（水工结构工程专业论文）三角门船闸闸首结构计算系统的开发与应用.pdf

摘要 船闸作为克服落差的过船建筑物，在渠化河流和运河建设中起着关键的作 用。目前在我国船闸工程结构设计中，大多仍停留在某一单项的辅助设计，设计 人员就要进行繁重的计算与绘图工作，重复性、机械性劳动过多，设计周期长， 工作效率低。因此，开发一套功能强大且运用方便的船闸结构设计软件，已成为 水工设计人员重要而又紧迫的任务。三角门船闸闸首结构作为一种常用的结构类 型，已被工程实际广泛使用，本文针对三角门船闸闸首结构的建模、稳定性分析、 内力分析等做了一些有益尝试。旨在实现设计过程的自动化和智能化。 ( 1 ) 闸首结构的参数化设计。在总结已有工程的基础上，对三角门船闸闸 首结构的基本形式进行分析、总结和归类，提取最基本的实体对象进行参数化的 抽象，以达到用若干个独立的参数表示出一个完整的船闸闸首实体模型。 ( 2 ) 系统总结三角门船闸闸首结构的设计和计算方法，针对三角门船闸闸 首结构的分析计算方法进行研究，将闸首分段并分别对底板、侧墙等结构依其各 自特殊的结构特性采用不同的方法进行计算。 ( 3 ) 依据规范和成熟的船闸结构的计算分析方法，基于v i s u a lb a s i c 6 o 、 f o n r a n 、w b r dv b a 等技术平台，进行三角门船闸的闸首结构分析，并对内力进 行计算编程，自动生成闸首底板、边墩、空箱和廊道等计算成果的说明书。 ( 4 ) 以江苏某船闸为例，应用所编制的程序进行设计计算，验证了整个思 路的可行性及内力计算程序的稳定性、可靠性和实用性。 关键词：三角门船闸、闸首、结构计算、参数化 a b s t r a c t l o c ka so v e r c o m i n gt h eg a pb e t w e e nt h eb o a tb u il d i n g ，p l a y sc r u c i a lp a r t i nt h ed r a i n a g ec a n a lsa n dr i v e r sa n db u i1 d i n g m o s to fc h i n a sn a v i g a t i o n l o c ki ns t r u c t u r a ld e s i g no fp r o j e c t sa r es t i l li nas i n g l es u p p o r tf o r t h ea s s i s t a n td e s i g n d e s i g n e r sc a r r yo u tt h eh e a v yc o m p u t i n ga n dg r a p h i c s r e p e t i t i v e ， m e c h a n i c a l1 a b o ri st o oh e a v y ， d e s i g nc y c l ei s t o ol o n g ， e f f i c i e n c yi st o1 0 w ，a c c u r a c yi sn o th i g h t h e r e f o r e ， ap o w e r f u la n d c o n v e n i e n tv i s u a ls t r u c t u r a ls o f t w a r eo ft h es h i p l o c kd e s i g n ，h a s b e c o m ei m p o r t a n ta n du r g e n tt a s kf o rh y d r a u li cd e s i g n t r i a n g l eg a t ea c o m m o nt y p eo fs t r u c t u r e ，t h ea c t u a lp r o j e c th a v e b e e nw i d e l yu s e d t h i sp a p e rc a r r i e do u ts o m ea v a i l a b i l i t ye x p e r i m e n tf o rm o d e l i n g ， s t a b i l i t ya n a l y s i s ，a n a l y s i so fi n t e r n a lf o r c eo ft h et r i a n g u l a r g a t e s ，a i m e da ta c h i e v i n gt h ed e s i g np r o c e s sa u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n t ( 1 ) p a r a m e t r i cd e s i g no ft h eh e a db a yo fl o c ko ft r i a n g l eg a t e i n c o n c l u s i o no fa l r e a d yw o r k so nt h eb a s i so ft h eh