中美水工钢闸门设计方法对比

刁 楠,邸南思,高 超

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

1 概述

随着我国海外水电市场的蓬勃发展，各设计单位在进行海外项目设计时，要求使用国外规范，特别是美国规范的相关技术标准，得到了世界大部分国家的认可和肯定。设计人员如能够熟练使用美国规范进行钢闸门设计，可更好地开展海外咨询、工程设计等项目，进一步开拓国际市场。

中美水工钢闸门的设计标准不同，因此，设计思路和方法也有所区别，通过分析、总结中美设计标准的差异，可以开阔设计人员的视野，积累技术经验，提高设计效率。对规范要求取长补短，并在一定程度上提升中国规范的海外认知度与认可度。

2 中美水工钢闸门设计规范及主要设计方法

中国水工钢闸门设计标准主要以《水电工程钢闸门设计规范》(NB 35055—2015)为主，辅以《钢结构设计规范》(GB 50017—2017)进行设计；而美国设计标准主要以《Design of Hydraulic Steel Structures》(ETL 1110-2-584)(后称：《美国水工钢闸门设计规范》)《Specification for Structural Steel Buildings》(ANSI/AISC 360-10)(后称：《美国钢结构设计规范》)为主，辅以《Design of Hydraulic Gate》2nd Edition(后称：《水工钢闸门设计手册》)进行设计。

《美国钢闸门设计规范》规定水工钢闸门的设计采用极限状态法。

结构在规定的时间与规定的条件下完成预定功能的概率称为结构的可靠度。“预定功能”是指结构的安全性、适用性和耐久性。结构整体或部分在超过某一状态时，结构就不能满足设计规定的要求，这种状态称为结构的极限状态，是区分结构工作状态可靠或不可靠的标志[2]。《美国钢闸门设计规范》规定，闸门设计时的极限状态(见表1所示)。

表1 极限状态的分类

以相应结构的极限状态作为结构设计依据的设计方法，称为极限状态法。其一般表达式为：

∑γiQni≤αφRn

(1)

式中 ∑γiQni为结构在设计荷载组合下需要的强度，Qi为荷载效应；αφRn为结构的额定强度，Rn为抗力；α为性能系数，φ为抗力系数。

3 中美水工钢闸门设计荷载对比

中美钢闸门设计规范对于钢闸门的荷载要求见表2所示。

表2 中美规范所规定的荷载

关于荷载种类中美规范基本相同，区别在于美国规范动水压力是由波浪、水流引起的振动及水锤引起的水压力，而中国规范动水压力包括时均值和脉动值，其计算由两部分组成，垂直于闸门面板的部分按静水压力乘以动力系数；另一部分作用于闸门底缘，又分为上托力和下吸力。

中国规范在进行荷载组合时，分为3个工况：设计工况，校核工况，地震工况。每种工况按照对应的荷载进行组合(见表3所示)。

表3 中国规范荷载组合

美国规范对于荷载的组合更为复杂，不同门型对应不同的荷载组合，如直升式平面闸门，其荷载组合如表4～5。可以看出，美国规范对于闸门设计的工况及对应的荷载组合分类更为详细。

表4～5中相关符号的意义如下：D为闸门自重;G为泥沙、积冰的重量;Hs为静水压力;Hd为动水压力;Q为操作力;EV为环境荷载;IM为撞击荷载;E为地震荷载。

表4 美国规范荷载组合

表5 美国规范荷载组合系数

4 中美水工钢闸门设计方法对比

4.1 结构设计

一般来说，闸门的结构主要是由面板，主、次梁，边梁，纵隔板等部件焊接而成，用来承担挡水的水压力。其计算模型一般采用平面体系假定进行分析。

钢闸门的结构设计主要就其强度、刚度、稳定性进行计算，关于强度和刚度的计算中国相关规范采用容许应力法，而稳定性计算遵循《钢结构设计规范》，该规范要求使用极限状态法。美国设计方法则统一采用极限状态法。

中美闸门面板计算方法一致，均采用了Roark’s Formulas[3]的计算方法。

4.2 机械零部件设计

闸门的机械零部件是指闸门吊耳、吊轴、滚轮、滑块等。吊耳、吊轴用于闸门的起吊，滚轮和滑块则用于传递水压力。

钢闸门的机械零部件设计主要就其强度进行计算，中美规范的计算方法均采用容许应力法。

关于吊耳板的计算，美国钢结构设计规范从受拉、受剪、承压以及吊耳板屈服的角度综合考虑，并取最小计算值作为强度要求。而中国规范主要从局部紧接承压以及孔壁抗拉的角度考量吊耳板的强度。

中美规范支承轮及轮轴设计没有太大差异，支承轮的线接触应力，轮轴的弯、剪计算均一致。不同点在于点接触的支承轮接触应力计算公式和容许接触应力。

中国规范要求的容许接触应力为3Fy(Fy：材料的屈服强度)，而美国钢结构设计规范要求的容许接触应力为1.6Fu(Fu：材料的抗拉强度)。当所选材料的屈强比在0.61左右时，中美规范中的容许接触应力值相接近。

