大型三角闸门空间桁架结构杆件选择对比分析

(1. 江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 223100；2. 江苏省泰州引江河第二期工程建设局，江苏 泰州 225321；3. 江苏省灌溉总渠管理处, 江苏 淮安 223001)

大型三角闸门空间桁架结构杆件选择对比分析

时殿亮1刘建龙2朱文彪3

(1. 江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 223100；2. 江苏省泰州引江河第二期工程建设局，江苏 泰州 225321；3. 江苏省灌溉总渠管理处, 江苏 淮安 223001)

本文以高港枢纽二线船闸为例，通过对比空心钢管、型钢两种不同空间桁架结构型式的闸门，采用实腹式轴心受压构件的稳定性计算方法，分析比较两种结构杆件稳定性的大小。从杆件受压失稳的角度分析得出，三角闸门设计使用空心钢管截面的空间桁架杆结构比型钢截面的空间桁架结构更合理，为三角闸门空间桁架杆件选择提供一定参考依据。

大型三角闸门；空间桁架结构；对比分析

空间桁架结构是三角闸门门叶的重要组成部分，作用是将面板承受的水压力较为均匀、合理地传递给顶枢和底枢。空间桁架由支臂桁架、竖向桁架、中间桁架几个构件组成，支臂桁架是由支臂杆和腹杆组成的三角形水平支承桁架，主要用来承受面板所受的水压力；竖向桁架由水平桁架的支臂、斜腹杆、竖腹杆和立柱组成，协调水平支臂桁架之间的受力；中间桁架由水平杆和竖直杆交叉组成，有效增大空间桁架结构刚度，减小闸门受力作用下的扭曲[1](空间桁架结构布置如图1所示)。

图1 空间桁架结构

大型三角闸门空间桁架结构杆件的设计，一般有两种型式：一种是采用空心钢管联接，各杆件交接处使用空心球焊接，称为球节点结构(见图2)；另一种是采用型钢联接，各杆件交接处使用钢板焊接，称为节点板结构(见图3)。三角闸门的空间桁架结构主要起到传递水压力的作用，各桁架杆在正常工作时处于压弯或拉弯状态，杆件稳定性需满足规范[2]设计的要求。本文主要对比两种不同结构形式的闸门，在设计水位下空间桁架结构杆件的轴力、应力，分析比较两种结构杆件稳定性大小，为闸门空间桁架杆件选择提供一定参考依据。

图2 球节点结构空间桁架

图3 节点板结构空间桁架

1 三角闸门压杆稳定性分析

闸门空间桁架杆件在承受正向设计水位时，处于受压状态，需要进行稳定性验算，分析可得受压杆件承受的弯矩较小，故采用实腹式轴心受压构件的稳定性计算方法，如下式：

式中φ——轴心受压构件稳定系数，值要根据换算长细比来确定；

N——构件所受轴向压力,MPa；

A——钢管的截面积,mm2；

f——杆件容许应力，根据钢结构设计规范，钢管的直径均大于60mm，故f=160MPa。

节点板结构和球节点结构的钢架杆，杆件截面型式不同。节点板结构空间桁架杆，采用了角钢、工字钢和T形钢，截面均为单轴对称构件，计算构件稳定性时，需分别验算绕非对称轴和绕对称轴的整体稳定性；球节点结构空间桁架杆，采用的均是空心钢管，为极对称构件，只需验算绕任意对称轴的整体稳定性。两种计算方法区别在于轴心受压构件稳定系数φ的选择，根据杆件截面特性计算的长细比，查表选择相应的稳定系数即可。

长细比λ的计算，采用如下公式：

式中ix——钢管截面惯性半径，mm；

l——某段钢管的计算长度,mm。

闸门所用钢材为Q235钢，故fy=235MPa。

2 闸门空间杆件稳定性对比分析

2.1 主钢管的稳定性

在三角闸门中，各层钢架中底片钢架、下斜片钢架的主钢管起主要支承作用，另需验算主钢管的整体稳定性。

2.1.1 空心钢管桁架结构

空心钢管结构的底片钢架主钢管轴力如图4所示，正向设计水位下，底片钢管主钢管为压弯构件，最大轴力为615.01kN，由底片钢管主钢管的等效应力图5可知，危险截面出现在最大轴力处，稳定性验算过程如下：截面特性参数，面积A=16838.94mm2，惯性半径ix=118.58mm，计算长度l=μl0=0.65×2706=1758.9mm。则