e a db a yo fl o c kf o r m s ， i ta g g r e g a t e sa n dc l a s s i f i y sb a s i cs t r u c t u r eo fh e a db a yo fl o c k ，e x t r a c t s t h em o s tb a s i cp h y s i c a lo b j e c t ，c a nb eu s e dt oa c h i e v ean u m b e ro f i n d e p e n d e n tp a r a m e t e r ss h o w e sac o m p l e t eh e a db a yo f1 0 c ks 0 1 i dm o d e l ( 2 ) a g g r e g a t i n gs t r u c t u r a ld e s i g no ft h en a v i g a t i o nl o c ks y s t e ma n dm e t h o d o fc a l c u l a t i n gf o rt h eh e a db a yo f l o c ko fs e c t o rg a t e ， s t u d yt h e c a l c u l a t i o nm e t h o do fs t r u c t u r e t h et h eh e a db a vo fl o c kw il lb ed i v i d e d i n t ot h r e es e c t i o n sr e s p e c t i v e l yo nt h ef l o o ra n dg a t eb a yw a l ls t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h e i rs p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ts t r u c t u r e ， i t u s e st h ed i f f e r e n tm e t h o do fc a l c u l a t i o n ( 3 ) b a s e do nn o r m sa n dm a t u r i t ys t r u c t u r eo ft h en a v i g a t i o nl o c ko ft h e c a l c u l a t i o nm e t h o da n db a s e do nv i s u a lb a s i c 6 o ，f o r t r a n ，w o r dv b a ，a n d o t h e rt e c h n o l o g yp l a t f o r m s ，d e v e l o p e st h ev i s u a lp r o c e d u r e so fh e a db a y o fl o c ko ft r i a n g l eg a t e ，a n da c h i e v e si n t e r n a lf o r c es t r u c t u r ea n a l y s i s v i s u a l i z a t i o na n da u t o 巾a t i o n ， a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t ec o m p u t i n gm a n u a l c a l c u l a t ea n de s t a b li s hp r o c e d u r e sf o rt h ee x i s t i n gs t r u c t u r eo fi n t e r n a l f o r c e s ，a u t o m a t i c a l l ya c h i e v ec a l c u l a t i o nm a n u a lo fg a t eb a yf l o o r ，g a t e b a yw a l l ， c o r r i d o r s ( 4 ) aj i a n g s un a v i g a t i o nl o c ka sa ne x a m p l e ，v e r i f ys t a b i l i t y ，r e l i a b i l i t y a n d p r a c t i c a l i t y ，t h r o u g h t h ec a l c u l a t i o no ft h e p r o c e d u r e s o f p r e p a r a tio n k e y w o r d s ：1 0 c ko fs e c t o rg a t e 、 n a v i g a t i o nl o c k 、s t r u c t u r a lc a l c u l a t i o n s 、p a r a m e t r i c 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) ： ( 注：手写亲笔签名 1 品 垂 心蠢 1 、 ) 学位论文使用授权说明 蝴年占月 7 为日 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 查阅和借阅。