船閘人字門高位頂門固門工裝優化

鄭 航，孫 慶，龔德龍，肖華超，譚 勇

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

船閘人字閘門轉動開合的門樞分為頂樞和底樞，頂樞由頂樞軸、A桿和B桿組成，A、B桿連接頂樞軸和預埋在閘墻的錨架，保證門體運行姿態的平穩，底樞由門軸蘑菇頭和軸瓦組成，承受門體重力，見圖1。高位頂落門是人字門頂底樞修理的重要工藝，一般在人字門的底部布設4組千斤頂(保頂)將人字門頂升到預定高度[1]，由于頂門時頂樞A、B拉桿等附件已經拆除，人字門在頂落過程中處于無約束狀態，且大型船閘人字門自質量大、頂升與回落過程的位置精度要求高，必須安裝固門裝置，防止出現門體中由于偏斜過大導致頂落門無法頂落甚至出現傾覆的危險。

傳統的固門裝置目前存在一定的缺陷：安裝及調整工藝復雜，占用大量施工時間和空間；只能防止人字門側向的傾斜，不能防止人字門正面往B桿方向的傾斜。利用船閘人字門A、B桿連接方式和原理，對固門工裝進行優化，將固門工裝水平方向改為剛性連接，通過受力分析和強度校核證明優化后的固門工裝安全可靠。

1 傳統的固門方式

傳統的人字門固門裝置主要為柔性鋼絲繩牽引加鋼結構撐桿支撐方式。即在門體頂樞處焊接兩處拉座，頂樞附近閘面臨時鉆孔埋設兩處地錨，設置4臺滑車，布置夾角約為80°的兩組6或8倍率的的鋼絲繩，且每組配手拉葫蘆1臺用于調整鋼絲繩，在門體頂面靠近斜接柱側也設置1組鋼絲繩、滑車、手拉葫蘆；同時分別在斜接柱及頂樞附近門體迎水面面板與閘墻之間布置1套鋼結構撐桿部件(葛洲壩船閘一般由推拉桿替代撐桿)[2]，見圖1。該固門方式剛、柔結合，既防止門體向閘室或閘墻傾倒，又保障門體在頂落過程中垂直方向的自由度。

圖1 柔性鋼絲繩牽引加鋼結構撐桿支撐方式總體布置

2 新型固門工裝

在2018年三峽船閘停航檢修和2017年葛洲壩一號船閘計劃性大修中分別重新設計制作了由滑槽、固門支撐軸、調節螺桿等組成的剛性固門工裝，即在門軸柱處設置A、B兩個工裝梁固門，在斜接柱處布置1套撐桿固門(葛洲壩船閘由推拉桿替代)，見圖2。

門軸柱固門裝置包括工裝梁A、工裝梁B、AB撐桿組件、隔環、軸套、工裝軸等。工裝梁A、B一端插入A、B桿錨架楔塊安裝孔內，另一端采用滑槽結構實現撐桿在滑槽內垂直方向自由滑動，A、B撐桿組件由調節螺桿(三峽船閘為M160螺桿，葛洲壩一號船閘采用16套M30螺桿)、撐桿接頭、撐桿滑槽構成，通過頂樞工裝軸連接，見圖3。

圖2 滑槽、固門支撐軸、調節螺桿的剛性固門方式總體布置

圖3 三峽船閘門軸柱固門設置(單位：mm)

斜接柱固門裝置包括閘墻滑槽、撐桿、支撐架、螺柱、軸套、壓板、支撐軸。滑槽通過螺桿安裝固定在啟閉機房樓梯處閘墻上，撐桿、螺柱、軸套組件一端置于閘墻滑槽內跟隨門體上下滑動，另一端安裝于支撐軸通過壓板壓緊，撐桿中段通過支撐架保持水平，見圖4。

圖4 斜接柱固門裝置設置(單位：mm)

3 固門工裝的受力分析

固門工裝主要考慮人字門頂升過程中千斤頂(保頂)失效時發揮的作用，以三峽船閘人字門為例：門體自質量900 t、千斤頂布頂距離正向7.2 m、側向3 m，門體重心基本位于4個千斤頂形成的中心上[3]，見圖5。人字門頂升過程中的千斤頂(保頂)失效有可能導致的工裝受力見表1。

