船閘橫拉門的結構設計

沈安磊 胡友安

（河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022）

1 概 述

橫拉門具有雙向擋水特性，啟閉快捷、迅速［1］，主要應用于各船閘的擋水口門.門體結構由兩側的擋水面板、橫向桁架、縱桁架、次梁、浮箱和臺車等組成，是一種上、下游空間對稱的桁架結構.橫向桁架包括主桁架和頂、底桁架，縱桁架包括端桁架和豎向桁架，如圖1所示.為了實現門體結構的橫向啟閉，在橫拉門門體上下兩側分別設有頂、底臺車，如圖2所示.頂臺車通過吊架與頂桁架相連，下方則放置于底臺車上，通過啟閉機驅動頂臺車實現橫拉門的啟閉［2］.門體重量由頂、底臺車承擔.

圖1 橫拉門門體結構圖

圖2 橫拉門臺車布置圖

閘門結構設計主要有平面設計法和空間設計法［2］兩種.平面閘門設計法作為傳統的閘門設計方法，設計時將水壓力分配到橫拉門各個部分，單獨計算各部分的結構設計.該方法的缺點是在進行閘門設計時，未充分考慮橫拉門桁架結構的空間整體性，忽略了各桁架間的相互影響.也因此，近年來促成了以計算機軟件如ANSYS等為主要計算工具的閘門空間設計法的發展.空間設計法是將閘門作為一個整體的空間結構，通過計算機軟件綜合計算各結構部分承受的水壓力，并在此基礎上進行各個結構的設計.考慮到平面法設計的簡便、快捷和工程上的安全性、可靠性，在現今的國內各水利設計院中，閘門設計仍以傳統的平面設計法為主.

橫拉門結構復雜，現有的文獻中，有許多學者對橫拉門的結構進行了相關研究.楊俊敬［2］對閘門的平面設計法和空間設計法的優缺點進行了對比、總結，以探討對橫拉門設計的改進.徐東婷［3］等通過建立ANSYS有限元模型，分析了閘門中各桁架在不同工況下的應力分布和變形情況，對某橫拉門進行了安全校核.莊哲惺［4］等通過比較橫拉門平面法和空間法中各桁架的受力情況，為橫拉門的平面結構設計提供了一些參考建議.但是在這些文獻中，對于橫拉門具體的設計計算介紹較少，尤其是各桁架結構的設計計算.鑒于此，本文以傳統的平面法設計法為主，利用ANSYS對橫拉門進行輔助計算，結合閘門設計規范和鋼結構設計規范，最終確定了較為完善的橫拉門的設計過程.

2 門體結構設計

某工程用橫拉門設計參數見表1，其中閘門孔口寬度12m.

表1 橫拉門設計參數 （單位：m）

工作時，橫拉門承受來自兩側的水壓力，在總水壓力作用下，閘門向單側傾斜，止水與閘墩擠壓接觸，橫拉門處于擋水狀態，受力特性類似于普通平面閘門.可以結合平面閘門的設計方法和橫拉門的結構特點進行結構的布置、設計計算.

梁格布置時，采用齊平連接.橫向設置頂桁架、底桁架和4根主桁架，縱向設置兩側端桁架和3根豎向桁架.主桁架先按多主梁等載荷布置，再適當調整各桁架間距，最終確定各桁架的布置.

參照某船橫拉門結構，橫拉門體尺寸定為（寬×高×厚）12.6m×11.65m×2.64m，各橫向桁架間距從上至下分別為2.7m，2.25m，2.1m，1.9m 和1.9 m，并在各桁架間增設次梁.豎向桁架（包括豎向次梁）按等間距布置，間隔為2.05m，如圖3所示.

圖3 橫拉門梁格布置圖（單位：mm）

2.1 桁架的設計計算

橫拉門各部分桁架結構設計過程類似，以主桁架為主，展開詳細的計算.