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) ： ( 注：手写亲笔签名) 乒 姑j 侈j 吕 二_ _ ，一 她年6 月毛日 第一章绪论 闭工作阀门和输水阀门的。 闸室是指船闸的上、下闸首和两侧的闸室墙环绕而形成的空间，是供过闸船 舶停泊用的。当船闸灌水或泄水时，闸室中的水面逐渐由下游水位上升到与上游 水位齐平，或逐渐由上游水位下降到与下游水位齐平，停泊于闸室内的过闸船舶 随闸室水面的升降而升降，沿闸室墙设有系船设备和其它辅助设备。 引航道是连接船闸闸首与主航道的一段航道，其作用是引导船舶迅速安全的 进出闸室。与上闸首相接的称为上游引航道；与下闸首相接的称为下游引航道。 在引航道内设有导航建筑物与靠船建筑物。导航建筑物的作用是引导船舶顺利地 进出闸室，一般均与闸首相连接。靠船建筑物是供过闸的船舶停靠用的，布置在 引航道的停泊段内。 船闸工作原理如图1 2 所示。假定船舶从下游驶向上游，闸室内水位为下游 水位，上游闸门及上游阀门是关闭的。首先，船舶从下游引航道内驶入闸室，关 闭下闸门及下游输水阀门；然后打开上游输水阀门，向闸室灌水；等闸室内水位 与上游水位齐平后，打开上闸门，船舶驶出闸室进入上游引航道。这样，就完成 了一次船舶从下游到上游的过闸。当船舶从上游驶向下游时，其过闸程序与此相 反【l 】o 上闸门下闸门 上游水位 一 vr 1r 一 7 l 一一j 1 i - 一一j ， l 一 下游水位 l、e 7 1 、k 一 、 百 。 图1 2 船舶过闸示意图 1 1 2 船闸在航道建设和水资源综合利用中的地位和作用 水运运输是现代交通运输的重要部分，也是国民经济中的重要组成部分，对 建设和改善人民生活及物资、文化交流都起着重要作用。世界上凡是工农业生产 较发达的国家，其内河水运都比较发达。如美国，欧洲等，基本上已建成一个四 通八达的水运网。 内河水运具有运量大，成本低，基建投资少，综合效益大，对环境污染少等 优越性。我国流域面积1 0 0 k m 2 以上的河流5 万多条，湖泊9 0 0 多个，水量充沛， 除少数地区河流外，多数河流终年不冻，具有发展水运事业的天然优越条件。可 通航河流5 6 0 9 条，通航里程1 0 8 1 0 4 k m ，居世界第二位。但其中，有相当部分 还处在天然状态，或水深不够，或滩多流急，或航道多变，远不能适应国民经济 2 河海人学硕士学位论文 发展对水运运输的要求，亟待改善通航条件，建成四通八达的水运网。渠化河流 和设闸运河均须根据河流比降、两岸地形、通航规模等条件逐级修建一系列的闸 坝抬高坝上水位，淹没滩险，增加航道水深，才可改善通航条件。由于闸坝的修 建，把河流分截为若干河段，把天然河流各河段的比降分别集中于各梯级，或 把运河划分为若干梯级，因此，形成集中于闸坝上下游的落差。为了克服落差， 必须修建过船建筑物船闸或升船机。在我国，绝大多数是船闸，闸坝分截的 河段沟通为全线贯通的畅通无阻的航道，这充分表明船闸在渠化河流和运河建设 中所起的关键作用。船闸规模和能力大小、船闸布置和各构筑物的优劣均将对全 航道起控制作用，是航道通畅的关键，如果船闸规模、布置和各构筑物的设计不 恰当，则很难补救，除非再建第二线或第三线船闸，而且船闸的投资在全河流总 投资中占较大比例。因此，在渠化河流和运河建设中应把船闸放在首要地位，十 分重视它的建设。 据1 9 8 0 年统计，已建水库8 6 8 8 1 座，水电站8 8 6 5 8 座，建在通航河流上的 闸坝2 7 9 6 座，船闸8 0 0 余座，升船机6 0 余座，都较好地改善了内河水运条件。 8 0 年代以后，航道建设揭开了新的篇章，前1 0 年为恢复性治理阶段，后1 0 年 为规划性治理阶段。近2 0 年来，虽然航道总里程增加不多，1 9 9 9 年航道总里程 为1 1 6 5 万k m ，比1 9 8 0 年增加7 4 ，但是航道质量明显提高，1 9 9 9 年水深1 米以上航道达到6 0 2 万k m ，比1 9 8 0 年增加1 1 6 。另据统计，1 9 9 8 年千吨级 以上航道已达8 4 1 1 k m ，比1 9 7 9 年全国内河航道普查数2 7 0 4 k m 增加2 1 倍，航 道等级结构明显改善( 见表1 1 ) 。由此，我国内河航道建设步入以提高航道等级 为主的新时期。而提高航道等级的主要任务，建设船闸将起到至关重要的作用。 