潁上復線船閘人字門預應力背拉桿設計與研究

陳洪濤

（安徽省水利水電勘測設計院合肥230088）

潁上復線船閘人字門預應力背拉桿設計與研究

陳洪濤

（安徽省水利水電勘測設計院合肥230088）

通過對國內人字門背拉桿的分析與研究，穎上船閘人字門設計選用了預應力背拉桿，并結合有限元分析，對背拉桿結構及預應力進行優化設計，從而有效地提高了閘門剛度，減少了閘門變形。背拉桿為可調式，以實時調整閘門運行產生的變形。可調式預應力背拉桿技術在安徽省船閘人字門上尚屬首次應用。

人字閘門 背拉桿 預應力 三維有限元

1工程概述

潁上船閘位于沙潁河入淮河口（沫河口）上游45km處，上距阜陽船閘78.5km，為沙潁河航道下游的最后一級船閘。潁上樞紐為Ⅱ等大（2）型水利工程，復線船閘級別為Ⅳ級，上閘首防洪，單向擋水。復線船閘閘室尺度為200m× 23m×4m（長×寬×門檻水深）。按照《船閘閘閥門設計規范》（JTJ308-2003）中第2.3.2.1條“承受單向水頭在靜水條件下啟閉的工作閘門，宜選用人字門”。設計選用船閘上、下閘首工作門均為人字形鋼閘門。上閘首單扇閘門外形尺寸（寬×高）13.8m×14.5m，下閘首單扇閘門外形尺寸（寬×高）13.8m×17.2m，上、下游最大水位差為7.96m。其下閘首人字門單扇門葉重量為190.5t，該人字門已達到大Ⅲ型人字門標準，其規模和設計水位差超過安徽省的已建工程。

2預應力背拉桿的必要性

人字門的結構設計應保證在人字門開關過程中的變形都在彈性范圍內。安徽省前期船閘人字門均采用非預應力背拉桿。非預應力背拉桿施工方便，直接焊接在門葉的翼緣側，能減少因自重而引起的閘門下垂，但對閘門的抗扭作用不大。對于中小型船閘，可以通過合理選擇門葉厚度，并焊接非預應力背拉桿來提高門葉抗扭剛度，達到控制閘門的下垂和扭轉變形的目的。

隨著經濟技術的發展，新建船閘規模不斷增大，人字門外形尺寸及重量也不斷增加。目前，國內在人字門背拉桿的研究已日臻成熟。對于大型閘門，一般采用設置預應力背拉桿措施來提高門葉的抗扭剛度。

預應力背拉桿是預先在背拉桿中施加一個足夠大的拉力，使得門葉在工作中，始終處于受拉狀態，從而提高門葉的抗扭剛度。

潁上船閘人字門門葉為邊柱半封閉、中間開口的薄壁式結構，門體高度達17.2m，抗扭剛度相對較小，運行過程中，自重、水壓以及風壓產生較大彎矩，門葉產生扭轉變形較大，門葉平整度無法保證，易造成承壓條異常磨損、閘門運行卡阻、門葉關閉不嚴等現象，對閘門安全運行產生不良影響。故采用預應力背拉桿來提高門葉的抗扭剛度。

3預應力背拉桿結構及布置

預應力背拉桿分為可調式和不可調式：焊接式預應力背拉桿不可調節，設計時，通過計算應變來提供預應力，存在一定的誤差，且受應力時效性影響，即焊接應力釋放后造成門葉變形等因素，難以達到設計的理想狀態。可調式預應力背拉桿具有重新預緊調節及維護更換的特點，故有著更好的實用性。

根據施加預應力的方式，背拉桿型式有：端部拉錨式和中部花蘭螺母拉緊式。端部拉錨法適用于超大型人字門，可以提供更大的預應力。中部花蘭螺母調節法對背拉桿的調試操作較為方便。

通過計算分析，潁上復線船閘下閘首人字門需要提供的預應力不大，花蘭螺母所需轉矩采用100kN手拉葫蘆可以滿足，故采用花蘭螺母調節式預應力背拉桿。

圖1 花蘭螺母調節裝置圖

花蘭螺母式調節裝置如圖1所示，其工作原理如下：主（副）背拉桿與左（右）旋螺母焊接為整體，通過旋轉花蘭螺母，調節左、右螺桿的嚙合長度來調節背拉桿的長度，達到預應力背拉桿的設置的目的。緊固螺母用于防滑，在調節完畢后緊固。