主桁架由上、下弦桿，中間豎桿和斜桿組成.因閘門所受的水壓力通過面板和次梁傳遞給各橫向桁架，所以計算各桁架承擔的水壓力時，直接將水壓力分配給對應的橫向桁架.為了保證桁架的設計滿足所給的4組水位的設計要求，還須分別計算4組水位下各個主桁架所承擔的水壓力，并取最大水壓力值進行計算.

主桁架桿件布置時，因橫拉門承受兩側的水壓力，所以采用對稱結構布置桿件.主桁架的上、下弦桿為連續多跨梁，弦桿之間須按剛接點處理，而腹桿以及腹桿與上、下弦桿之間則通過節點板焊接，所以，可以按鉸接處理.主桁架計算模型如圖4所示，計算桁架各桿件軸力時，將水壓力換算成相應的節點力作用在桁架模型上.圖中數字對應各類桿件號.

圖4 主桁架計算模型

用ANSYS計算各桿件軸力.桁架結構的有限元計算模型采用平面桿單元Link1單元模擬桁架的各個桿件，給定約束后，施加節點力求得各桿件對應的軸力值.

上、下弦桿除了受軸力之外，還直接承擔來自面板的水壓力，設計時要考慮水壓力引起的局部彎曲對桿件的影響.弦桿為連續多跨梁，須計算各節點處的彎矩值.上、下弦桿在設計時按偏心受壓構件計算，對應的強度校核公式見式（1）

式中，0.9為考慮重力影響的折減系數.

剛度校核時，則按偏心受壓構件計算，見式（3）.

在進行彎矩計算時，以某一組設計水位為例，若按鋼結構桁架設計中多跨梁的簡化彎矩分布圖，如圖5所示，計算各節點處的最大彎矩，弦桿最大值彎矩值為0.9M0＝48.208kN·m.同樣情況下，利用ANSYS計算的最大彎矩值為40.71kN·m，彎矩分布情況情況如圖6所示.因為ANSYS在單獨計算桿件內力時，在網格劃分精度足夠的情況下，可以保證計算結果的準確性.此外，選用ANSYS中的三維梁單元Beam188單元模擬弦桿，在確定桿件截面后，通過定義Beam188單元的梁截面參數，加載后能夠快速得出梁的撓度變形、內力值分布等情況，使結果更加直觀、可靠，簡化了傳統的計算過程.

圖5 連續多跨梁彎矩分布圖

圖6 上弦桿彎矩分布圖（單位：kN·m）

此外，上弦桿與面板焊接相連，設計計算時須考慮面板參加弦桿工作的有效寬度［5］.也因為面板的影響，整體穩定性能夠得到保證，可不對弦桿進行整體穩定性的校核.

在對包括斜桿和中間豎桿在內的腹桿進行設計時，按軸心受力構件計算，截面選為雙角鋼組成的十字形截面.又因對應組的兩側斜桿內力值大小相等，方向相反，中間豎桿也主要承受壓力，所以，腹桿按軸心受壓構件進行.需要注意的是，雙角鋼組成的十字形截面受壓時，會繞截面最小回轉半徑［5］所在軸失穩，計算長度取l0＝0.9l.

軸心受壓構件須進行強度、剛度和穩定性校核，而對于熱軋型鋼中的角鋼，可不作局部穩定性校核.對應的校核公式分別如下：

十字形截面桿件易發生扭轉失穩，在水工閘門結構中，為了避免該類截面發生扭轉屈曲，規定構件長細比不得小于5.07b／t［5］.受閘門尺寸的限制，部分桿件長細比不能夠滿足扭轉穩定性要求.但經計算，其實際承受的軸力遠小于發生扭轉的臨界應力Ncr，所以桿件能夠滿足扭轉穩定性的要求，可不對其進行扭轉穩定性校核.

最后，主桁架作為整體，還須對其進行整體撓度校核.因弦桿為等截面桿件，整體撓度計算公式為

式中，P為主桁架上節點力總和，l為計算跨度，I為桁架主桁架的慣性矩.