4.3 埋件设计

闸门埋件是预先埋设在水工建筑物闸门运行部位混凝土中的金属构件。其主要作用是为闸门正常运转、吊装、检修提供具有一定精度要求的支承，行走，止水等基准面。其所承受的荷载主要为闸门所挡水的压力。

关于闸门埋件的设计，中美规范均采用的是容许应力法。不同点在于：

1) 在轨道计算内容方面，中国规范主要计算了混凝土承压应力、轨道横断面弯曲应力、轨道颈部局部承压应力以及轨道底板弯曲应力；水工钢闸门设计手册则主要计算了混凝土承压应力、轨道横断面弯曲应力及剪应力。

2) 计算模型的不同。水工钢闸门设计手册对于埋件的计算是基于弹性地基梁理论和Andree-Fricke理论进行的[4]。而中国规范的思路更为简化，仅仅通过力的扩散，并将其假设为受均布荷载作用下的悬臂梁来进行计算。

4.4 启闭力设计

当闸门需要启门时，由相关启闭设备提供，用以克服摩阻力而提升闸门的力叫启门力；用以维持闸门正常下落的力叫持住力；闭门力用于判断闸门是否能靠自重闭门，当闭门力为负值时，闸门可以依靠自重闭门；正值时，闸门不能依靠自重闭门，需加重(加重方式有加重块、水柱或机械下压力等)。在进行启门力、持住力计算前，需先完成闭门力验算。启闭设备的容量通常根据闸门的启闭力进行选型确定。

闸门的启闭方式根据闸门的运行情况，可以分为动水启闭(如工作闸门)、静水启闭(如检修闸门)、动闭静启(如事故闸门)。

中美闸门设计中关于启闭力的计算考虑因素略有不同，相关计算因子见表6所示。

表6 中美启闭力计算因子

可以看出中国规范中关于浮力部分的内容没有考虑，全部由相关修正系数代替。而美国规范中关于启闭力的计算方法并未明确说明，故主要参考《水工钢闸门设计手册》[4]进行计算，其中关于水柱压力、上托力未见有详细说明。

5 中美水工钢闸门设计差异性

5.1 算例分析

根据中美水工钢闸门的设计特点，结合尼泊尔某电站调压井事故闸门的设计实例，对其主要结构零部件的计算结果进行对比。

尼泊尔某电站调压井事故闸门设计参数如下：

孔口尺寸(宽×高)：4.8 m×4.8 m；

支承跨度：5.52 m；

底槛高程：1 751.85 m；

设计水位组合：1 790.00 m/无水；

操作水位组合：1 790.00 m/无水(闭门)，不超过3 m水位差(启门)；

布置形式：上游面板、上游止水；

闸门自重：385 kN；

闸门加重：260 kN；

启闭机容量：1 250 kN。

计算结果：因中美规范的不同，计算结果呈现的方式亦不相同，为便于研究，将所有结果做相关折算处理(启闭力除外)，得出材料使用度值，即：“材料使用度=计算值/额定值”。材料使用度值越大，则表示计算值越接近额定值。详细计算结果见表7所示。

表7 中美规范材料使用度计算结果

5.2 差异性比较

中美水工钢闸门的设计方法有着明显的不同，但设计结果除吊耳板计算结果差异较大以外，其余项目的差异并不是特别大，相关材料使用度偏差曲线如图1所示。

图1 中美计算结果偏差曲线示意

图1所示的偏差曲线在基准线K=1以上时，说明中国规范的设计结果更接近材料安全额定值，而在基准线K=1以下时，则说明美国规范的计算结果更接近材料安全额定值。

可以看出：相同结构形式的闸门在同样的荷载条件下，主要结构件利用中国规范计算的结果同美国规范的相接近，次要结构件则略有不同，美国规范的计算结果更接近材料安全额定值，设计稍偏保守。变形结果基本一致。

机械零部件中的吊耳部分：中国规范主要从局部紧接承压以及孔壁抗拉的角度考量吊耳板的强度。美国规范则从受拉、受剪、承压以及吊耳板屈服的角度综合考虑，并取最小计算值作为强度要求。关于吊耳强度，中国规范的计算结果则更为保守一些。

关于支承轮及轮轴的设计，中美规范计算结果没有太大差异。主要区别在于容许接触应力有所不同。

埋件设计，中美规范关于轨道横断面弯曲应力，混凝土承压应力的计算结果较为接近。中国规范计算结果略微偏保守一些。

启闭力设计中：美国规范没有持住力的计算。中国规范计算所需的闭门力和启门力均较美国规范的大。

弧形闸门、人字门等其他门型与平面闸门的设计都是基于平面假定体系进行的，因此，在闸门结构和闸门埋件的计算中，并没有较大的差异，机械零部件的计算也是一致的，主要区别是不同的门型根据其功能的不同，导致了使用工况也有所不同，体现在荷载组合上，就有了一些差异。

6 结语

中美钢水工闸门设计，在设计方法方面存在明显不同；在设计结果方面，闸门的梁系、支承及埋件的计算结果差异较小、而吊耳及启闭力的计算结果存在较明显差异。因本文针对中美规范计算方法的差异性研究样本有限，具体研究数据代表性有一定的局限性，仅供设计人员研究、参考。