三邊支承防汛橫拉門變形特性研究

引用格式：.三邊支承防汛橫拉門變形特性研究[J].水利水電快報，2025，46（5）：79-83.

關鍵詞：橫拉門；三邊支承；閘門變形；有限元分析

中圖法分類號：TV34 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki. slsdkb. 2025.05.013

文章編號：1006-0081（2025）05-0079-05

0 引言

防汛橫拉門是一種為滿足防汛墻防洪閉合要求，底部設有橫向移動滾輪的平面鋼閘門。該門型由于其占地面積較小、啟閉較為方便、景觀效果好等優點，普遍應用于防汛墻新建及改造工程中[1-3]。防汛橫拉門平時開啟，供行人及車輛通過，當外江水位上漲后關閉擋洪。考慮到運維的便利性，一般的防汛橫拉門均為人工啟閉，因此要求閘門結構簡單輕巧，以降低閘門重量，方便人力推動。特別是在大跨度的情況下，通過優化閘門結構降低其重量就顯得尤為重要。常規做法是在閘門底部增加支承，從而形成兩側閘墩及底部底檻三邊支承的受力形式。相對于僅靠兩側閘墩支承的常規鋼閘門[4-5]，優化后的閘門左右兩側及底部均受到約束，從而能將一部分水壓力傳遞給底檻，優化了閘門的受力情況。由于其受力方式與常規閘門不同，而現有規范對此沒有規定，現有設計主要依賴經驗，暫無明確的標準。

迮秋華等[分析了上海市防汛閘門的類型和特點并提出了一種改進的防汛橫拉門。吳坤坤[研究了橫拉門在防洪墻改建工程中的應用。張斌等[8]研究了一種自行式的防汛橫拉門。肖志喬等9對防汛閘門的止水設置進行了探討。以上研究主要涉及防汛橫拉門的應用和改進，但對防汛橫拉門本身的受力特性研究較少。防汛橫拉門是典型的三維結構，其結構受力較為復雜，對此一般采用有限元進行計算[10 -13] 。本文采用ANSYS有限元計算方法，針對三邊支承的防汛橫拉門變形問題，建立三維有限元模型，對影響防汛橫拉門變形的因素進行研究，研究成果可為類似三邊支承防汛橫拉門設計提供參考。

1 研究模型

1.1 數值模型

本文以某防汛橫拉門（圖1）為研究對象，對閘門主體結構進行建模。防汛橫拉門跨度為 L ，高度為 H 閘門面板厚度取 6mm ，主梁及豎梁均取工字鋼16b，計算模型見圖2。鋼閘門材料取工程中常用的Q235B低碳鋼，根據SL74-2019《水利水電工程鋼閘門設計規范》中的相關規定，Q235B鋼的彈性模量 E 取206GPa，泊松比 μ 取0.3，主梁容許撓度為主梁跨度的1/600 。閘門一側設置位移全約束，底部和另一側設置Z 向位移約束，面板上施加面荷載 P 以模擬水壓力，其余面自由。

1.2 強度驗算準則

由于鋼材主要承受雙向平面應力或者三向立體應

力等復雜應力，因此采用Mises應力強度準則[14]進行應力控制：

式中： σ_x，σ_y，σ_z 分別表示 _x，y，z 向正應力； τ_xy，τ_zy，τ_zx 分別表示 xy，zy，zx 平面上的切應力； [σ] 為鋼材的容許應力。

圖1防汛橫拉門布置

2 三邊支承防汛橫拉門變形規律

模型尺寸取 L=6m，H=2m ，為研究不同水壓力下閘門的變形規律，分別選取 1.6，1.4，1.2，1.0m 共4種水頭條件進行三維有限元計算。

以擋水水頭取 1.6m 時的計算結果為例，閘門變形分布如圖3所示，由圖3可知最大變形（ 6.42mm 0出現在頂主梁中部位置。閘門兩側及底部由于受到 Z 向位移約束，導致越靠近閘門兩側及底部，變形越小。防汛橫拉門整體變形呈現從三邊向頂主梁中部逐漸變大的規律，由于閘門頂主梁變形最大，故頂主梁的結構安全是影響閘門安全的控制因素。

分析閘門中心線處的變形數據，可知隨著坐標值y 的增大，閘門變形量 v 隨之增大（圖4），變形量 v 與坐標值 y 之間存在等比例線性關系：

v=ky

式中： k 為待定常數。

運用最小二乘法對 （y，v） 進行擬合，壓力水頭在1.0，1.2，1.4，1.6m 各工況下 k 值分別為0.7825，1.3527，2.1486，3.2038。 R² 為決定系數，取值為 0～ 1，越靠近1，其擬合可靠性越高。由圖4可知，決定系數均在0.99以上，變形量 v 和坐標值 y 之間存在等比例線性關系。且隨著壓力水頭的增大， k 值也相應增大，相同位置的閘門變形量也越大。

