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整体多定轮门的结构设计探讨 论文集:2004年第4期 作者 :王巧红 发布时间 :2004/12/1 0:0 整体多定轮门的结构设计探讨浙江省水利水电勘测设计院 王巧红摘 要:本文就多主梁多轮式平面闸门的结构布置，计算方法进行了探讨，就潜孔闸门和露顶闸门的情况在结构布置、计算方法上进行了分析，比较，对多轮式闸门的布置提出了建议和意见。关键词:多滚轮门,多滚轮门的布置,最佳布置结构,超静定连续梁,简化计算1.前言多轮式闸门的布置，一种形式是对闸门结构进行分节，每节仍布置四个滚轮，节与节之间用铰轴或焊接板进行连接，这种柔性或半柔性结构允许节与节之间有一微小的相对转动，以保证每个滚轮与轨道的接触。这种形式力学模型明确，闸门结构能很好的符合工程实际。还有一种形式就是整体多轮式闸门，闸门结构根据运输、安装条件分节制作后，在现场焊接或用高强螺栓连接为整体。对于整体焊接（或高强螺栓连接）的多轮式闸门的结构布置，在平面体系假定下的闸门结构计算方法，水利水电工程钢闸门设计规范并未明确规定，有进一步分析探讨的必要。2.整体多轮门的结构布置2.1整体多轮门的应用情况在我国，整体多轮门目前主要用于大孔口，高水头平面闸门中，用作压力管道进口、泄洪洞、排砂洞进口等部位的事故检修门，以解决轮压大，分节布置有困难的情况；也有部分表孔工作闸门因种种原因而使用整体门，如湖南凌津滩水电站泄洪闸工作门，按总体布置要求，泄洪时闸门全开约有三分之二以上部分提出坝顶以上，为保证此时闸门的整体刚度，闸门设计为一整体结构。葛洲坝水利枢纽二江泄水闸工作门，为上平下弧的布置方式，上层平面闸门的下节门叶也采用了多轮支承。在该门的布置中，上层平门实为下层弧门泄洪时的导流板，经水力学试验确定所需的导流板高度为5.9m，以此为依据将上层平门分为两节，节与节之间铰接，下节门叶高度5.9m，受门槽宽度与设计轮压的限制，在下节门叶上布置了4对定轮。2.2整体多轮门的布置形式整体多轮门结构布置形式主要有以下三种：1）、主梁等荷载布置，根据具体要求调整主梁位置，尤其是底缘位置，在主梁中间布置定轮。2）、主梁等荷载布置，根据具体要求调整主梁位置，尤其是底缘位置，在主梁端部布置轮架式定轮。3）、根据主梁等荷载布置公式在水压力中心线上布置定轮，在定轮之间布置主梁。以上三种布置形式，主梁和支承的数目可能一一对应，也可能不同。在整扇不分节的闸门上布置多个主梁和多个滚轮时，主梁等荷载，支承等荷载是一种理想的设计结构，此时轨道受力均匀，闸门结构经济合理。对于平面闸门的结构设计，水利水电工程钢闸门设计规范（SL74-95）5.1.2条推荐了主梁等荷载布置方式，前二种布置方法都反映了这种要求，对于第三种布置方式，虽然已有工程应用，但本人认为还需进一步商榷。3. 整体多定轮门的结构计算平面钢闸门是一种板梁结构。根据其结构特点，在平面体系中，将边梁所受力简化为主梁传来的集中力，支承反力的计算通过边梁的受力平衡得到。对于多轮闸门，边梁为一超静定连续梁。在深孔整体多轮门中，由于各支承跨度相等或相近，超静定连续梁可以用力矩法进行简化计算，认为作用在跨中的集中力由相邻的两个支承分担，计算结果与理论值相差不大；但在露顶门中，各支承跨相差较大，随意简化难以做到弯矩平衡，支反力计算较复杂。针对这种情况，有一种观点认为闸门的刚度足够大，受水压力作用后整体变形很小，可以认为是一个刚体(内部结构传力可不考虑)，滚轮处支反力仅与作用的外力有关，而与闸门的结构无关。因此边梁受力可以直接简化成三角形或梯形水压力,根据水电站机电设计手册(金属结构一)，露顶式和潜孔式平面闸门多主梁布置时，主梁等荷载布置位置的计算公式：Zk=和Zk=在闸门边柱上原布置主梁的位置布置N个支承，然后直接认定各支承是等荷载的，其荷载为（P为作用在闸门上的总水压力）。这就是第三种整体多滚轮闸门布置方法的理论依据。这种布置形式由于支承占据了主梁的位置，主梁布置在两个支承中间。此时闸门结构是否真的能做到支承等荷载布置呢？根据第三种布置形式就露顶门和深孔门分别进行说明。（1）露顶门算例以下为某工程1212-12m的泄洪闸表孔工作门的结构布置，在整扇门上布置六根主梁、六个轮子，具体结构见附图二中的第三种布置形式。