氣動盾形閘門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析計算

黃臣勇，覃志強，李云峰

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

氣動盾形閘門系統(tǒng)是從國外引進(jìn)的一種先進(jìn)閘門技術(shù)，其應(yīng)用具有不受跨度限制、對基礎(chǔ)沉降適應(yīng)能力強、施工工期短、運行安全可靠等特點，在城市景觀設(shè)計、大壩加高、防旱排澇、引水發(fā)電、防海水倒灌等工程中得到了廣泛應(yīng)用。由于其結(jié)構(gòu)的獨特性和新穎性，目前缺少相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范或技術(shù)文件可以遵循。雖然氣動盾形閘門門葉結(jié)構(gòu)可以通過有限元軟件進(jìn)行分析計算，但如鉸鏈、氣囊、主錨栓等關(guān)鍵零部件屬于復(fù)雜接觸分析模型，采用有限元技術(shù)分析計算需要非常強的專業(yè)知識才能完成，本文主要介紹氣動盾形閘門系統(tǒng)的理論分析計算方法，可為相關(guān)設(shè)計提供一定的參考[1]。

1 工作原理及組成

氣動盾形閘門系統(tǒng)是利用空氣壓縮原理，通過氣囊充氣與排氣，使閘門升起和倒伏。閘門升起時可以維持在特定的水位高度，門頂溢流形成瀑布景觀；閘門倒伏時，門葉貼靠河床不影響泄洪和通航。氣動盾形閘門系統(tǒng)主要由門葉、止水、氣囊、抑制帶、埋件、充氣系統(tǒng)、監(jiān)測控制系統(tǒng)等組成。

充氣系統(tǒng)對空氣進(jìn)行除濕、過濾通過管道注入氣囊，氣囊內(nèi)空氣達(dá)到一定壓力值后對門葉提供支承。同時氣囊靠夾具固定在基礎(chǔ)埋件上，氣囊表面拉力通過鉸鏈、夾具傳遞給主錨栓。根據(jù)閘門的擋水高度不同，氣囊分為單氣囊和雙氣囊兩種，氣囊材料具有強度高、韌性和延伸性好的特性，為提高氣囊的使用壽命，其表面加有橡膠保護(hù)層。

門葉由弧形面板和迎水面加勁肋組成，門葉通過鉸鏈與夾具連接。門葉結(jié)構(gòu)多為焊接結(jié)構(gòu)，可選用碳素結(jié)構(gòu)鋼、低碳合金鋼、不銹鋼等材料[2-3]。

抑制帶設(shè)置在門葉上懸臂段與抑制帶錨栓連接，在整個系統(tǒng)中起平衡水壓力和氣囊內(nèi)壓作用，防止在上游水壓力較小時，氣囊將門葉頂起發(fā)生前傾。抑制帶一般采用聚酯纖維帶，可根據(jù)閘門擋水高度和門葉寬度確定抑制帶數(shù)量。

鉸鏈、夾具、主錨栓為主要受力構(gòu)件，其中鉸鏈?zhǔn)菍㈤T葉承受的水壓力傳遞給夾具和主錨栓。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算

2.1 計算模型假設(shè)

氣動盾形閘門系統(tǒng)門葉結(jié)構(gòu)由氣囊支承，水壓力和氣囊表面拉力通過鉸鏈和夾具傳遞給主錨栓。整個系統(tǒng)的受力受制造、安裝精度影響較大，門葉面板表面曲率半徑不一致、接觸面間存在摩擦力等都將影響氣囊表面張力的連續(xù)性和有效接觸面積。夾具、氣囊、鉸鏈之間的摩擦力將影響力的傳遞，氣囊為柔性非線性材料，如果將這些因素都考慮進(jìn)去，氣動盾形閘門結(jié)構(gòu)及零部件計算難度較大[4]。故本文對計算模型做如下簡單假定：(1)門葉表面曲率各處一致，且表面光滑；門葉與氣囊之間接觸不存在摩擦，能自由滑動。(2)夾具、氣囊、鉸鏈之間不存在摩擦力。(3)氣囊充氣前后氣囊截面長度不發(fā)生變化。

