淺談溢洪道弧形鋼閘門設計中容易忽略的幾個問題

【摘要】溢洪道弧形鋼閘門是水利樞紐中的重要組成部分，常采用斜支臂結構形式。弧形鋼閘門通常簡化為平面假設模型進行設計，在設計過程中由于對一些次要構件不夠重視，在工程運行中出現一些問題。本文通過多模型對比分析溢洪道弧形閘門在設計過程中容易忽略的問題，為設計提供一定的指導作用。

【關鍵詞】弧形鋼閘門；位移；支臂；頂次梁；壓桿穩定；ansys

弧形鋼閘門有啟閉力小、運行可靠、結構受力合理、門槽平滑等優點，在水利樞紐溢洪道中成為首先閘門形式。在溢洪道中采用的弧形鋼閘門主要為斜支臂形式，斜支臂弧形鋼閘門支臂空間角度關系多，結構為空間受力。現行《水利水電工程鋼閘門設計規范》SL 74-2013中主要介紹了主梁和支臂的平面假定計算方法。實際證明運用平面假定進行主梁和支臂的設計是安全可靠的。但由于設計人員在設計過程中關注于主要受力構件的設計計算，忽略了某些次要構件的設計而發生安全隱患。本文主要分析的問題有（1）有限元計算和平面假設計算結果對比（2）支臂結構的合理布置問題。（3）為減小閘門門頂位移，在頂次梁上加斜撐，改變頂次梁的計算模型的問題。

1、分析模型

本文以一個10（寬）×13.55（高）-13.05米溢洪道弧形工作鋼閘門為例進行相關研究。安照《水利水電工程鋼閘門設計規范》SL 74-2013進行主要結構布置和設計，面板半徑為15米，支鉸高度9米，門葉采用雙主橫梁式，支臂為斜支臂，門體、支臂主材為Q345B，啟閉機采用液壓啟閉機，吊耳設置在邊梁下部靠近底主梁位置。按規范要求進行面板、次梁、豎梁、主梁、支臂結構計算，根據計算結果用ansys進行復核，復核模型分3種考慮：（1）只計算門葉和支臂，不考慮支臂斜撐和頂次梁斜撐；（2）考慮門葉、支臂和支臂斜撐；（3）考慮門葉、支臂、支臂斜撐、頂次梁設置斜撐。三個模型采用相同的邊界條件和荷載，支鉸為一組鉸接支座，考慮啟閉機的作用閘門吊耳為另一組鉸接支座。

2、設計結果與分析

有限元計算與平面假設計算結構對比

通過有限元分析弧形鋼閘門整體應力水平和按規范計算值相當，但在位移變形上與平面假設分析結果相差較大。

通過計算對比知按規范要求對溢洪道弧形閘門進行設計，主要構件是安全可靠的。由于平面假設計算構件位移時，只是考慮的構件自身的位移，沒有考慮在整體結構中位移的疊加，造成和有限元計算結果相差較大。

支臂結構設計

支臂結構為一榀桁架，采用平面假設計算時支臂主梁按剛架進行計算。在設計過程中，往往只對上下支臂進行計算，忽略支臂斜撐的設計，在實際工程出現支臂斜撐壓彎的情況。不設斜撐，支臂跨中最大變形為6.16mm，支臂整體剛度偏弱，豎桿均為受壓桿容易出現壓桿失穩，這種支臂結構的布置形式不夠合理。在支臂結構中設置斜桿使支臂形成一個空間桁架結構，支臂的整體剛度增大，支臂在跨中位置位移減小到3mm，第一道豎桿由受壓變為受拉；但由于增加斜桿使結構受力變得復雜，K型斜撐是超靜定結構再加上邊界條件復雜采用手算有一定的難度。通過對比上述兩種模型的計算結果支臂結構采用空間桁架結構進行設計能提高整體剛度，改善結構受力狀況，結構更為合理。

頂次梁支撐桿結構設計

溢洪道弧形鋼閘門由于豎梁上懸臂段較大，在水壓力作用下產生較大的位移，設計時為減小懸臂端位移，在頂次梁和支臂之間加設一道斜撐所示。由于增設的這一道斜撐改變了頂次梁的受力狀態，頂次梁由多跨連續梁變為單跨簡支梁。采用簡圖進行驗算頂次梁的受力和斜撐的作用。

通過頂次梁支撐的對比計算可知，溢洪道弧形閘門最大位移發生在頂次梁的懸臂端位置。在頂次梁和支臂之間設置斜撐可以減小門體頂部的位移但是作用不明顯，主要原因在于門頂位移是由門體、支臂變形疊加造成。頂次梁在沒有設置支撐桿時最大應力為32N/mm2，發生在豎梁支撐位置；設置支撐桿后的最大應力為45 N/mm2，發生在支撐桿位置。受力狀態的變化和計算模型改變相符合。控制門體頂部位移除加大構件截面外，沒有別的可靠方法，設計中在門頂位移滿足要求的情況下，可考慮改善閘門止水和止水座板來適應門體的變形。

3、結論

通過按平面理論假設計算和有限元分析對比，溢洪道弧形工作閘門按現行規范要求進行主要結構設計是安全可靠的。但由于溢洪道弧形閘門為空間結構，按傳統做法無法精確得到結構位移、支臂等復雜結構受力情況，在技術成熟的情況下將有限元技術引入到水工金屬結構設計中是很必要的。

參考文獻：

[1]SL74-2013水利水電工程鋼閘門設計規范. 北京：中國水利水電出版社，2013.

[2]陳紹蕃，鋼結構設計原理 [M].北京：科學出版社，2005.

[3]胡友安，王孟.水工鋼閘門數值模擬與工程實踐 [M].北京：中國水利水電出版社，2010.

作者簡介：黃臣勇（1983-），男，四川資陽人，貴州省水利水電勘測設計研究院，助理工程師，研究方向：水工金屬結構。