气动盾形闸门系统结构分析计算

黄臣勇，覃志强，李云峰

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

气动盾形闸门系统是从国外引进的一种先进闸门技术，其应用具有不受跨度限制、对基础沉降适应能力强、施工工期短、运行安全可靠等特点，在城市景观设计、大坝加高、防旱排涝、引水发电、防海水倒灌等工程中得到了广泛应用。由于其结构的独特性和新颖性，目前缺少相应的设计规范或技术文件可以遵循。虽然气动盾形闸门门叶结构可以通过有限元软件进行分析计算，但如铰链、气囊、主锚栓等关键零部件属于复杂接触分析模型，采用有限元技术分析计算需要非常强的专业知识才能完成，本文主要介绍气动盾形闸门系统的理论分析计算方法，可为相关设计提供一定的参考[1]。

1 工作原理及组成

气动盾形闸门系统是利用空气压缩原理，通过气囊充气与排气，使闸门升起和倒伏。闸门升起时可以维持在特定的水位高度，门顶溢流形成瀑布景观；闸门倒伏时，门叶贴靠河床不影响泄洪和通航。气动盾形闸门系统主要由门叶、止水、气囊、抑制带、埋件、充气系统、监测控制系统等组成。

充气系统对空气进行除湿、过滤通过管道注入气囊，气囊内空气达到一定压力值后对门叶提供支承。同时气囊靠夹具固定在基础埋件上，气囊表面拉力通过铰链、夹具传递给主锚栓。根据闸门的挡水高度不同，气囊分为单气囊和双气囊两种，气囊材料具有强度高、韧性和延伸性好的特性，为提高气囊的使用寿命，其表面加有橡胶保护层。

门叶由弧形面板和迎水面加劲肋组成，门叶通过铰链与夹具连接。门叶结构多为焊接结构，可选用碳素结构钢、低碳合金钢、不锈钢等材料[2-3]。

抑制带设置在门叶上悬臂段与抑制带锚栓连接，在整个系统中起平衡水压力和气囊内压作用，防止在上游水压力较小时，气囊将门叶顶起发生前倾。抑制带一般采用聚酯纤维带，可根据闸门挡水高度和门叶宽度确定抑制带数量。

铰链、夹具、主锚栓为主要受力构件，其中铰链是将门叶承受的水压力传递给夹具和主锚栓。

2 结构设计及计算

2.1 计算模型假设

气动盾形闸门系统门叶结构由气囊支承，水压力和气囊表面拉力通过铰链和夹具传递给主锚栓。整个系统的受力受制造、安装精度影响较大，门叶面板表面曲率半径不一致、接触面间存在摩擦力等都将影响气囊表面张力的连续性和有效接触面积。夹具、气囊、铰链之间的摩擦力将影响力的传递，气囊为柔性非线性材料，如果将这些因素都考虑进去，气动盾形闸门结构及零部件计算难度较大[4]。故本文对计算模型做如下简单假定：(1)门叶表面曲率各处一致，且表面光滑；门叶与气囊之间接触不存在摩擦，能自由滑动。(2)夹具、气囊、铰链之间不存在摩擦力。(3)气囊充气前后气囊截面长度不发生变化。

2.2 计算方法

2.2.1 气囊内压及张力计算

在气动盾形闸门设计时，首先应确定闸门挡水高度H、弧面半径R和倾斜角度。挡水高度根据工程实际需要确定，弧面半径和倾斜角度是整个系统的关键参数，在满足工程需要的前提下建议对这两个参数进行比选。门叶与气囊接触弧长lc和气囊顶部弧面半径Rb可根据几何放样得出。

气囊内压主要是支承水压力和门叶自重，在气囊内压计算时先计算水压力在水平、竖直两个方向的分力Fhx和Fhy。以铰链A点为转动中心分别计算水压力和门叶自重对A点的力矩Ma和Mg。计算简图见图1。

图1 计算模型

水压力作用在门叶面板上呈下大上小梯形分布，为保证气囊整体变形协调，气囊形状设置为与水压力分布类似的等腰梯形，见图2。

图2 气囊与门叶接触形状

气囊表面为张力相等的连续曲面，张力计算可取顶部圆弧端气囊进行分析计算，顶部气囊半径为Rb。因气囊厚度远小于它的直径(厚度小于直径5%)，顶部气囊可假设为薄壁圆筒结构；若封闭的薄壁圆筒所受内压力为P，则沿圆筒横截面上拉力为PRb。