表1 1 我国等级航道变化情况数 单位：k m 通航船 一级二级三级四级五级六级七级等外 3 0 0 0 吨2 0 0 0 1 0 0 0 5 0 0 3 0 0 l o o 5 0 1 0 05 0 吨以总计 舶吨级 以上3 0 0 0 吨2 0 0 0 吨l o o o 吨5 0 0 吨3 0 0 吨吨下 1 9 7 9 年2 7 0 43 4 1 23 3 6 78 1 9 51 6 6 4 l7 3 4 8 21 0 7 8 0 l 1 9 9 1 年1 0 4 31 6 24 4 5 04 4 5 26 5 5 61 7 8 7 21 7 8 1 75 6 9 5 41 0 9 3 0 4 1 9 9 5 年1 0 8 36 0 55 0 2 74 8 2 97 0 7 3 1 7 6 5 0 2 0 3 5 65 3 9 5 71 1 0 5 6 2 1 9 9 8 年1 6 0 1 2 0 6 0 4 7 5 03 6 2 67 9 8 12 1 4 3 7 1 9 6 6 5 5 4 8 7 41 1 5 9 9 4 注：表中航道里程为航道定级数，仅供参考。 通航、防洪、发电、灌溉、排涝有着互为促进的关系。例如，防洪越紧张， 越需要水运为其运送防洪器材和物资，特别是铁路、公路因洪水中断时，水运在 防洪中的作用更显重要。水利水电工程建设和由于发电、灌溉而带来的工农业增 产亦需要水运为其运送物资。同时，兴建拦河闸坝抬高上游水位后，可淹没滩险， 改善航道条件，促进航运发展。但也存在着矛盾，如水量分配、工程投资。枢纽 中各建筑物的相互关系及全河段的梯级布局等。因此，需要本着统筹兼顾，全面 安排，一水多用，共同发展的原则进行水资源的开发和建设，摒弃单一的片面作 第一章绪论 法。由于航运是一条线，在这一条线上，任何河段都达到航道尺度要求，才可保 持航运通畅。如果在这一条线上有一点或数点不通，则这一条线就要断航，其他 具备通航条件的河段亦不能发挥作用，难以发挥航运的效益。这就要求，在兴建 拦河闸坝同期兴建船闸( 或升船机) ，保证航运的连续性。这表明，船闸在水利枢 纽通航中所起的是关键作用，是枢纽的重要组成部分，与防洪、发电、灌溉等建 筑物占有同样的地位，对于特别重要的通航河流上，如长江、京杭运河、西江上 的水利枢纽中，船闸则占有很重要的地位 1 】。 1 1 3 我国船闸建设的成就和发展 我国是世界上最早利用水运，修建船闸的国家，早在公元8 2 5 年，李渤主持 整修沟通湘江和漓江的灵渠时，就创建陡门3 6 座，陡门即闸门，就是船闸的雏 形。到9 8 7 年乔维岳在灵渠创建二斗门，二门相距五十步，设悬门，是世界上最 早的船闸，比1 8 7 5 年在荷兰出现的半船闸约早4 0 0 年。建国后，船闸有了较大 的发展，已建成船闸9 0 0 余座。从第一个五年计划开始勘测、第二个五年计划开 始施工的京杭运河整治扩建工程起，我国的船闸建设取得了较大的成就，有了较 快的发展。1 9 5 7 年开始由我国自己设计和施工，1 9 5 8 年首次建成有效长2 1 0 m ， 宽1 5 m 的宿迁、泗女寺、杨柳青3 座l o o o t 级船闸；接着于1 9 5 8 年设计，1 9 6 0 1 9 6 1 年建成有效长2 3 0 m 、宽2 0 m 的施桥、邵伯、谁安，淮阴、泅阳、刘山、解 台、微山8 座3 0 0 0 t 级船闸；此后又于6 0 年代末到7 0 年代建成谏壁、刘老涧、 皂河3 座2 0 0 0 t 级船闸。到1 9 7 8 年京杭运河已建成船闸2 6 座，并在施桥等船闸 实现船闸自控操作，大大改善了运河通航条件，提高了运河过船能力，目前又完 成了苏北段复线船闸建设，进一步扩大了运河过船能力。 1 9 5 旷1 9 6 2 年湖南建成我国设计水头最高( 4 3 m ) 的潇水双牌船闸和水头2 8 m 的水府庙船闸( 均为设中间渠道的两级船闸，及设计水头3 8 m 的酒埠江船闸( 两 级) ；1 9 6 5 年广西建成设计水头2 1 7 m ，l 0 0 0 t 级的连续两级西津船闸；1 9 6 1 年 安徽建成l o o o t 级的淮河蚌埠船闸；1 9 6 3 1 9 6 9 年建成l o o o t 级的裕溪河巢湖 船闸和裕溪口船闸；1 9 6 2 1 9 7 5 年广东连江建成界滩等1 1 座船闸；1 9 6 卜1 9 6 6 年四川建成渠江南阳滩等3 座船闸；1 9 7 0 年建成设计水头为1 9 m 的富春江七里 垅船闸。这些船闸的建成和运用，积累和丰富了船闸规划、设计、施工、运行管 理的经验和水平，锻炼和壮大了队伍，具备了建设运河、渠化河流、水利枢纽中 高水头大型船闸的技术水平和力量。 1 9 7 0 年1 2 月2 6 日开工的长江葛洲坝水利枢纽，设有大江、三江两条 航线3 座船闸，大江1 号和三江2 号船闸有效长2 8 0 m ，宽8 4 m ，设计水头2 7 9 m 和2 7 m ，是当时我国最大的船闸，也是当时世界最大的船闸之一。船闸的技术问 题极为复杂，特别是泥沙和通航水流条件的复杂程度是目前国内外还没有的。为 解决这些技术问题进行了大量的科研试验，特别是泥沙和通航水流条件的试验， 4 河海大学硕：l 学位论文 尼日利哑卡囚奇 尼日尔河3 01 9 81 2 2单3无1 9 6 0 巴西库图鲁伊 托坎廷斯河 7 12 2 03 3单2有 加拿大韦兰1 、2 、3韦兰运河 4 22 3 32 4 4 单 3 有 1 9 3 2 加拿大 韦兰4 、5 、6 韦兰运河 4 32 3 3 52 4 4双3 无 1 9 3 2 美国 威尔逊( 老)田纳西河 3 0 。