分析閘門頂主梁的變形數據可知，閘門頂主梁的變形量 v 隨著坐標值 x 的增大而先增大后減小，頂主梁的變形量整體呈現拋物線分布，見圖5。同時考慮到常規鋼閘門主梁是按均布荷載下的簡支梁進行簡化計算，撓曲線方程[15]見式（3），同樣為拋物線型。

式中： P₀ 為均布荷載； I 為主梁慣性矩； L 為簡支梁跨度； E 為彈性模量， N/mm² 1。

故可假定頂主梁變形曲線符合：

v=ax⁴-bx³+cx

式中： ^a，b，c 為待定常數。

運用最小二乘法對 （x，v） 進行擬合，擬合曲線見圖5。由圖5可知，決定系數均在0.99以上，頂主梁變形曲線基本符合式（4），即頂主梁的變形規律與均布荷載作用下的簡支梁變形規律基本一致，且隨著壓力水頭的增大，相同位置的閘門變形量也越大。

3三邊支承防汛橫拉門變形特性

分析防汛橫拉門跨度 L 與高度 H 對防汛橫拉門變形規律的影響。在分析閘門跨度 L 的影響時，取閘門高度 2m 擋水水頭 1.6m 不變，閘門跨度 L 分別取³，4，5，6m 進行計算；在研究閘門高度 H 的影響時，取閘門跨度 6m 、擋水水頭 1.0m 不變，閘門高度 H 分別取 1.0，1.5，2.0，2.5m 進行計算。

3.1 橫拉門跨度的影響

不同跨度下閘門頂主梁的變形數據見圖6，由圖6可知：隨著橫拉門跨度的增加，相同水頭下，頂主梁的最大變形也越來越大。同時對各個跨度下頂主梁的變形量數據采用式（4）進行擬合，其決定系數均在0.99以上，可知不同閘門跨度下頂主梁變形與均布荷載下簡支梁變形規律相同。不同跨度下閘門中心線處的變形數據見圖7，可知閘門中心線處的變形基本符合等比例線性變化規律，但隨著閘門跨度的減小，其擬合程度有所降低。當閘門跨度為 3m 時，擬合決定系數僅為0.6753。

3.2 橫拉門高度的影響

不同高度下閘門頂主梁的變形數據見圖8，由圖8可知：隨著橫拉門高度的增加，相同水頭下，頂主梁的最大變形越來越小。同樣對各個高度下頂主梁的變形量數據采用式（4）進行擬合，其決定系數均在0.99以上，可知各閘門高度下頂主梁變形與均布荷載下簡支梁變形規律相同。不同高度下閘門中心線處的變形數據見圖9，由圖9可知閘門中心線處的變形基本符合等比例線性變化規律，決定系數在0.97以上。

3.3 防汛橫拉門變形計算

從以上研究成果可以看出：閘門頂主梁中心位置變形最大，頂主梁的安全是影響閘門安全的控制因素，而閘門頂主梁變形符合均布荷載下的簡支梁變化規律。同時考慮閘門為多主梁，故可參考均布荷載作用下的簡支梁變形公式，假定各主梁的最大位移符合式（5）：

式中： v_i 為第 χ_i 號主梁的最大變形； P_i 為第 i 號主梁所受的均布力； I_i 為第 i 號主梁的慣性矩，可根據SL74-2019《水利水電工程鋼閘門設計規范》對主梁結構進行計算。

同時以閘門底部支承為旋轉中心，則由力矩平衡可得

式中： y_i 為第 i 號主梁的力臂（即主梁距底支承的距離）； P_s 為閘門所受總水壓力； y_s 為總水壓力的力臂。

考慮到閘門中心線處的變形基本符合等比例線性規律，故可得

式中： k 為待定常數。

將公式（5）＼～（7）聯立求解，則可求出各主梁的最大變形 v_i 。

以模型 L=6m，H=2m 為例，將不同水頭下的頂主梁最大變形值的數值解與上述計算方法的計算值進行比較。從表1中可以看出，數值解均小于計算值，且均小于規范規定的容許值。分析可知采用本文提供的方法進行計算時，是將水壓力簡化分解為各個主梁的受力，然后對各個主梁單獨進行計算，而實際閘門是整體受力結構，縱梁、面板等均參與受力，故承載力更大。因此，采用本方法計算的最大變形量大于數值模擬的變形量，計算結果是偏安全的，實際設計工作中可作為安全儲備。