2.2.2 铰链设计

铰链在整个系统中将门叶承受的水压力和气囊表面张力传递给夹具，对力的传递起着关键性的作用。

铰链为柔性材料只承受轴向荷载，不受弯矩和剪力作用，故铰链承受拉力应为Rx与Ry的合力。铰链设计可根据此合力进行计算，确定其材料和厚度。

2.2.3 夹具设计计算

在气动盾形闸门系统中常用夹具结构形式有两种，铸钢夹具和压板夹具。铸钢夹具结构复杂，承受荷载大，常用于中高水头项目，压板夹具结构简单受力较小，多在低水头项目中采用。夹具结构形式和与铰链之间的传力关系见图3和图4。本文介绍双气囊铸钢夹具的计算，压板夹具设计方法同抑制带压板。

图3 铸钢夹具连接关系

图4 压板夹具连接关系

铸钢夹具主要受力部位为鼻梁部分，在夹具设计时应充分考虑鼻梁在弯矩和剪力作用下的强度和刚度。夹具卡槽圆弧段承受铰链楔形端推力J，为减小鼻梁受力，在夹具设计时应尽量将J的作用方向通过主锚栓受力点。

2.2.4 主锚栓设计计算

主锚拴在整个系统中起到固定夹具的作用，承受荷载大，且以上拔力为主，准确计算主锚栓受力是整个系统安全运行的关键。主锚栓受力根据夹具结构尺寸列平衡方程计算反力。夹具受力简图见图5。

图5 夹具受力

计算的荷载为计算宽度内总荷载，单根主锚栓受力计算应按锚栓数量均分。

2.2.5 抑制带计算

抑制带设计按最不利工况：上、下游无水，气囊支撑力全部由抑制带平衡。在正常情况下抑制带设计按气囊设计内压力P计算拉力，为安全考虑，抑制带设计时气囊内压考虑1.15倍的放大系数，根据力的平衡，气囊内压对铰链力矩等于抑制带拉力力矩，计算抑制带拉力Ty，根据Ty设计抑制带截面。

计算出抑制带拉力后，根据抑制带锚栓及压板形式计算锚栓拉力，抑制带锚栓受力，见图6。

图6 抑制带锚栓受力方式

抑制带压板可简化为悬臂梁的计算，固定端为锚栓位置，悬臂长为图6中B，荷载为Rsc。

2.2.6 门叶结构设计

门叶结构由弧形面板和多道加劲肋组成， 1道肋板可视为1道由面板兼做翼缘的T型梁。肋板可采用有限元整体分析计算或按简支连续梁计算，按简支连续梁计算时，单道T型梁可假设为一跨带悬臂的连续梁，门叶与铰链连接位置为第一个铰接端，气囊支撑中点为连续梁的另一个支点。通过计算连续梁弯矩、剪力进行截面设计。

3 工程算例与分析

贵阳市南明河段共设置四座气动盾形闸门，闸门高度为8.0 m，门顶过水深0.3 m，一扇闸门由双气囊重叠支撑，每扇闸门宽10.0 m。

3.1 弧面半径选定

弧面半径按18.0 m、19.0 m、20.0 m三组进行对比计算。初步假设气囊与门叶接触弧长为3.0 m。本工程闸门高度较大，初步采用双气囊设置方案。计算结果见表1。

表1 不同弧面半径时气囊内压力、表面张力和主锚栓反力计算结果

经对比分析，气动盾形闸门在气囊形状相同的情况下，整个闸门系统受力变化较小，出于美观考虑本工程闸门弧面半径采用19.0 m。

3.2 气囊及主锚栓反力计算

本工程按气囊与门叶面板接触弧长为2.8 m、3.0 m、3.2 m分别按单气囊和双气囊验算气囊内压、气囊张拉和主锚栓反力。计算结果见表2。

表2 不同气囊半径时气囊内压力、表面张力和主锚栓反力计算结果

计算结果显示本工程采用单气囊时张力过大材料强度不满足要求，宜采用双气囊。气囊接触面积越大表面张力和主锚栓反力越小，对应气囊材料使用量将增加，综合考虑本工程接触长度取3.0 m，在这个范围内可以充分利用气囊材料的强度并预留一定安全系数，主锚栓反力可采用工程措施传递给基础。

门叶结构、铰链、夹具、抑制带、主锚栓等部分根据前述方法计算荷载，根据荷载选取截面，计算方法不做具体介绍。

4 结 语

气动盾形闸门是由国外引进的一种新型闸门，目前国内有不少厂家在设计生产，但缺少相关理论计算依据，设计单位对厂家的依赖程度大，在实际工程中由厂家提供整套设备及主锚栓、抑制带锚栓反力；设计单位关注门叶结构的设计验算，忽略夹具、铰链、气囊、基础反力的验算复核。本文从结构受力分析出发介绍的计算方法比较合理的反应气动盾形闸门的实际受力情况，对设计提供一定的帮助。