查《钢结构设计规范》轴心受压构件稳定系数表[3]，得φ=0.983，即

整体稳定性满足规范要求。

图4 底片钢架主梁轴力(单位： N)

图5 底片钢架主梁等效应力(单位： Pa)

下斜片钢管主钢管轴力如图6所示，正向设计水位下，下斜片钢管主钢管为压弯构件，最大轴力为506.12kN，由下斜片钢管主钢管的等效应力图7可知，危险截面出现在最大轴力处，稳定性验算过程如下：截面参数，面积A=14225.13mm2，惯性半径ix=100.22mm，计算长度l=μl0=0.65×2939=1910.35mm。则

查《钢结构设计规范》轴心受压构件稳定系数表，得φ=0.973，即

整体稳定性满足规范要求。

图6 下斜片钢架主梁轴力(单位： N)

图7 下斜片钢架主梁等效应力(单位： Pa)

2.1.2 型钢桁架结构

图8 底片钢架主梁轴力(单位： N)

图9 底片钢架主梁等效应力(单位： Pa)

型钢结构的底片钢架主钢管轴力如图8所示，正向设计水位下，底片钢管主钢管为压弯构件，最大轴力为705.98kN，由底片钢管主钢管的等效应力图9可知，危险截面出现在最大轴力处，稳定性验算过程如下：截面特性参数，面积A=22536mm2，惯性半径ix=319mm，iy=76.9mm，计算长度lx=μl0=0.65×2706=1758.9mm，ly=μl0=1.0×2706=2706mm，则

下斜片钢管主钢管轴力如图10所示，正向设计水位下，下斜片钢管主钢管为压弯构件，最大轴力为470.16kN，由下斜片钢管主钢管的等效应力图11可知，危险截面出现在最大轴力处，稳定性验算过程如下：截面特性参数，面积A=13620mm2，惯性半径ix=243.4mm，iy=38.7mm，计算长度lx=μl0=0.65×2924=1900.6mm，ly=μl0=1.0×2924=2924mm则

图10 下斜片钢架主梁轴力(单位： N)

图11 下斜片钢架主梁等效应力(单位： Pa)

2.2 钢架腹杆及中片钢架的稳定性

在闸门所有杆件中，斜拉杆主要起到抵抗闸门钢架扭转力矩，而底片钢架腹杆、顶片钢架腹杆、中片钢架构件主要受轴向应力作用，相应杆件的稳定性需要进行校核。

2.2.1 顶片、底片、上下斜片钢架腹杆轴力

将所涉及到的杆件的轴力列于表1中，其中杆件号对应关系如图12和图13所示。

图12 底片、顶片钢架结构

图13 上下斜片钢架结构注 底片钢架中没有腹杆21、22、23；构件的布置一样，但是杆径不完全相同。

表1 不同截面空间桁架杆模型底片、顶片以及斜片钢架各杆件轴力 单位： kN

2.2.2 中片钢架杆件轴力

中片钢架一、二、三结构如图14所示。

图14 中片钢架一、二、三结构(注 1. 中片钢架三没有杆件8、13、14；2. 杆件布置一样但是管径不完全相同；3. 钢片序号同结构布置图，从上往下为中片一、中片二、中片三。)

2.2.3 稳定性计算结果

由表2可知，大部分钢架腹杆及中片钢架杆件受到压力作用，极少部分受到拉力作用，并且轴向压力大小要比主钢管轴力小的多，校核压杆稳定性时，只需选择轴向压力最大杆进行计算即可。

