鋼壩底軸設計研究

牛 聞

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

底軸驅動翻板式閘門行業內簡稱鋼壩，主要由門葉、底軸、支座、止水、兩側液壓機、控制系統和固定埋件等組成，是河道中建壩蓄水擋水的一種適用于大跨度低水頭閘門，立壩時門頂可溢流門后形成景觀瀑布、塌壩時門葉上過水行洪。據了解，國內每年都新建多座鋼壩，單跨孔口最大凈寬已達到102 m[1]、擋水水頭超過6 m 高，已成為常用的一種閘門型式，然而水閘和鋼閘門設計規范[2-3]卻對鋼壩布置和設計未作出相關規定，這就需要設計者根據經驗和已成工程類比進行設計。本文以某工程孔口寬46 m、蓄水高度4 m 鋼壩為例，對底軸及其支座進行設計研究，為類似設計提供參考。

1 鋼壩概況

某工程河道凈寬46 m，采用鋼壩蓄水，蓄水高度4 m，設計考慮門頂過水高度0.2 m，總水壓力約5900 kN，運行方式為動水啟閉、全開全閉操作，啟閉設備選用2×3200 kN 的臥式液壓啟閉機。該閘門門葉主要由面板、30 根主縱梁、4 根橫次梁和頂弧板組成，主縱梁采用T 型斷面厚度為0.8 m、間距為1.55 m，橫次梁采用槽鋼25、間距為0.8 m，底軸直徑為1.5 m。底軸共設9 個支座（跨中7 個、每側邊墩各1 個），跨中支座最大間距為7.75 m、最小間距為6.2。每側邊墩內各設1 套液壓泵站驅動油缸，采用電氣同步，控制室設在左岸，通過埋設于底板的線纜控制液壓泵站。鋼壩布置見圖1。

圖1 鋼壩布置圖

2 底軸設計

2.1 底軸強度

底軸是鋼壩主要傳力件，主要承受垂直門葉方向的水壓傳遞到底軸上扭矩，還伴隨有門葉重、底軸自重、豎向水壓和液壓機引起的彎矩，計算強度時，先確定出危險點的主應力值，再根據強度理論[4]建立相應的強度條件，最后選取截面滿足閘門規范允許彎應力值即可。在實際設計中首先通過對底軸起決定作用的扭剪力來初步選擇底軸截面，但相關規范并未給出許用扭轉剪應力，查閱相關資料關于許用扭剪應力主要有以下內容：

1）機械設計[5]中對于不受彎矩或僅受較小彎矩的軸，給出了常用材料考慮了彎曲影響而降低了軸的許用扭剪應力[τ]值，板厚為60 mm～100 mm 時屈服點σS與其值的比值即安全系數 n，見表1。

表1 不同材料許用扭剪應力值以及對應的安全系數值

由表1 可知：n=σS/[τ]≥7。

2）材料力學[6]中常溫靜載下，對塑性材料純扭轉時的許用應力與拉伸時的機械性能有一定的關系，可近似取：

由上式（1）可知：n=σS/[τ]≥2.5～5。

3）啟閉機設計規范[7]中計算卷筒由彎矩和扭矩產生的換算應力時，用下式計算：

式中：σF為換算應力；MW為卷筒所受的彎矩；Mn為卷筒所受的扭矩；W 為卷筒斷面的抵抗矩。

由上式（2）當卷筒所受的彎矩為零時，則有：

式中：Wt為抗扭截面系數，對于空心軸截面Wt=2W。

由上式（3）可知：n=σS/[τ]=5。

根據鋼壩運行特點，底軸驅動門葉轉動速度較慢，且精度要求也較低，按照機械設計中取許用扭剪應力[τ]值安全系數明顯偏大，造成材料浪費。考慮底軸同時承受彎矩和扭矩作用，結合材料力學和啟閉機設計規范中安全系數，建議初選底軸斷面時許用扭矩[τ]按下式取值：

式中：σS為板材對應厚度的屈服點。

本工程選取底軸材質為Q345C、直徑為D=1.5 m、最大扭矩為與拐臂連接的底軸處對應最大壁厚δ=90 mm，按上式（4）計算扭轉應力τmax為：

式中：Tmax為底軸最大扭矩，Tmax=1.27×1010N·mm；

Wt為抗扭截面系數。

待鋼壩各支座位置確定后再精確按下式第三強度理論對底軸應力校核：

2.2 底軸剛度

底軸除強度外，還應滿足剛度要求，剛度包括由支座軸間由彎矩引起的撓度和整根軸上由扭矩引起的扭轉變形，而扭轉變形通常以扭轉角來計算，閘門規范對底軸剛度也未給出許用彎曲撓度和扭轉角，上述資料中對剛度規定基本一致，規定如下：