2.2 計算方法

2.2.1 氣囊內(nèi)壓及張力計算

在氣動盾形閘門設(shè)計時，首先應(yīng)確定閘門擋水高度H、弧面半徑R和傾斜角度。擋水高度根據(jù)工程實際需要確定，弧面半徑和傾斜角度是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，在滿足工程需要的前提下建議對這兩個參數(shù)進(jìn)行比選。門葉與氣囊接觸弧長lc和氣囊頂部弧面半徑Rb可根據(jù)幾何放樣得出。

氣囊內(nèi)壓主要是支承水壓力和門葉自重，在氣囊內(nèi)壓計算時先計算水壓力在水平、豎直兩個方向的分力Fhx和Fhy。以鉸鏈A點為轉(zhuǎn)動中心分別計算水壓力和門葉自重對A點的力矩Ma和Mg。計算簡圖見圖1。

圖1 計算模型

水壓力作用在門葉面板上呈下大上小梯形分布，為保證氣囊整體變形協(xié)調(diào)，氣囊形狀設(shè)置為與水壓力分布類似的等腰梯形，見圖2。

圖2 氣囊與門葉接觸形狀

氣囊表面為張力相等的連續(xù)曲面，張力計算可取頂部圓弧端氣囊進(jìn)行分析計算，頂部氣囊半徑為Rb。因氣囊厚度遠(yuǎn)小于它的直徑(厚度小于直徑5%)，頂部氣囊可假設(shè)為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)；若封閉的薄壁圓筒所受內(nèi)壓力為P，則沿圓筒橫截面上拉力為PRb。

2.2.2 鉸鏈設(shè)計

鉸鏈在整個系統(tǒng)中將門葉承受的水壓力和氣囊表面張力傳遞給夾具，對力的傳遞起著關(guān)鍵性的作用。

鉸鏈為柔性材料只承受軸向荷載，不受彎矩和剪力作用，故鉸鏈承受拉力應(yīng)為Rx與Ry的合力。鉸鏈設(shè)計可根據(jù)此合力進(jìn)行計算，確定其材料和厚度。

2.2.3 夾具設(shè)計計算

在氣動盾形閘門系統(tǒng)中常用夾具結(jié)構(gòu)形式有兩種，鑄鋼夾具和壓板夾具。鑄鋼夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受荷載大，常用于中高水頭項目，壓板夾具結(jié)構(gòu)簡單受力較小，多在低水頭項目中采用。夾具結(jié)構(gòu)形式和與鉸鏈之間的傳力關(guān)系見圖3和圖4。本文介紹雙氣囊鑄鋼夾具的計算，壓板夾具設(shè)計方法同抑制帶壓板。

圖3 鑄鋼夾具連接關(guān)系

圖4 壓板夾具連接關(guān)系

鑄鋼夾具主要受力部位為鼻梁部分，在夾具設(shè)計時應(yīng)充分考慮鼻梁在彎矩和剪力作用下的強度和剛度。夾具卡槽圓弧段承受鉸鏈楔形端推力J，為減小鼻梁受力，在夾具設(shè)計時應(yīng)盡量將J的作用方向通過主錨栓受力點。

2.2.4 主錨栓設(shè)計計算

主錨拴在整個系統(tǒng)中起到固定夾具的作用，承受荷載大，且以上拔力為主，準(zhǔn)確計算主錨栓受力是整個系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵。主錨栓受力根據(jù)夾具結(jié)構(gòu)尺寸列平衡方程計算反力。夾具受力簡圖見圖5。

圖5 夾具受力

計算的荷載為計算寬度內(nèi)總荷載，單根主錨栓受力計算應(yīng)按錨栓數(shù)量均分。

2.2.5 抑制帶計算

抑制帶設(shè)計按最不利工況：上、下游無水，氣囊支撐力全部由抑制帶平衡。在正常情況下抑制帶設(shè)計按氣囊設(shè)計內(nèi)壓力P計算拉力，為安全考慮，抑制帶設(shè)計時氣囊內(nèi)壓考慮1.15倍的放大系數(shù)，根據(jù)力的平衡，氣囊內(nèi)壓對鉸鏈力矩等于抑制帶拉力力矩，計算抑制帶拉力Ty，根據(jù)Ty設(shè)計抑制帶截面。