背拉桿在人字門翼緣側的布置型式如圖2所示。

4背拉桿的設計與計算

潁上復線船閘下閘首人字門的背拉桿布置有主、副背拉桿，主截面均采用尺寸為300mm×30mm的鋼帶，副拉桿緊貼節點板安裝，主拉桿懸空安裝，端部與翼緣節點板焊接，主、副拉桿長度相等。主拉桿與副拉桿中間相交處預留5mm的間隙，以避免調試時發生干涉。

背拉桿的左、右調節螺母均選用型號為Tr160×6的梯形螺母，其公稱直徑為160mm，螺距為6mm。

經計算，當人字門扭轉變形最合理時，主背拉桿的設計預應力為100MPa，變形量為9.74mm；副背拉桿的設計預應力40MPa，變形量為4mm。

圖3 安裝前水流方向變形圖（單位：mm）

圖4 安裝前豎直方向變形圖（單位：mm）

圖5 安裝后水流方向變形圖（單位：mm）

圖6 安裝后豎直方向變形圖（單位：mm）

表1 預應力背拉桿安裝前后影響分析表

5人字門的變形分析

利用三維有限元分析軟件ANSYS對下閘首人字門進行相關建模分析。

圖3～6分別為下閘首人字門在預應力背拉桿安裝前與安裝后，門葉在順水流方向和豎直方向的變形量示意圖。

根據分析結果，將安裝預應力背拉桿的前后形變分析進行匯總，如表1所示。

由表1、圖3～6，得出以下結果：

安裝背拉桿前，門葉扭轉現象較為明顯，斜接柱頂部變形量較大，順水流方向變形量為10.28mm，豎直向變形量為3.44mm。

預應力背拉桿安裝后，斜接柱順水流方向變形量為2.80mm，豎直向變形量為0.74mm。預應力背拉桿的設置，有效地提高了人字門門葉的扭轉剛度，減少了門葉的扭轉和自重產生的變形。

可見，通過合理的預應力背拉桿設計，可有效地控制門葉的扭轉和下垂量。

6背拉桿預應力的調試

人字門安裝完畢后，利用輔助設備將人字門的門葉調整至平整狀態，在水平、豎直的方向無變形，且無扭轉。將背拉桿調整至安裝狀態，對背拉桿安裝位置放樣、定位、焊接。然后分批次施加預應力，調整門葉，調試主、副背拉桿。

第一次：主背拉桿預應力增加到設計值的30%，副背拉桿不施加預應力，釋放所有約束后，測量人字門斜接柱和門軸柱的變形情況是否符合規范要求。

第二次：主背拉桿預應力繼續增加，至設計值的50%，副背拉桿不施加預應力，釋放所有約束后，測量人字門斜接柱和門軸柱的變形情況是否符合規范要求。

第三次：主背拉桿預應力繼續增加，至設計值的80%，副背拉桿預應力增加到設計值的50%，釋放所有約束后，測量人字門斜接柱和門軸柱的變形情況是否符合規范要求。

第四次：主背拉桿預應力繼續增加，至設計值的100%，副背拉桿預應力增加到設計值的100%，釋放所有約束后，測量人字門斜接柱和門軸柱的變形情況是否符合規范要求。

如果中間過程通過測量發現人字門斜接柱和門軸柱的變形情況已經比較理想且滿足安裝支枕墊塊的要求，可以停止調節背拉桿預應力。為保證背拉桿具有足夠的預應力和安全相應的安全裕度，主、副背拉桿的預應力不得小于設計值的50%，不得超出設計值的110%。

7結語

預應力背拉桿設計的關鍵是預應力的優化，一般以最不利工況下，門體和背拉桿的共同變形、應力為設計依據，使得與背拉桿的位移和應力設計值均在規范允許范圍內，并留有一定的安全裕度。

預應力背拉桿是在安徽省船閘人字門上的自主設計，首次應用，目前潁上復線船閘工程正在安裝調試階段，人字門可調式預應力背拉桿的工程應用效果尚有待實踐檢驗。本文旨在為后續沙潁河耿樓船閘、引江濟淮工程蜀山船閘等工程的人字門設計提供借鑒和參考