平面体系算法的成果与有限元成果进行了对 比，从而得出了一些结论和建议。 ( 5 ) 对影响弧门支臂承载力的因素进行了探讨，并运用现行平面算法对 小湾中孔弧门的支臂进行了计算，将支臂的平面算法成果与有限元成果进行了对 比，得出了一些结论。 ( 6 ) 对本文的全部工作进行总结和展望，概括了本文中的重要成果，并 提出了在深孔弧门的平面设计方面今后值得深入研究的问题和方向。 河海大学硕士学位论文 第二章闸门平面设计理论与分析 2 1 主横梁框架结构计算 2 1 1主横梁框架结构计算分析介绍 主横梁式弧形闸门多采用双主梁布置，其支臂布置数量与主梁数相对应， 双主梁一般为等荷载布置，两根主梁之间的距离应适应制造、运输和安装的要 求。 主横梁框架结构的弧门的支臂有直支臂和斜支臂两种，支臂和主横梁的组 成有三种框架型式，如图2 1 所示。 障龟凼ii1 ih 一一皿 租)l 砷汹 图2 1 主横梁式弧门的主框架型式 在图2 1 中a 、b 图的主框架中，一般取c = 0 2 l 左右，这样可大大减小主 梁跨中截面的最大弯矩，从而能减小主梁截面并节省钢材。a 型框架适用于深 孔弧门，b 型框架多用于大跨度露顶式孔口，只有在孔! z l 净宽不适应采用a 型 和b 型时，才采用c 型框架。 1 面板厚度设计 面板支承在梁系组成的矩形区格上，一方面直接承受水压力，本身发生 挠曲变形产生局部压应力盯。、盯。，另一方面又作为主( 次) 梁的上翼缘参与 梁系的整体弯曲，产生与主梁轴线一致的整体弯曲压应力盯。、盯。，。故面板下 游面的轴向应力盯。为上述两部分的代数和。由于主梁整体弯曲产生的盯。，很小， 可忽略不计。 面板计算公式各国不同，常用的公式主要有巴赫( b a c h ) 公式、韦斯脱加 特公式 9 2 】等。我国的现行规范采用下式： 第二章闸门平面设计理论与分析 占= 刮南 ( 2 1 ) 2 水平次梁 一般多根水平次梁都采用相同截面，按其中最大一根的荷载进行计算。 水平次梁按多跨连续梁用弯矩分配法计算。由水平次梁所控制的矩形区域( 而 不是三角形区域) 的水压力确定均布荷载，按多跨连续梁考虑，计算出该水 平次梁的最大弯矩和剪力，从而确定其截面尺寸。 布置水平次梁的主要目的，是为了节约钢材，调整梁格尺寸，以使钢面 板厚度相等。故水平次梁的间距，应随着水压力沿门高的变化而布置成上疏 下密。一般情况下，水平次梁密，则面板较薄，整体就比较经济，故水平次 梁的布置应与钢面板的计算同时进行。竖直次梁的间距，一般不宣超过1 5 2 0 米，以免钢面板过厚。 确定截面尺寸后，应核算水平次梁各危险点( 跨中和支座处等) 处的应 力或折算应力，以及挠度计算，以免水平次梁的刚度不够。 3 竖直次梁 竖直次梁腹板在与主横梁腹板相交处被切断并焊接在主横梁腹板上。竖 直次梁承受面板和水平次粱传来的水压力，竖直次梁分为上悬臂段、中段、 下悬臂段。 对其荷载考虑严格来应该如下：竖直次梁主要承受水平次梁、顶梁和底 梁传来的集中荷载和所控制区域的面板传来的分布荷载，计算可把这些荷载 用以三角形分布的水压力来代替，按支承在主横梁上的双悬臂梁计算。该方 法最严谨，但计算起来非常很麻烦，所以一般不采用该方法。 实际设计中一般采用下面的方法考虑：按支承在主横梁上的双悬臂简支 梁计算，不考虑集中荷载，只考虑所控制区域的水压力形成的梯形荷载或三 角形荷载，对深孔弧门而言为梯形荷载，其与水平次梁的布置无关。竖直次 梁控制的区域和水平次梁控制的区域有重复，这部分的荷载重复记入，因此 该方法只是一种近似考虑，同时荷载的重复记入增加了弧门的安全性。