一种新型软支撑翻板钢闸门门叶设计探讨

张淑琴，郄志红，吴鑫淼，李英

（1.河北农业大学，河北保定 071001；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

一种新型软支撑翻板钢闸门门叶设计探讨

张淑琴1，郄志红1，吴鑫淼1，李英2

（1.河北农业大学，河北保定 071001；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

新型软支撑翻板钢闸门机构，由于闸门支撑结构采用点支撑，结构柔性较大、受力复杂，设计计算方法尚不成熟。本文分别采用平面体系分析法和三维有限元法计算门叶主、次梁的应力，结果表明：两种方法计算的应力均以拉应力为主，但平面体系分析法计算的应力的75%均大于三维有限元法计算的应力。

闸门结构；门叶结构；结构计算；对比分析

闸门是用来调节流量和上下游水位、宣泄洪水和排放泥沙，以获得防洪、灌溉、引水发电、排沙等效益的常见水工结构。闸门门叶结构设计计算方法分为平面体系分析法和空间结构体系分析法［1-2］。平面体系分析法即在尽可能符合结构的实际工作条件的情况下，将空间结构分拆成几个平面体系计算，平面闸门、弧形闸门、人字闸门等可根据门叶结构、受力特点和荷载传递途径将门叶分为面板、主梁、次梁分别设计计算。

空间结构体系分析法是在符拉索夫的开口薄壁杆件理论［3］提出后，正式在工程界开始使用，但由于符拉索夫理论对闸门的简化偏离实际情况，整体分析和局部计算如何配合没有一定的计算准则，工作中有时仍需按平面体系分析法进行核算，所以符拉索夫理论未能取代平面体系分析法的地位。

近年来，三维有限元法［4-5］配合数字电子计算机的出现，使结构得以按空间体系分析计算，已有不少学者研究了这一方法在水工闸门中的应用。软支撑翻板钢闸门由于不受闸门槽的约束，且门叶位置由4个支撑点固定，面板柔性较大、受力复杂，其结构计算方法还不太成熟，如图1、图2所示。从图1、图2中可以看出，软支撑翻板钢闸门主次梁区分不明显，部分横、纵梁没有直接接触到地面或软支撑，处于“漂浮”状态，本文采用平面体系分析法和空间结构体系分析法分别计算该门叶结构的横、纵梁的应力，对比分析平面体系分析法是否适用于软支撑翻板钢闸门门叶的设计计算。

图1 软支撑翻板钢闸门立面图

1 软支撑翻板钢闸门简介

1.1 闸门结构型式

图2 翻板钢闸门平面布置、梁系简化图

软支撑翻板钢闸门主要由平板钢闸门、圆筒形橡胶袋、各部分连接件及止水、门间连环等构成。闸门由钢面板与型钢梁格系统焊接而成；相邻闸门以止水和连环扣件联系，可以多门一联，联间以闸墩分隔，每联两侧的闸门与闸墩的接触部分安装P型橡胶止水；闸门通过支铰与圆筒橡胶袋上部的带凹槽的法兰相连，带凹槽的法兰与圆筒橡胶袋上部套接，并以钢箍加固；圆筒橡胶袋下部与套接法兰相连，同样以钢箍加固；套接法兰与底板凹槽中的预埋件以螺栓相连；圆筒橡胶袋的充放水管前段与充放水干管相连，后端埋入混凝土底板，其出口与圆筒橡胶袋相通。闸门开启时，与充放水干管相连的水泵先开始工作，向充放水干管及单个圆筒橡胶袋的充放水管充水，闸门被充水的圆筒橡胶袋顶起，达到所要求的位置后停泵，闸门关闭时，打开管路的泄水阀门放水，随着各圆筒橡胶袋中水被排除，则闸门逐渐卧倒，与堰顶齐平［6］。

1.2 门叶结构特点

软支撑翻板钢闸门门叶结构由面板和梁格体系组成，梁格体系又由横梁（轻型工字钢）、纵梁（轻型槽钢）和斜梁（不等边角钢）组成，其作用是支撑面板，以减少面板的厚度。支撑结构呈纵向对称布置，分为两个底部硬支承和两个上部软支撑，硬支承为圆柱铰，软支撑为圆筒橡胶袋，软支撑安装在门叶的主梁后翼缘板上，门叶可以在软支撑的控制下绕底部圆柱铰旋转，以实现水位调节。

软支撑翻板钢闸门的主梁分为主横梁和主纵梁，以图2中软支撑翻板钢闸门为例，主横梁是以软支撑或硬支撑为支座的双悬臂的简支梁结构，主纵梁是以硬支撑和软支撑为支座的单悬臂的简支梁结构，次横梁是以主梁为支座的单悬臂的简支梁结构，次横梁是以接触的纵梁为支座的连续梁。

2 门叶结构计算

以某小型水电工程上的软支撑翻板钢闸门［7］为例，整个溢流坝段共长99.3m，分成4孔，孔与孔之间由闸墩间隔，每个闸墩宽800mm，4孔中除第1孔由4扇闸门组成外，其余均为5扇闸门，每扇闸门尺寸均为5.1m×2m（宽×高），闸门设计水头2m，每扇闸门主框架由主梁（轻型工字钢100）、次梁（轻型槽钢100）和斜梁（不等边角钢L755010）组成，梁与梁之间采用齐平式连接，面板为厚0.8cm的钢板，面板平面布置及梁系简化见图2。