腹杆由于都是通过球节点或节点板焊接在主钢管上，计算简化时取长度折算系数μ=0.80。按照整体稳定性计算公式计算，将不同截面杆件模型相应压杆稳定性结果列于表3。

表2 不同截面空间桁架杆模型中片钢架各杆件轴力 单位： kN

表3 不同截面空间桁架杆模型稳定性结果比较

注轴力为压力。

2.3 两种截面模型压杆稳定性对比分析

根据稳定计算结果分析，有以下结论：

a. 两种截面杆模型下，压杆的稳定性计算结果基本相同，均满足设计规范要求。分析下斜片主钢管稳定性结果可知，型钢截面杆件应力计算值大于空心钢管截面杆件应力计算值；底片主钢管结果中，两种截面计算结果相近。

b. 大部分腹杆及中片钢架稳定性应力计算结果也相近，其中，两种不同截面杆件模型的下斜片和上斜片腹杆稳定性计算值相差较大，分析主要原因是由于两者轴力和截面面积均不相同，从而导致稳定性计算结果存在差异。

c. 分析两种不同杆件截面模型，在相同载荷和约束下，计算的轴向压力结果不相同。由表3可知，圆形截面钢管模型几乎所有杆件轴力值均小于型钢截面模型对应的杆件轴力值，说明空心钢管截面杆在同等载荷条件下，可以有效减小所承受的轴力，更有利于闸门整体的稳定性。

3 结 论

由轴心受压杆件稳定性的计算结果分析可以看出，空心钢管截面杆件在大型三角闸门设计使用中存在一定的优势，总结有以下几点：

a. 当载荷和约束条件相同时，空心钢管截面杆件稳定性的计算结果与型钢截面杆件的计算结果基本相同，但所对应的钢管截面杆件轴力均比型钢截面杆件轴力小，并且型钢截面的面积均大于空心钢管截面的面积。

b. 承受闸门水压力的主要支撑杆件是底片钢架和下斜片钢架的主钢管，两者主钢管的轴力至少是其他空间桁架杆件轴力的10倍以上，校核闸门空间杆件稳定性时，主要是要计算二者主钢管稳定性的折算压应力大小，闸门设计时，一定要保证主钢管的设计和校核要求。

c. 空心钢管截面杆件模型中大部分腹杆稳定性折算应力值相差不大，受压作用均匀，而型钢截面杆件模型中腹杆的折算应力值不尽相同，可从侧面反应出空心钢管截面杆件参与承受水压力的程度比型钢截面杆件要大，从而使各杆件受力分布均匀，整体轴力值较小。因此，钢管截面的空间桁架各个杆件都能被有效地利用，使闸门整体的稳定性得到进一步提升。从杆件受压失稳的角度分析，三角闸门设计使用空心钢管截面的空间桁架杆结构比型钢截面的空间桁架结构要更合理。

[1] 迟朝娜. 船闸三角闸门结构的空间有限元分析[D]. 南京： 河海大学, 2007: 4-5.

[2] 中华人民共和国交通部.JTJ 308—2003船闸闸阀门设计规范[S]. 北京： 高等教育出版社, 2003: 28-29.

[3] 中华人民共和国建设部.GB 50017—2003 钢结构设计规范[S]. 北京： 中国计划出版社，2003.

Alternativecomparisonandanalysisonlargetriangulargatespacetrussstructuralmember

SHI Dianliang1, LIU Jianlong2, ZHU Wenbiao3

(1.JiangsuHongzeLakeHydraulicProjectManagementDivision,Huai’an223100,China;2.JiangsuTaizhouRiverDiversionStageIIEngineeringConstructionBureau,Taizhou225321,China;3.JiangsuMainIrrigationCanalManagementDivision,Huai’an223001,China)

In the paper, Gaogang Hub Second-line Shiplock is adopted as an example, the stability calculation method of solid-web axial compression members is adopted by comparing two gates with different space truss structure modes made of hollow steel tube and section steel. The stability of two structural members is analyzed and compared. It is concluded through analysis from the perspective of member compressive instability that application of space truss member structure of hollow steel tube cross section in triangle valve design is more rational than the space truss structure of section steel cross section, thereby providing certain reference basis for selecting triangle gate space truss members.

large triangle gate; space truss structure; comparison and analysis

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.011.006

TV34

B

1005-4774(2017)011-0027-06