將簡化計算方法引入閘門設計，闡述其在工程設計中的應用，以閘門高度 2m 、閘門跨度 5m ，擋水水頭1.6m 為例，閘門面板厚度取 6mm ，主梁分別取工字鋼10，12.6，14，16，并采用上述方法進行計算。計算結果見表2，可知工字鋼型號越大，閘門主梁最大變形越小，當主梁型號不低于工字鋼12.6時，閘門主梁最大變形能滿足規范要求，故工程設計中可選取工字鋼12.6作為閘門主梁。

3.4 防汛橫拉門工程設計

4結論

（1）三邊支承的防汛橫拉門最大變形出現在頂主梁中部位置，防汛橫拉門變形呈現從三邊向頂主梁中部逐漸變大的規律，閘門頂主梁的結構安全是影響閘門安全的控制因素。

（2）閘門頂主梁的變形量呈現拋物線分布，與均布荷載作用下的簡支梁變形規律基本一致，不受閘門跨度和高度的影響；閘門中心線處的變形呈現從底部到頂部的等比例線性變化規律，不受閘門高度的影響，但閘門跨度較小時，線性規律不明顯。

（3）本文提出一種三邊支承防汛橫拉門變形的簡化計算方法，運用此方法計算頂主梁的變形量，計算結果偏安全，可為實際閘門設計提供參考。

參考文獻：

[1] 萬迪文，馮新紅，余鵬翔，等.峽江水利樞紐泄水閘實時監測系統設計[J].水利水電快報，2023，44（7）：111-115.

[2] 范雨生，陳惠民.上海市防汛墻鋼閘門探微[J].上海水利，1998（3）：22-26.

[3] 張盛.復興島運河防汛墻改建及濱江貫通工程實踐［J].水利水電快報，2024，45（增1）：35-39.

[4] 楊光明，萬宇飛，俞人杰，等.考慮止水位置的平面鋼閘門應力有限元分析[J].人民長江，2019，50（1）：153-157.

[5] 許中武，蔡偉，周建方.平面鋼閘門三維有限元線性分析的若干問題[J].中國農村水利水電，2023（8）：222-228.

[6] 迮秋華，肖志喬，韓濤.堤防防汛閘門設計淺析[J].廣東水利水電，2009（5）：46-47，50.

[7] 吳坤坤.橫拉門在防洪墻改建工程中的應用[J].東北水利水電，2022（6）：1-3，71.

[8] 張斌，鄒鷹，張平等.自行式防汛鋼閘門的研究與應用[J].水運工程，2005（5）：106-108.

[9] 肖志喬，孫嘉華.防汛閘門止水設置探討[J].廣東水利水電，2010（5）：61-63.

[10] 王超，馮陽，吳錚.基于有限元法的泄水閘弧形工作閘門應力檢測分析[J].水利水電快報，2022，43（8）：75-79.

[11] 趙玉花.基于ANSYS的水工鋼閘門有限元分析[J].內蒙古水利，2024（7）：7-9.

[12] 王惠芝，陳慧楠.平面鋼閘門變形及力學特性影響研究[J].水利科技與經濟，2023，29（4）：59-62，66.

[13] 常智慧，蔣平.弧形鎖定梁承載力特性研究[J].水電能源科學，2020，38（5）：110-112，126.

[14] 范崇仁.水工鋼結構（第四版）[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[15] 鄧訓，徐遠杰.材料力學（第一版）[M].武漢：武漢大學出版社，2002.

（編輯：江，舒忠磊）

Study on deformation characteristics of cross - pulling gate used in flood prevention with three edge supports

CHANG Zhihui （Shanghai Municipal Engineering Design Institute（Group） Co.，Ltd.，Shanghai 2Ooo92，China）

Abstract：According to the problemof deformationof cross-puling gateused inflood preventionwith threeedge supports，the factors to influence deformation ofcross -puling gate was investigated with the finite element software ANSYS. The deformation distribution rulesof cross-puling gate used in flood prevention with three edgessupportsand the deformatio variation rules ofthe top beam and thecenter lineof the gate were analyzed.The influence of the span and height of cross-pulling gate on therules of deformation was studied.A formula tocalculate the deformationof crosspuling gate wasput forward.Theresultsshowed thatthe maximum deformation ofcross-pulinggate used in flood prevention was found on the middle position of the top beam with three edgesupports.The deformation of the top beam showed parabolicdistribution，sameasthedeformationlawofsimple beamsunderevenload，and therewaslitle influence made bythe span and height of cross-puling gate.The deformation at the centerlineof the gate was linear from the bottom to top，there waslitle influence madebythe height ofcross-pullng gate，but when the spanofthe gate was small，there was no obvious linearlaw.The simplified formula for calculating the deformation of cross-pulling gatecan beused in the designof thecross -puling gateused inflood prevention with three edge supports in practical engineering，and thecomputed result is in favor of a security.The research results can provide reference for the designof crosspulling gate used in flood prevention with three edge supports.

Key words： cross -pulling gate； three edge supports； gate deformation; finite element analysis