51 8 3 3 3 。5单2无 注：中国三峡船闸中间级最高水头4 5 2 m 为世界最高。 1 2 三角闸门的介绍 三角闸门是由两扇在水平面内绕垂直轴转动的竖向门叶组成，关门时，两门 叶在船闸的纵轴线上接触，阻挡水流，开门时，每扇门叶转入各自闸室内的门库 里，来保证船闸的进出通道。中小型船闸的三角闸门的面板一般做成直线，俯视 形如三角，因而简称为三角闸门。国内大中型船闸及国外三角闸门的挡水面板一 般做成以闸门转动中心为圆心的圆弧形，因此亦称扇形闸门，或将其归为弧形闸 门一类，称为平转式弧形闸门或竖轴式弧形闸门i l 儿1 5 j 。 1 2 1 三角闸门的特点 三角闸门挡水时，作用于面板上的水压力的合力，通过旋转轴，偏心很小。 因此闸门启闭力较小，能在动水中启闭，能承受双向水头。在长江下游的支流河 口设置通航建筑物时，长江水位受潮汐影响，江水昼夜两涨两落，而支流水位相 对稳定。闸门承受经常变化的双向水位，每日有四次平潮机会。利用平潮时上、 下游水位小，过闸水流的流速低的特点，进行开通闸，可以提高船闸的通过能力。 由于三角闸门能在动水中启闭，又能承受双向水头，适宜于在这种船闸中使用。 在的水头的船闸中，还可以利用三角闸门的门缝进行船闸的灌、泄水。当采用门 缝输水时，其水力条件的好坏，主要取决于门叶和门库的轮廓尺寸是否适度。 一是以谏壁船闸闸门为代表的多支座式三角闸门，它的特点是： 1 、闸门门体较高大，为减少支座反力过大和过于集中，其支承型式采用了 多支座结构； 2 、门体除承担静水压力外，又须在挡水条件下张开门缝，利用中、边缝进 行门缝输水，为此在闸门的中、边缝特设有羊角，以改善输水条件； 3 、为保证闸门边缝输水效果和门体顺利纳入门库，边羊角的长度一般大于 中羊角的长度，使得门体挡水后受力不能对称，这样闸门在反向偏心水压力的作 用下有自开的趋势，为确保门缝止水效果，须要依靠启门力预压，故此时闭门力 较大。 二是以上海淀浦河船闸闸门为代表的简支式三角闸门，它的特点是： 1 、门体不高，支承型式为静定简支式。 7 第一章 绪论 2 、门体以挡水为主，辅以门缝输水，门体两头不设羊角，或虽有羊角，偏 心亦甚小。 1 2 2 三角闸门的受力特性 三角闸门在挡水和开关闸门的过程中，受力特性如下门： 1 、闸门重心远远外悬于门体的支座： 2 、闸门启闭机的支点，多设在与支座相距较远的支臂杆( 一般设在上支臂) ， 它和闸门重心亦有较大的偏心距； 3 、门体在挡水时，处于静水压力的作用下，在进行门缝输水时，门缝中缝 失去依托，一方面门体需要经受水压力( 特别是反向水压力) 和支臂点处启门力以 及闸门自重的综合作用，另一方面在逐渐开启闸门输水的过程中，中、边缝门库 及门体排架间的空间，却又成了输水廊道一部分，被迫使门体的一部分结构，被 置于动水作用下。 1 2 3 三角闸门在国外的发展和应用 三角闸门的出现可以追溯至扇形顶靠闸门的应用，扇形顶靠闸门最先用于荷 兰，主要用于双向水头的船闸。扇形顶靠闸门也是由两个门扇组成，每个门扇是 由一块不透水的、起顶靠作用的面板和另一块透水面板构成。这种闸门的缺点是： 当上下游水位差减小时，由于摩擦力的作用，闸门的启闭将变得困难；至于上下 游水位差为零时，则根本不能自动启闭闸门，需要辅助的启闭手段，例如用人力 操作。 在此基础上，弧形面板的三角闸门得到了应用，由于面板上水压力的合力通 过旋转轴，因此可以用不大的力量逆水头开启闸门，闸门操作是电动的。这样的 三角闸门最早出现于美国，第一次是在1 9 0 7 年用于芝加哥排水渠的l o c k p o i r c 坝 上，安装的两座闸门是用来调节渠道的水流并且带走冰决和漂浮物。其中一座闸 门孔口宽度为3 6 6 m ，另一座闸门的孔口宽度为1 4 6 m 。到目前为止，三角闸门 在美国已经有了很广泛的应用，例如：墨西哥湾内河水道的加尔加申船闸、佰尤 夫牛扼湖船闸、勃维克船闸、穿越科罗拉多河船闸；卡卢萨哈奇河的摩尔港区船 闸、沃吨那船闸；美国阿尔及尔运河上的阿尔及尔船闸；普莱克明市至摩根市水 道的索累尔牛扼湖船闸：卡纳维拉尔驳船运河的卡纳维拉尔船闸；圣路易运河的 圣路易船闸等都是采用的三角闸门结构。 在欧洲，三角闸门的最早应用始于1 9 1 1 年，在德国的w e s e r 坝安装了两座 闸门，孔口宽度为5 4 m ，高度为4 6 m 。当时，经过研究之所以选择三角闸门是 因为需要一个可淹没式闸门。当时，可淹没式定轮和弧形闸门都己为人所知，但 还没有在实践中应用过。 1 9 2 4 年，在巴西帕拉伊巴河上安装了三扇三角闸门，宽度为4 5 m ，高度为 8 河海人学硕上学位论文 7 4 m ，至今仍保持该类型闸门的最大淹没面积的记录。 1 2 4 三角闸门在国内的发展和应用 三角闸门在我国使用己有近四十年的历史，早期小型三角闸门的应用在我国 已较普遍，在结构上惯用两支点布置，所设的顶底枢除承受门重外，还需承受正 反向全水头的水压力，为此顶底枢的体积很大，例如，江苏黄田港船闸口宽仅 l o m ，水差3 m ，底枢蘑菇轴头的直径竞达4 0 0 m m 。若沿袭这种布置，谏壁船闸 的底枢将是一庞然大物。这不但给门体设计带来困难，且零件加工也难以解决， 为此在方案比较时考虑了多支点布置。 