在使用ANSYS進行輔助剛度校核時，有限元模型采用可自定義截面的Beam188單元模擬剛接的桿件，用Link1單元模擬鉸接部分的斜桿.計算求解后可得各桿件的撓度變形情況.

縱桁架設計時，豎向桁架計算過程類似于主桁架，計算模型如圖7所示.端桁架在總水壓力作用下，靠向閘墩，所以其簡化后的計算模型如圖8所示.

圖7 豎向桁架計算模型

圖8 端桁架計算模型

2.2 浮箱設計

浮箱設計時，根據橫拉門自重、最低設計水位等來確定浮箱的排水體積和安放位置［6］.橫拉門在啟閉瞬間，受殘余水頭和風浪壓力的影響，閘門易發生傾覆的危險，船閘設計規范中通過規定橫拉門的抗傾覆安全系數［7］不低于1.25來保證浮箱設定的安全性，抗傾覆安全系數計算式為

式中，G表示閘門自重，可由橫拉門自重公式計算求得；V為浮箱的排水體積；ρ為水的密度；g為重力加速度；F為殘余水壓力對閘門產生的作用力；l1、l2分別為閘門自重和殘余水壓力至到頂底后側輪連線的空間距離.

3 結果與分析

經計算，4組水位下包括主桁架在內的各橫向桁架承擔的水壓力見表2，可知主桁架最危險情況出現在工況4時的4號主桁架，此時承擔的水壓力最大，為1 123.58kN.根據此時桁架承受的水壓力，計算得出主桁架各桿件的內力值，結果見表3.

表2 各橫向桁架承擔的水壓力 （單位：kN）

表3 最大水壓力下的桿件軸力 （單位：kN）

表4為上弦桿最大彎矩及應力表，其中最大應力值均出現在有效截面積相對較小的支座處受壓側位置.由船閘設計規范［5］知，在鋼材厚度I16mm時，Q235材料的容許應力，因閘門受力復雜，按第四強度理論，計算的最大應力值不得超出容許值1.1α［σ］＝252N／mm2.由表3知，弦桿最大應力為132MPa，滿足設計要求.

4 結 語

根據傳統的平面設計法對橫拉門結構進行了詳細的設計，包括梁格布置、桁架結構和浮箱等.其中，重點介紹了桁架結構的設計計算過程，可為同類的桁架計算提供設計參考.此外，該設計過程結合了閘門平面設計法的工程可靠性和ANSYS軟件的強大計算功能，在閘門的平面法設計中初步引入計算機進行輔助設計，簡化了靜力學模型的計算過程，可為閘門設計提供一種以計算機軟件為計算工具的平面法設計過程，對完善閘門結構設計具有一定的設計參考價值.

此種設計方法也存在一些待改進之處.依據傳統的平面法進行閘門設計時，未能充分考慮各結構的整體性，可結合空間法的設計進一步改進設計方法.在桁架設計時，根據傳統的計算方法，將桿件通過節點板的連接簡化作鉸接處理，未能充分考慮節點板對桿件的影響，可結合ANSYS對兩種模型進行計算對比，進一步完善桁架的設計計算.

［1］ 蔣 明.橫拉門設計技術總結［J］.水運工程，2009（8）：130－134.

［2］ 楊俊敬.橫拉門的設計與改進［J］.金屬結構，1998（1）：77－80.

［3］ 徐東婷，胡友安.船閘橫拉門靜力數值分析［J］.水利與建筑工程學報，2013（6）：93－95.

［4］ 莊哲惺，朱召泉，殷小珠.船閘橫拉門的結構分析［A］.第七屆全國土木工程研究生學術論壇論文集［C］.2009.

［5］ 四川省交通廳內河勘測規劃設計院.SL74－2003.水利水電工程鋼閘門設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2003.

［6］ 李 芬.船閘閘門增設浮箱的探討［J］.江蘇船舶，2004：8－12.

［7］ 中水東北勘測設計研究有限責任公司.JTJ308－2003.船閘閘閥門設計規范［S］.北京：中國水利水電出版社，2003.