表1 人字門頂升過程中的千斤頂(保頂)失效有可能導致的工裝受力

圖5 三峽船閘人字門千斤頂(保頂)布置

1、6、7、12項千斤頂失效情況不作考慮。在可能的千斤頂失效情況下，人字門工裝在側面和正面最大力矩應為：側向最大自重力矩M側=1.35×107N·m，正向最大自重力矩M正=3.24×107N·m。

安全系數的選取：考慮到現場環境復雜，抗斷裂計算系數選2，計算誤差系數1.2，整體安全系數為k=2.4。取最大側向受力F側max=919.7 kN,最大正向受力F正max=2 207.1 kN。

4 工裝強度校核

4.1 斜接柱工裝強度校核

4.1.1連接螺桿受拉

滑槽和機房墻體采用15套M30的螺桿連接(調節部位為16套M30螺桿)，可承受許用拉力為：F1=2 490.4 kN>F側max。

4.1.2結構件受拉

撐桿主體采用φ273×16的無縫鋼管，可承受許用拉力為：F2=3 034.2 kN>F側max。

4.1.3結構件受壓

主要考慮φ273×16的無縫鋼管(不超過4 m長)壓桿穩定性，按照歐拉公式,F3=P1j=π2EI(2L)2=3 368.3 kN>F側max。其中P1j為臨界壓力；E為彈性模量；I為慣性矩；L為無縫鋼管長度。

4.2 門軸柱調節螺桿工裝強度校核

門軸柱主要考慮φ160雙頭螺柱受拉，可承受許用拉力為：F4=4 722.6 kN>F正max。

4.3 工裝梁的強度校核

工裝梁后部插入錨架部分受剪校核，其受剪面積見圖6。

圖6 工裝梁插入錨架豎梁截面(單位:mm)

許用剪切強度取0.58倍的材料屈服強度，可承受剪力為：F5=6 133.5 kN>F正max。

工裝梁滑槽截面見圖7，圖形形心C必然在對稱軸yC上，如圖7所示建立參考軸Z。

圖7 工裝梁滑槽豎梁截面(單位：mm)

由工裝梁安裝方式及頂門高度(圖8)可知，當工裝梁A拉力在最下方BC處時，滑槽豎梁與橫梁焊接處點A，其所受彎矩Mmax最大。

圖8 工裝梁A

最大彎矩Mmax計算，忽略自重，豎梁所受外力為分布均勻的載荷，豎梁受力簡化圖見圖9。

圖9 工裝梁A滑槽受力簡圖(單位：mm)

5 應用情況及不足

該套固門裝置已經成功運用于2018年三峽船閘停航檢修和2017年葛洲壩一號船閘計劃性大修，其安全性和布設效率與傳統工裝比有較大的提高，但也存在一些問題，主要表現在：1)門軸柱工裝分為上下兩層，安裝難度大，同時葛洲壩船閘人字門頂樞軸和工裝孔配合間隙過小，對孔花費的時間過長。2)人字門同步升降時，有時需要手動調節滑槽接頭與撐桿連接的多個螺桿(16個M30螺桿)，影響施工效率，存在一定的安全隱患。3)三峽船閘人字門固門工裝斜接柱端撐桿質心靠近前端，安裝完畢后前端下垂，調節比較困難。

6 改進思路

1)門軸柱端與門體連接部分采用一體式三角聯板型結構工裝。三角聯板通過工裝軸和門體連接，三角聯板A桿方向焊接螺母柱和滑槽接頭通過螺桿連接，A桿方向上只能調節長度；B桿方向采用小工裝軸和螺母柱連接，螺母柱和滑槽接頭通過螺桿連接。B桿方向既能調節長度，也能調節角度。三角聯板B桿方向前端設置可調節高度的支撐架。可在閘面組裝后整體吊入，安裝到位后調整角度后用螺桿鎖定(圖10)。

2)斜接柱部位將原螺桿調節方式改為左、右旋螺母和螺桿的方式調節。

圖10 門軸柱固門裝置改進設想

7 結論

1)對固門工裝進行受力分析和強度校核，結果表明斜接柱工裝、門軸柱調節螺桿工裝、工裝梁等主要部件均符合強度要求，優化后的固門工裝具有較好的安全性和穩定性。

2)優化后的人字門固門工裝在三峽船閘和葛洲壩船閘人字門高位頂門的施工中使用，安裝簡單，更加安全可靠，有效地節約施工時間和占用閘面場地，減少了施工成本。其施工工藝和固門方式對于其他船閘人字門高位頂門具有借鑒意義。