由于三角闸门能承受双向水头，并且能在动水时启闭，尤其适用于受潮汐影 响的船闸。在长江下游的支流河口设置通航建筑物时，长江水位受潮汐影响，江 水昼夜两涨两落，而支流水位比较稳定。三角闸门承受经常变化的双向水头，每 日有四次平潮机会。利用平潮，在上下游有较小水位差的条件下开放通闸，可以 提高通过能力，非常适宜于在这种船闸上使用，在长江下游沿岸己建的1 3 座船 闸中，有9 座船闸的闸门均选用此种门型，投入运行后使用良好，运转正常。尤 其是江阴黄田港船闸利用平潮过闸，年通过能力己达1 8 0 0 万吨，大大超过设计 通过能力3 0 0 万吨的指标。据统计，开通闸的时间仅占全部过闸时间的1 2 1 7 但通过能力却占全部过闸时间的5 6 8 6 ，在使用运行的四十年里仅大修过三 次，达到了设计和使用要求；二十世纪七十年代末，在长江与京杭运河交汇的苏 南入口处，即在谏壁枢纽上建成了我国目前船闸中最大三角闸门，门体自重近 7 0 吨；九十年代初，由世界银行贷款的项目一南通九好港船闸工程，建成了用 钢管网格空心球节点的新一代三角闸门【1 】【2 1 【1 5 】【1 9 】【2 0 】。 1 3 船闸结构的设计现状及论文的研究意义 1 3 1 船闸结构的设计现状 随着我国水利设计理论、方法及技术的发展，水利行政部门颁布了一系列船 闸相关设计的新规范，如：船闸水工建筑物设计规范( j t j 3 0 7 2 0 0 1 ) 、船闸总 体设计规范( j t j 3 0 5 2 0 0 1 ) 、船闸输水系统设计规范( j t j 3 0 6 2 0 0 1 ) 、船闸电气 设计规范( j t j 3 1 0 2 0 0 4 ) 、船闸闸阀门设计规范( j t j 3 0 8 2 0 0 3 ) 、水工建筑物抗 震设计规范( s l 2 0 3 9 7 ) 、水工建筑物荷载设计规范( d l 5 0 7 7 1 9 9 7 ) 、水工混凝 土结构设计规范( d l t 5 0 5 卜1 9 9 6 ) 等，大大规范了船闸的设计工作。 船闸设计包括船闸的总体设计布置、船闸输水系统设计、船闸水工建筑物设 计、船闸闸、阀门设计、船闸启闭机设计、船闸电气设计、船闸观测设计等几大 方面，涵盖了水利工程设计的各个方面，是一项复杂系统的工作。其中，船闸水 工建筑设计中的结构设计是重中之重，需要进行大量的数据分析计算和研究，经 9 第一章绪论 过长期建设实践经验和科学研究，设计理论已经日趋成熟完善。 船闸的结构设计的主要任务是对闸首、闸室及导航和靠船建筑物结构等在各 种作用组合工况下进行应力分析和强度校核，再对初选布置的结构连同地基进行 抗滑稳定和整体稳定验算，以便最终确定结构尺寸以及钢筋配置。结构计算涉及 材料力学、结构力学、弹性力学及土力学等多个学科的相关理论。 船闸闸首是船闸工程的关键部位，一般设有输水廊道、闸门、阀门、闸阀门 启闭机械及其相应的设备等，设备较多，受力状态又十分复杂，闸首是克服水头 的主要结构，因此闸首结构的安全稳定将是整个船闸正常工作的保证，是设计的 难点。按其受力状态可分为整体式结构和分离式结构。在土基上为避免由于边墩 不均匀沉降而影响闸门正常工作，一般采用整体式闸首结构，岩基上的闸首则可 采用分离式结构，如葛洲坝工程1 、2 、3 号船闸；建于砂岩上，其上闸首均采用 分离式结构，为确保结构受力时候的整体工作，在中间底板与边墩接缝处设有键 槽并进行接缝灌浆处理。 闸室是一空间结构，受力比较复杂。在工程设计中对闸室结构分析时，通常 将其离散成若干个部件( 如底板、侧墙等) 来计算。 对于底板应力和内力计算，有倒置梁法、反力直线分布法( 简称反一法) 、 弹性地基梁法( 简称弹一法) 等方法。弹性地基梁法是常用较为完整的方法，反 力直线分布法是常用的较为简便的方法，但是这些计算方法中还存在着较为明显 的概念性问题，弹性地基梁法的改进法( 简称为弹二法) 及反力直线分布法的改 进法( 简称为反二法) 将闸墩与底板分开，考虑闸墩承受的水平荷载并计算其底 部弯矩，作为作用在底板上的荷载，从而可以不必计算闸墩承受的不平衡剪力。 随着有限元技术的发展，有限元程序的开发和运用受到重视。工程人员、科 研人员开始用白编的有限元程序运用于船闸结构分析，取得了不少成果。 1 3 2 论文研究的意义 我国工程结构设计软件较少，主要集中在土建部门，其中水利工程辅助设计 软件更少。而船闸的结构设计工作是一项创造性的劳动，工程人员若是想要得到 一个较为合理、经济、在各方面皆优的设计方案，进行各种参数的调整将是很多， 且很频繁。目前在我国船闸工程结构设计中，大都仍停留在某一单项的辅助设计， 手工运算与计算机绘图相结合的水平上，要进行大量的数据文件的填写，以及繁 琐的结构试算，若不满足结构强度和稳定性要求，必须返工，计算机的作用通常 只是完成绘图工作或某一单项的计算。这样，设计人员就要进行繁重的计算与绘 图工作，重复性、机械性劳动过多，设计周期长，工作效率低，精确度不高。因 此，开发一套功能强大且运用方便的的船闸结构设计软件，已成为水工设计人员 重要而又紧迫的任务。 有些单位自行编制了小型的局部计算程序，但缺乏整体性和连续性，其准确 1 0 河海人学硕上学位论文 度也有待判定，有些设计单位曾丌发过船闸设计系统软件，也存在着许多不足。 