但因 为竖直次梁上段、中段和下段的尺寸可能不一样，计算中可以分三段考虑。 此处，与支臂相连接的竖直次梁的计算也与其它的竖直次梁一样，此处 河海人学硕士学位论文 在设计中就好象竖直次梁不给支臂传力似的，对深孔弧门而言，竖直次粱一 般与主横梁是同高的，实际上可称为竖直主梁或主纵梁。此时主纵梁与主横 梁共同给支臂传力，这样才能更全面、准确地反映客观实际。而常规的设计 是没有考虑这些的，不合理之处应当进行修改。 4 主框架 先确定主框架结构的计算简图，再主横梁断面选定、支臂断面选定。从而 求解出主框架结构的尺寸进而求出其应力，此时支臂的长度为主横梁的中和轴 到支铰中心的距离。 ( 一) 框架主横梁 由于采用主横梁框架，并且为双主横梁，两根主横梁承受全部的水压力， 但此处考虑主横梁轴线与总水压力线的夹角所带来的影响，从而求得上、下主 框架所承受的均布水压力。此时还可以考虑启门力引起的上下主梁的荷载( 但 对深孔弧门而言，该荷载比水荷载小的多) ，再除以主梁长度即得主梁的均布荷 载值，从而确定出弧门在最危险工况下的主梁荷载。 主横梁除承受弯矩外，同时承受框架水平推力产生的轴向压力，可按偏心 受压构件计算，验算跨中和支座两个断面。主横梁的受压翼缘与闸门面板直接 连接，具有很大的刚度，能阻止梁截面的扭转，因此不需要验算整体稳定性， 一般局部稳定性也不用验算。 ( 二) 框架支臂 支臂为一偏心受压柱，除应满足强度要求外，还应在外力作用下不失去稳 定。支臂失稳有两种可能情况：一是在弯矩作用平面内，因外力过大以致外力 和构件内力不能继续保持静力平衡，使弯曲变形急剧增加而失去稳定。二是在 弯矩作用平面外，即垂直于弯矩作用的平面，构件以弯扭变形而失去稳定。因 此支臂应按上述两个方向分别进行稳定验算，但平面外的弯矩在主横梁式框架 中求得的值是不精确的，只能近似计算，这是主横梁框架结构计算中的一个缺 点。 2 1 2 小湾中孔弧门主横梁框架结构计算 ( 一) 结构简介及基本数据 该弧门三维有限元网格图为图1 1 ，本弧门为焊接结构，采用主横梁框架结 4 第二章闸门平面设计理论与分析 构进行计算，布置两根实腹板主梁( 箱形截面) ，每根主梁支承在两根直支臂上， 支臂与支铰用螺栓连接。 孔口高为6 5 m ，上止水与孔底的高h = 7 5 m ，孑l 口宽为b = 6 0 m 设计水头( 到底槛) h 。= 9 0 4 2 m 材料：闸门结构材料采用q 3 4 5 b ，本闸门设计按水利水电工程钢闸门 设计规范d l t 5 0 1 3 - - 9 5 进行，考虑是大型工程的深孔工作弧门，故容许应力 乘以调整系数妒= 0 9 。 荷载：由于是大型工程深孑l 弧门，在动水中操作，故根据规范再乘以动力 系数k 自= 1 1 ( 可依工程重要性采用k 动力= 1 ，0 - - 1 t 2 ) 。其应力指标为： r1 抗拉、抗压和抗弯容许应力t o - j = 1 9 0 m p a ； 抗剪容许应力 r 】：1 1 0 m p a 局部承压容许应力 b 一】：2 9 0 m p a ( 二) 荷载计算 九= 9 0 0 一2 = 9 0 0 7 1 7 3 0 = 1 8 2 7 0 日。= 9 0 4 2 ，h o = 9 0 4 2 7 5 = 8 2 9 2 ， = 3 2 7 1 0 ，l = 3 9 0 3 ”，办= 7 1 7 3 ” 水平水压力： 只= 三( 也+ h s )