2.1 平面体系分析法

从图2中可以看出，闸门纵向对称，计算时由于4号纵梁，5、6号横梁与软、硬支撑相连故设为主梁，且软、硬支撑处为主梁的铰支座，1号横梁，2、3号纵梁设为次梁，次梁与主梁交汇处为次梁的铰支座，纵向次梁与横向次梁交汇处为横向次梁铰支座。平面闸门荷载通过面板依次传给斜梁、次梁、主梁和支撑结构、埋件，梁承受的水压力面积按角平分线及其交点的连线所包的范围进行计算，如图2所示。本文仅计算横梁、纵梁应力。

以1号多跨连续横梁计算为例，采用力法计算其弯矩与应力，计算梁的应力时，梁惯性矩的计算需要考虑面板参与梁弯曲的有效宽度［8］，而面板参与作用的有效宽度B与主梁高跨比r、面板长宽比l0/b、主梁剪切系数λs及翼缘腹板面积比β等参数有关，随着主梁剪切系数λs、高跨比r、翼缘腹板面积比β增大，面板有效宽度系数明显增大。面板有效宽度［9］：

式中ξ为有效宽度系数，可通过查钢闸门设计规范中表G1得到。也可计算得到，公式为：

主、次梁的拉、压应力计算结果见表1。从表1中可以看出，由平面体系分析法计算的应力以拉应力为主，且大部分梁计算的应力均较大，3、4、5、6号梁的拉应力与5号梁的压应力均大于结构抗拉压容许应力［σ］=160MPa。

2.2 三维有限元法

采用三维有限元软件计算在设计水位下、闸门全开时面板受力情况。根据软支撑翻板闸门的实际特点，将门叶结构的面板定义为薄板单元（SHELL63单元），主梁、次梁、斜梁定义为空间梁单元（BEAM188单元）。板梁之间是相互刚接的，面板传来的水压力通过主梁、次梁、斜梁依次传给支撑结构，在荷载或者其他外力作用下，由于梁单元具有弹性而与薄板同时发生变形和位移。闸门结构采用Q235钢，其钢材的弹性模量，泊松比0.3，密度，整个闸门划分为5360个单元，4636个节点，见图3。

图3 闸门网格划分

图4给出了闸门结构的应力计算结果，从图4中可以看出，由于软支撑处设为点支撑，在其附近应力最大，最大应力达到121.71MPa，但小于钢构件抗拉容许应力。主、次梁应力计算结果见表1。

图4 闸门面板等效应力

表1 主、次梁最大应力单位：MPa

3 两种计算结果对比分析

对比表1中的数据，发现由平面体系分析法和三维有限元法计算的梁的应力均以拉应力为主，但由平面体系分析法计算的应力多数大于钢构件抗拉压容许应力。对于三维有限元法计算，门叶采用梁壳单元模拟，将梁单元与板壳单元刚接，梁包含在壳面内，梁单元与板单元共用节点同时发生变形和位移。而平面体系分析法的计算是将门叶拆分为板、主梁和次梁，荷载通过面板传给次梁，再通过次梁铰支座传给主梁，最终到达支撑结构或埋件，但面板与梁变形不同步，以5号主梁为例，由于其为底梁，面板不参与主梁弯曲，主梁受到面板传来的均布荷载作用和次梁通过铰支座传来的集中力作用，而面板仅受均布水压力，受力不同，计算的挠度不同，变形不同步，所以平面体系分析法对软支撑翻板钢闸门门的设计计算并不适用。

4 结语

针对目前广泛发展但设计计算方法尚不成熟而限制其发展的软支撑翻板钢闸门提出应用平面体系分析法和空间结构体系分析法分别进行设计计算，分析结果表明平面体系分析法对软支撑翻板钢闸门门叶的设计计算并不适用。

［1］李英.柔性液压翻板钢闸门的结构分析与智能优化［D］.保定：河北农业大学，2007.

［2］安徽省水利局勘测设计院.水工钢闸门设计［M］.北京：水利出版社，1980.

［3］陈昌宏，黄莺，单建.考虑圣维南翘曲变形的初始扭转薄壁梁单元刚度矩阵［J］.工业建筑，2012（4）.

［4］龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［5］王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［6］李松辉.基于APDL及遗传算法的水工结构优化方法及其应用［D］.保定：河北农业大学，2005.

［7］范志国，郑向辉.新型软支撑翻板闸门的设计与应用［J］.水科学与工程技术，2006（S2）.

［8］申永康，王正中，刘计良．深孔钢闸门面板参与主梁弯曲的有效宽度分析［J］．北京:水力发电学报，2011，30（4）．

［9］SL 74—95，水利水电工程钢闸门设计规范［S］．

Discussion on Design of New Type Soft Support Flap Gate

ZHANG Shu-qin1，QIE Zhi-hong1，WU Xin-miao1，LI Ying2
（1.Agriculture University of Hebei，Baoding 071001，China；2.Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

Because the gate is supported by four points，and the structure has greater flexibility and more complex force，the theory calculation method is not mature enough.Plane system analysis method and ANSYS are used to calculate stress of main，sub-beam，and the result indicate that the stress calculated by the two methods is mainly tensile stress，but seventy-five percent of stress calculated by plane system analysis method is greater than that of ANSYS.

gate structure；door leaf structure；structure calculation；comparison analysis

TV663+.8

A

1672-9900（2013）01-0035-03

2012-10-29

张淑琴（1985-），女（汉族），河北沧州人，硕士，主要从事水利工程信息化技术研究，（Tel）15931868772。