根据以上结构，用平面体系中边梁为受主梁传来的集中力作用的超静定连续梁和闸门整体有限元方法分别进行了定轮支反力的计算，结果见表1。 表1 定轮荷载计算成果比较表 轮子序号原假定按边梁受主梁传来的集中力作用（主梁受力计算简化）按边梁受主梁传来的集中力作用（主梁受力计算按连续梁方法）有限元方法的计算成果172.0t73.755t89.96t84.746t272.0t63.08t39.45t51.615t372.0t79.368t99.84t63.348t472.0t63.00t32.96t72.692t572.0t112.806t111.70t105.286t672.0t40.0t58.10t53.545t如以闸门整体有限元分析计算成果为准，从上表可以看出，定轮的荷载并不均匀。因此定轮的支承反力与闸门结构无关的观点是不成立的。相反，在目前还不能做到所有闸门都按空间体系进行整体有限元分析计算的情况下，按平面体系假定，边梁为受主梁传来的集中力作用的超静定连续梁进行支反力的计算则可以反映出这种离散的情况，且二者最大值出现的位置一致，数值相近。（2）潜孔门算例某工程12.010.0m-28.95m船闸工作门，该闸门采用了平面多主梁焊接结构，共布置了18个悬臂轮，每个悬臂轮的最大设计轮压为1800kN。为增加水封的密封性，该闸门在顶、底部设置了主梁，用于加强局部刚度，减少跨中挠度。结构布置见附图一。附图一对该结构采用边梁为受主梁传来的集中力作用的超静定连续梁进行支承反力的计算，各数值如表2所示。 表2 主梁与支承的荷载计算成果梁或轮的序号滚轮位置（m）(距底坎距离)主梁位置（m）(距底坎距离)各主梁传到边梁的荷载（t）各轮轮压(t)19.3141066.416172.92128.0028.658176.777143.47536.7687.385149.266155.70245.5996.184157.442156.85954.4865.042155.872155.42763.4213.953156.214158.07872.3992.910155.827156.24581.4151.907151.565150.85290.4650.940178.193163.935100.062.776从上表可以看出，除顶、底主梁外（按止水要求布置），各主梁受力较均匀，各轮轮压也较均匀。4三种不同布置方式的比较及工程应用。仍以某工程1212-12m的泄洪闸表孔工作门为例，按上述三种不同形式进行了六主梁六支承闸门的布置，具体结构见附图二。就以上三种结构分别进行了计算，结果见表3。表3 工作闸门在三种不同布置方式下主梁荷载与定轮荷载计算成果比较序号第一种布置形式第二种布置形式第三种布置形式主梁荷载定轮荷载t主梁荷载定轮荷载主梁荷载定轮荷载175.266t55.072t75.266t75.266t38.73t89.96t265.842t71.326t65.842t65.842t59.85t39.45t375.052t62.126t75.052t75.052t79.65t99.80t472.002t72.228t72.002t72.002t78.95t32.96t568.038t12.653t68.038t68.038t28.89t111.70t675.780t145.103t75.780t75.780t146.05t58.10t注：1、以上结果按平面体系假定进行计算。2、主梁荷载指的是主梁传到边梁上的荷载。 附图二（注以上布置均为理论布置，没有考虑底缘问题），从上表可以看出，对于露顶门，只有第二种布置形式，主梁、支承的荷载都较均匀，说明该结构是一种受力条件较好的结构。但支承放在主梁后面，类似台车支承，门槽尺寸大，水力条件差，因此仅适用于过槽水流流速较小的露顶门或电站引水隧洞进口的事故检修门。第一种布置形式主梁荷载均匀，各支承荷载相差较大，不是最佳结构。但可以方便地布置简支轮或悬臂轮，且门槽尺寸小，水力条件好。对于第一种布置形式，如不采用主梁与支承一、一对应的结构，改为六主梁七支承的布置方式，在底主梁下方再布置一个小的平衡轮，则可以显著降低第六主轮的荷载，使各轮受力均匀，这种布置方式曾在多个闸门中有过应用。