首先，从依据上而言，这些软件是基于以前的老规范，与新规范有较大的出入， 需要更新；其次，这些程序零散而缺乏整体性，很难进行整个工程的系统设计； 再者，从这些软件的使用上看，这些软件不是基于具有友好人机交互界面的语言， 缺乏良好的使用和操作环境，这些程序大都需要填写大量的数据文件，令使用者 望而生畏，而且很容易出现错误，工程设计人员使用还有许多不便，这些都妨碍 了程序的广泛使用。 因此，编写一些系统的、具有良好使用界面的可视化辅助设计软件是很有必 要的，进行水利枢纽通航建筑物的结构分析计算可视化设计研究具有巨大的实用 价值和社会意义。三角门闸首结构计算设计系统本着“快捷、高效、准确”的设 计原则进行编制，是一个具有良好界面，可以进行从闸首结构设计及建模、荷载 计算、稳定分析及内力分析等一整套完整的设计，使用时，可以由计算机自动进 行方案设计，也可以不断进行修正，用人机对话交互工作的方式进行，集成开发 环境提供了单独的渗流计算、弹性地基梁计算( 包括边荷载计算) 等实用工具软 件，具有较好的使用价值。 1 4 本文研究的主要内容 据我国船闸设计的现状和国内外船闸闸首的辅助设计软件的现状分析，简化 船闸的结构理论，提高船闸的设计效率，满足广大工程设计人员在工程设计中的 实际需要，该软件不仅包括传统的规范算法还囊括的现在较流行的有限元计算方 法。该软件主要分为闸首参数化建模、规范计算和有限元分析，最后自动生成图 文并茂的计算说明书。软件中要求每个模块都应针对船闸的设计特点做了智能化 封装，使操作简化。对于参数化建模，软件应根据用户的输入自动生成模型，并 能够随时根据要求做局部的调整。整个软件主要包括以下几个部分和功能： ( 1 ) 结构尺寸输入：该模块直接输入各种尺寸基本资料，自动设计要求的 闸首结构。实时为用户提供各种设计信息，只要按照计算机的提示，就可以通 过简单的人机对话对结构形态的分析。 ( 2 ) 基本资料输入：该模块通过人机交互方式，让用户输入闸首设计所需 要的气象、水文、地质、地形、建筑材料等除尺寸以外的基本资料，如上、下游 水位、闸首水位、工程等级、设计及校核洪水位、墙后填土高程、船舶( 队) 资 料、建筑材料、地基信息等等，为结构分析作好准备。 ( 3 ) 荷载工况计算：该模块既可以直接调用基本资料模块和断面设计模块， 对拟定结构进行荷载计算，分别计算出自重、水压力、土压力、扬压力、闸阀门 重等以及产生的相关力矩，从而得到侧墙、闸底板等结构的受力状况和荷载分布， 也可以作为一个独立的部分在系统主界面下单独调用，单独输入工况信息后自动 第一章绪论 计算分析。为便于分析计算，用户可以单独计算某个工况，也可批量计算所有工 况，计算后将结果数据文件自动保存，调用专门的数据管理模块，可随时调出查 看，并便于后续分析工作直接调用。 ( 4 ) 整体稳定性计算和内力分析：该模块通过数据管理模块调用计算所需 的数据和数据文件，交互式生成f o r t r a n 计算程序所需格式的数据文件，借助混 和编程技术，实现v b 语言对f o r t m 计算程序的调用。利用f o r t r a n 语言强大的 计算功能，编制闸首整体的稳定分析和内力计算程序。 ( 5 ) 有限元分析：有限元分析包括，建模、网格的划分，加载、边界条件 的定义，材料特性的输入和计算分析以及后处理等几个过程。通过t m e 鲥d 软件 进行建模和加载然后导入相关有限元分析软件进行分析，并编制后处理程序得出 闸首的各部分的弯距、剪力和轴力，为配筋计算作准备。 ( 6 ) 实现结果的自动输出：对按规范和有限元计算方法的到船闸的各部分 的内力通过v b 和w o r d 的通信技术，计算结果直接形成表格输入到、o r d 中。 系统主要是利用t m e 鲥d 和v i s u a lb a s i c 等开发工具来实现船闸闸首的参数 化建模和可视化设计。系统首先利用s u a lb a s i c 语言来开发船闸的建模程序， 建立船闸闸首结构的模型实体，并编程进行结构计算、配筋计算及有限元计算， 并绘制结构图形和配筋图，自动生成设计计算说明书。 本文是船闸闸首设计系统的一部分，引入参数化技术，针对实际工程中三角 门船闸闸首结构设计中的出现的问题，在船闸闸首结构计算系统的开发研究方面 做了一些有益的尝试。对闸首的结构稳定，内力进行数值分析，并结合形成一套 较完整的闸首分析设计程序。论文基于v i s u a lb a s i c 6 o 等开发工具，设计人机友 好的交互式界面和编程进行结构计算，采用多种语言混合编程研制了一套既有友 好的人机交互界面又有高效的计算能力和后处理功能的船三角门船闸闸首结构 可视化设计应用系统，程序可以大大减少设计人员的工作量，提高设计效率，并 使得方案的比较和成果的显示更加直观合理，适应了水利行业发展的需要。 本论文是在现行的船闸水工建筑物设计规范( j t j 3 0 7 2 0 0 1 ) 、船闸总 体设计规范( j t j 3 0 5 2 0 0 1 ) 、水工建筑物荷载设计规范( d l 5 0 7 7 1 9 9 7 ) 、水 工混凝土结构设计规范( d l t 5 0 5 7 1 9 9 6 ) 的基础上完成的，主要在船闸参数化 和结构计算设计方面做了一些有益的尝试。