計算出抑制帶拉力后，根據(jù)抑制帶錨栓及壓板形式計算錨栓拉力，抑制帶錨栓受力，見圖6。

圖6 抑制帶錨栓受力方式

抑制帶壓板可簡化為懸臂梁的計算，固定端為錨栓位置，懸臂長為圖6中B，荷載為Rsc。

2.2.6 門葉結(jié)構(gòu)設(shè)計

門葉結(jié)構(gòu)由弧形面板和多道加勁肋組成， 1道肋板可視為1道由面板兼做翼緣的T型梁。肋板可采用有限元整體分析計算或按簡支連續(xù)梁計算，按簡支連續(xù)梁計算時，單道T型梁可假設(shè)為一跨帶懸臂的連續(xù)梁，門葉與鉸鏈連接位置為第一個鉸接端，氣囊支撐中點為連續(xù)梁的另一個支點。通過計算連續(xù)梁彎矩、剪力進(jìn)行截面設(shè)計。

3 工程算例與分析

貴陽市南明河段共設(shè)置四座氣動盾形閘門，閘門高度為8.0 m，門頂過水深0.3 m，一扇閘門由雙氣囊重疊支撐，每扇閘門寬10.0 m。

3.1 弧面半徑選定

弧面半徑按18.0 m、19.0 m、20.0 m三組進(jìn)行對比計算。初步假設(shè)氣囊與門葉接觸弧長為3.0 m。本工程閘門高度較大，初步采用雙氣囊設(shè)置方案。計算結(jié)果見表1。

表1 不同弧面半徑時氣囊內(nèi)壓力、表面張力和主錨栓反力計算結(jié)果

經(jīng)對比分析，氣動盾形閘門在氣囊形狀相同的情況下，整個閘門系統(tǒng)受力變化較小，出于美觀考慮本工程閘門弧面半徑采用19.0 m。

3.2 氣囊及主錨栓反力計算

本工程按氣囊與門葉面板接觸弧長為2.8 m、3.0 m、3.2 m分別按單氣囊和雙氣囊驗算氣囊內(nèi)壓、氣囊張拉和主錨栓反力。計算結(jié)果見表2。

表2 不同氣囊半徑時氣囊內(nèi)壓力、表面張力和主錨栓反力計算結(jié)果

計算結(jié)果顯示本工程采用單氣囊時張力過大材料強度不滿足要求，宜采用雙氣囊。氣囊接觸面積越大表面張力和主錨栓反力越小，對應(yīng)氣囊材料使用量將增加，綜合考慮本工程接觸長度取3.0 m，在這個范圍內(nèi)可以充分利用氣囊材料的強度并預(yù)留一定安全系數(shù)，主錨栓反力可采用工程措施傳遞給基礎(chǔ)。

門葉結(jié)構(gòu)、鉸鏈、夾具、抑制帶、主錨栓等部分根據(jù)前述方法計算荷載，根據(jù)荷載選取截面，計算方法不做具體介紹。

4 結(jié) 語

氣動盾形閘門是由國外引進(jìn)的一種新型閘門，目前國內(nèi)有不少廠家在設(shè)計生產(chǎn)，但缺少相關(guān)理論計算依據(jù)，設(shè)計單位對廠家的依賴程度大，在實際工程中由廠家提供整套設(shè)備及主錨栓、抑制帶錨栓反力；設(shè)計單位關(guān)注門葉結(jié)構(gòu)的設(shè)計驗算，忽略夾具、鉸鏈、氣囊、基礎(chǔ)反力的驗算復(fù)核。本文從結(jié)構(gòu)受力分析出發(fā)介紹的計算方法比較合理的反應(yīng)氣動盾形閘門的實際受力情況，對設(shè)計提供一定的幫助。