在主梁位置不变，结构许可的情况下，进一步优化可将各轮尽量靠近主梁，在闸门底部布置平衡轮，布置形式见附图三，重新计算的各轮轮压结果见表4 表4 工作闸门考虑平衡轮时各轮荷载计算成果序号1234567各轮轮压55.076t71.326t62.126t 72.228t65.322t68.852t39.073t从上表可以看出，除平衡轮外，各轮轮压明显均匀。因此，对于第一种布置形式，采用支承数等于主梁数加一的布置方式可以得到受力条件较好的结构。在结构许可或有特殊要求的情况下，如采用主梁数等于支承数加一的布置方式也可以得到受力较均匀的结构，尤其是在深孔门中。对于深孔门，主梁等间距布置即可做到等荷载，在布置完主梁后，在各主梁之间布置支承，在顶、底主梁的上、下方再布置一对平衡轮，可得到的主梁和支承荷载都较均匀的结构。另一种方式为主梁等荷载布置后，上移主梁位置0.5L,在闸门顶、底位置布置主梁，在主梁中间布置支承，此时支承等荷载，主梁除顶、底梁外也等荷载。这两种布置方式的边梁受力计算简图见附图四。对比附图四中两个结构可以看出，B图中的支承就布置在A图中主梁的位置上，这就是上述某工程船闸工作门按第三种布置形式得到一个较优结构的原因。附图三第三种布置形式，对于露顶门而言主梁和定轮的荷载都是离散的，因此其结构设计没有依据，随意性太强，但对于需在顶、底部布置主梁的潜孔门，则可以得到一个较好的结构。且该布置方式与第一种布置方式一样，门槽尺寸小,水力学条件较优，因此在特定的条件下是可以考虑的。5关于整体多滚轮门设计的一点建议我国定轮闸门的设计受传统习惯的影响，一般在一个门上布置四个定轮。对于深孔平面定轮闸门，则荷载越大，轮压越大，轮径越大，为闸门结构的布置带来许多困难，因此轮式闸门用于中、低水头的平面闸门中居多，且滚轮型状与车辆走轮相似，轮压受最大接触应力控制，目前能做到的最大轮压约为6000kN，最大轮径约为1200mm。我国在90年代开始吸取西欧经验，采用多滚轮的布置方式，同时也认识到由于轨道安装误差，各轮踏面不易在同一平面等会导致多轮闸门的轮压不均匀。附图四水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范DL/T5018-94要求，闸门埋件非加工轨道表面直线度为构件长度的1/1500，且不大于3mm, 加工轨道表面直线度为构件长度的1/2000，且不大于1.0mm，安装后加工轨道工作范围内轨道表面对门槽中心线的误差为+2m，-1m，非加工轨道为+3m，-1m。采用偏心轴可以调整各个定轮踏面在同一平面，其允许误差为2mm，因此受门槽精度影响，在闸门不受力时，一个或多个定轮脱空2-3mm是完全有可能的。有一种观点认为可以不考虑脱空问题，因为闸门在水压力的作用下会变形，使支承与轮道接触，但闸门的变形与闸门的刚度有关，尤其是与闸门边梁处的刚度有关，闸门刚度越大，脱开的定轮越多，理论上讲，大到没有变形时，只能保证两个定轮的完全接触。还有一种观点认为，脱空问题主要存在于深孔门中，对于露顶门问题不大。实际上，有些露顶门设计刚度很大，又采用双腹板边梁结构，如果原来每个滚轮的承压力本身不大，在水压力的作用下，脱空定轮处的变形很小，照样可能导致脱空问题的存在。以上述某工程1212-12m泄洪闸表孔工作门为例，在闸门整体有限元分析计算中假定倒数第二个主轮脱空，在水压力作用下闸门发生变形，脱空轮子向轨道方向的位移量为0.4213mm,远不能弥补由于制造安装引起的误差，导致相邻滚轮分担该支承处的支反力，轮压增加1.5倍。因此，在学习西欧经验，在一个闸门上布置多轮的同时，还需进一步了解他们是如何在工程措施上解决脱空问题的。其轨道的制造、安装精度要求，滚轮踏面的共面度要求是否与我们的规范一致等。另一方面，我们还需进一步了解在闸门结构上他们是如何保证滚轮与轨道的接触，是否考虑或如何考虑滚轮的荷载不均匀系数。结语本文是针对理想情况下整体多主梁多轮平面闸门最优布置结构的一些设想，实际上，对于工作门和事故门，对闸门底缘多有特殊要求，按主梁等荷载进行闸门结构的布置，通常需要抬高底主梁的位置。此外，主梁的布置间距还需适应制造、运输和安装条件，满足行走支承布置的要求。但闸门总的设计原则还是按主梁等荷载要求先布置主梁