本文主要完成以下几方面的工作： ( 1 ) 三角门闸首结构的参数化设计。在总结已有工程的基础上，对船闸的 基本形式，主要是对闸首结构的基本形式进行分析、总结和归类，并对他们分别 进行对象化，提取最基本的实体对象进行参数化抽象，以达到用若干个独立的参 数表示出一个完整的船闸闸首实体模型。 ( 2 ) 系统总结船闸结构的设计和计算方法，主要就三角门船闸闸首结构的 分析计算方法进行研究，将闸首分成三段分别对底板、侧墙、廊道和空箱等结构 1 2 第二章设计系统的设计技术和总体规划 第二章设计系统的设计技术和总体规划 2 1 软件设计的基本原理 软件的开发过程一般可分成五个阶段：( 1 ) 要求分析和规范说明( 2 ) 软件 系统的逻辑设计和物理设计；( 3 ) 编制程序；( 4 ) 正确性验证；( 5 ) 维护和文档 化。这里主要介绍一、二阶段的工作。 ( 1 ) 结构化分析为了使用计算机替代一个复 x 河海大学硕士学位论文 模块独立性，模块的抽象的信息隐藏性体现着模块的独立性。模块独立性意 味着程序功能划分明确。模块间接口关系清晰，开发容易，设计和可修改性好， 易于验证独立模块的正确性，从而可确定整个程序的正确性。而且独立模块内的 错误或修改不至于传播到全局程序。 究竟什么样的模块是独立性强的模块，普遍应用两条定性准则来衡量：即内 聚和耦合准则。内聚是一个模块相互依赖性的一种的度量，可以用所谓耦合谱系 表示出来。 设计模块时，应力争高度内聚的模块，识别底内聚模块，可用达到错误分离， 减少复杂性，从而易于设计和编码，也便于维护。同时模块化思想也应争取弱耦 合，使模块可独立地被理解，被编写和被修改，且模块出错之处不易传播其影响。 为了使模块达到编程序程度，应指明模块类型：( 1 ) 顺序模块。由应用软件 引用和执行；( 2 ) 增值模块。在它完成任务前可被应用软件中断，而后又可在中 断点启动；( 3 ) 平行模块。在并发多处理系统中，平行模块与另一模块同时执行， 又称并发程序，在多个平面工作c p u 时会遇到。 综上所述，形成了模块化的指导原则 1 模块化的“分解”与“合并”。用结构化设计方法对所得软件初始结构进 行评价，以降低耦合，提高内聚，可以用“分解”与“合并 的方法。 2 用高扇使结构最小。软件结构的特征可从深度、宽度、输出端数、输入端 数定义一个软件结构形态。结构项层可有相对高的扇出，中层少有输出数段，底 层则呈现输入端。( 扇出( 胁o u t ) 是定义单个逻辑门能够驱动的数字信号输入 最大量的术语。大多数t t l 逻辑门能够为1 0 个其他数字门或驱动器提供信号。 因而，一个典型的t t l 逻辑门有l o 个扇出信号。) 把模块作用范围保持在模块的控制范围内，应坚持影响范围是控制范围的一 个子集。 评价模块接口以降低复杂和冗余性。复杂接口是造成软件错误之主要原因， 因而，应使模块接口传递信息简单，并与模块功能一致。 3 定义功能可以预测的模块，避免过分的限制模块。 力争单入口单出口模块，防止转移或引用到一个模块的中间( 以免“病态连 接 ) 。 组装软件以设计约束和可移植要求为基础。 4 选择每个模块的规模以保持其独立性，模块高内聚，可导致模块减小；力 求底耦合，则模块的复杂性就降低。一个好的模块的大小，其源代码清单行数应 不翻页( 一般在5 0 1 0 0 代码行范围内) 。图2 1 反映了软件的一般过程。 第二章设计系统的设计技术和总体规划 竺备粤盏 量霎 竺回等圃j | | 鬻墓鳜一 蓁；雪薹羹萋攀冀薹霪 旧暄谙薹邑鍪淄爆溜薹蓁甥捌萄型醴萋磊錾型胃蓦掣邑鸯蝌辫碌哩德吲霎 羹删型瑙可丛蓄| 耋型荔雾“；毽崖鞣薹肾匿曩堑 暑量咎萋晕副霎坷蚶霎刿圳刿 型b 翮萝；彩蓄臀华南管箔裂蜀；蹑瑁_ 蓄叁绺鋈蒺龠；壤珀癌衢羞墨霸矧泺薹 釜摹盎剃霪型昆彦咝薹灞。 霎；霎雾萋 般要经历方案选择、初步设计、结构计 算、施工图绘制等几个阶段且每个阶段都有特定的设计目的。对船闸设计系统而 言，主要包括： ( 1 ) 设计准备阶段 这阶段，设计人员需要了解工程背景，包括设计流量、上下游渠道高程和 水位、地形地质、工程等级等，根据工程原始资料，设计人员检索同类的设计实 例，查阅相关的参考文献。 ( 2 ) 闸首结构的参数化 结合现有的船闸工程实例，对闸首的基本形状进行分析总结，提取出最基本 的实体对象。并对每个单独的实体对象进行参数化，以达到能够用若干个独立的 参数表示出船闸各个结构部位实体模型。根据所提取的参数，利用v i s u a lb 商c 语言来开发闸首的建模程序，划分闸首图形对象，并直观地显示在设计人员的面 前。 ( 3 ) 结构的初步设计 设计人员通过类比同类的设计实例与参考文献所提供的专家经验，以现行的 设计规范为基础，分别进行地基设计、防渗和排水设计、基础梁设计、配筋设计 等初步设计工作 。 ( 4 ) 结构内力计算分析 以现行的设计规范为依据，采用常规通用的结构计算方法进行结构计算。就 河海大学硕士学位论文 2 3 4 实现计算结果的自动输出 工程设计中最终是以图形和表格数据等形式来表现出来，也是工程师们最终 所要的到的。因此能够将