1）允許彎曲撓度：一般用途的軸最大撓度不應超過支點間距的0.0003～0.0005。

2）允許扭轉角：一般傳動軸[φ]=0.5～1，精密軸[φ]=0.15～0.5。

底軸彎曲撓度在截面選定后，主要受支座間距影響，支座間距一般不大于8 m，考慮底軸同心度±3 mm、門前底止水預壓3 mm～5 mm 和穿墻套管止水等因素，建議底軸最大彎曲撓度應不超過支點間距的0.00035，此時支座間距8 m 時最大撓度為2.8 mm，能滿足精度和止水要求。

底軸扭轉變形后會帶動門葉變形，底軸和門葉受力為孔口中心對稱性，從而門頂會形成由兩側邊墩向孔口中心高度逐漸降低，門頂水面不在同一水平面上，底軸扭轉角越大門頂水面高差越大，見圖2。考慮上游河道來水量較小時，門后瀑布的景觀效果，建議門頂水面高差不大于Δh 來控制底軸扭轉角值φ，忽略門葉本身受力變形時，對應著不同孔口尺寸B 和蓄水高度H 與允許扭轉角[φ]存在以下關系：

即：

圖2 底軸扭轉變形示意圖

本工程孔口寬B=46 m，蓄水高度H=4 m，底軸直徑D=1.5 m，門頂允許水面高差Δh=0.02 m，則按上式（5）計算底軸最大扭轉角為：

式中：G 為材料的剪切彈性模量，G=7.9×104N/mm2；Ip為極慣性矩，。

2.3 底軸支座設計

底軸支座由孔口段支座和兩側邊墩支座組成，是用于支承底軸并傳遞門葉和底軸荷載。根據孔口寬度相應設置孔口段支座，間距一般不大于8 m，而兩側邊墩內一般各設一個支座。目前規范也未對支座型式作出規定，邊墩支座一般采用全包式支座，而孔口段支座常用的型式有全包式支座和半包式支座兩種型式，見圖3。全包式支座是支座將底軸全部固定，通過支座內圓形軸承與底軸接觸并能相對滑動，此型式對各支座同心度和基礎不均勻沉降要求較為嚴格，一旦同心度出現較大偏差或者基礎存在不均勻沉降，支座對底軸就會產生附加荷載和變形，嚴重影響底軸受力和運行安全。半包式支座是支座采用半圓形，僅固定底軸下半部分，通過支座內半圓形軸套與底軸下半面接觸并形成滑動面，此型式能在一定程度上解決基礎不均勻沉降對底軸的影響，而當沉降值較大時支座會脫離底軸，從而引起此底座失效，底軸有效支點跨度增大，進而也會影響底軸受力和運行安全。

圖3 底軸支座示意圖

通過對閘門受力分析：立壩時底軸對底座傳力為水壓引起的向下游水平力和門葉、底軸自重引起的豎向力，一般水平力遠大于豎向力。在半包式支座基礎上將孔口段底軸支座設計成U 型支座，見圖2。U 型支座具有以下特點：能根據設計給定的沉降值確定支座豎向高度，當基礎出現較大不均勻沉降時，支座仍能與底軸接觸傳遞水平方向的水壓力，避免底軸受力增加。本工程設計相對沉降量最大值為10 mm，考慮10 mm 富余量，最終將U 型支座豎直段高度設計為20 mm，并將支座錨栓螺紋長度預留20 mm 且底板埋設沉降觀測儀，以便后期對基礎沉降實時觀測，一旦出現較大沉降時能及時調整錨栓來調整支座高度，保持支座與底軸完全接觸，避免支座長時間脫空底軸。

3 結語

該鋼壩于2016 年底建成并蓄水運行，至今運行良好。筆者也通過對該鋼壩的設計研究有以下幾點體會，希望能給類似設計時提供參考，如有不當請批評指正。

1）許用扭剪應力和扭轉角是鋼壩底軸強度和剛度理論設計的重要指標，建議修訂閘門規范時應予以規定；

2）由于底軸同時承受彎矩和扭矩作用，可通過扭剪計算初步選取截面尺寸，最終應根據第三、第四強度理論，或者有限元對整體閘門進行復核驗算。

3）底軸U 型支座在不影響底軸受力的情況能適應一定的基礎不均勻沉降，建議對每塊底板設沉降觀測儀，以便對基礎沉降實時觀測，出現較大沉降時能及時通過調整預留錨栓來調整支座高度，保持支座與底軸完全接觸。

4）底軸支座長期位于河道中，日常巡查維修不便，為保證底軸與支座間的潤滑，建議底軸對應支座處貼焊不銹鋼、支座軸承與底軸間應設可靠的密封裝置、支座軸承宜采用適用于泥沙環境的自潤滑軸承。