水工弧形钢闸门设计程序计算研究

陈 宝

（蚌埠市水利勘测设计院有限公司 蚌埠 233000）

弧形钢闸门是水工建筑结构中的重要组成部分之一，其作用是表孔闸门调节上下游水位，中孔闸门发电及底孔闸门排除沉沙。通常手工设计一套闸门需要40 个工日，而采用大型通用软件设计使用效率不高，处理细节不到位。基于此，本文针对这一具体工程建设需求进行MATLAB 算法研究，目的是针对弧形钢闸门计算以及校核，提高设计的质量和速度，完成弧形钢闸门分析算法设计。

1 系统架构

本文设计程序主要目标是可以进行对多个参数的计算，对水工弧形钢闸门进行结构分析，主要部分见图1。

图1 水工弧形钢闸门功能框图

2 弧形钢闸门结构分析

2.1 弧形钢闸门组成

普通钢闸门由面板、框架、支撑行走部件、吊具和止水构件等主要部件组成。

（1）面板：封闭孔的上游面，直接承受水的压力，然后将其传输到框架。

（2）框架：具有足够强度和刚度的结构，以支撑面板并将水压从面板转移到支撑部件。

（3）支撑行走部件：将力从框架传递到土建结构上，保证了闸门运动的灵活性和可靠性。

（4）吊具：连接到封闭装置的部件。

（5）止水构件：用于封堵门叶与闸门埋件之间缝隙的构件，以便在闸门关闭时不发生渗漏或将渗漏减至最小。

2.2 主横梁框架的形式

主横梁式弧形钢闸门在配置上，双主梁一般遵循均等负荷原则，可以分为以下种类（见图2）：

图2 主横梁式弧形钢闸门分类图

a 型结构形式简单，便于安装和制作，相对钢铁消费量大，经济效益不好。因此，现在除了限制了闸门高度的水门以外几乎没有使用。

b、c 型由于主梁悬臂部分（一般取悬臂梁长度的1/5 左右）的负弯曲力矩，主梁中的弯曲力矩减少，从而节约了钢材的使用。但是，b 型由于倾斜杆增加了横向推力，所以臂和支撑相对复杂。相反，c 型的结构更简单，只要有一定的土建支持条件就可以配置。

2.3 梁格配置

梁格被用作传导和支撑面板。其主要配置类型是简式（纯主梁）、普通式和复式。对于梁格的配置，垂直梁的间隔通常为1～2m，但是如果主梁是桁架结构，则垂直梁的间隔必须与桁架一致。水平次梁的间隔通常在0.4～1.2m 之间。根据水压的变化，采用上下紧密的配置。梁格连接分为层叠连接和齐平连接。

2.4 闸门结构设计

弧形钢闸门的构造设计包括水压负荷计算、面板计算、主梁计算、水平次梁计算、支臂计算。在整体设计中，根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）进行结构稳定检查。

2.4.1 门上的负荷和内力分析

闸门主要受的力有闸门的自身重力、水的压力和启闭力等。在考究闸门的时候，须计算挡水和泄水两种状态。闭合闸门储水的时候，可以把静水压力看成两部分：水平分力和垂直分力。除来自面板的水压外，门背连接系统或起重槽可以承受门自重G。自重被认为是分布在上下流的重型槽之间的均匀负荷。本次的研究也另外考虑了波压的影响。

2.4.2 启闭力计算

弧形钢闸门的启闭力设计流程：

闭门力按式（1）计算，如最后的值为正时，则需要增加重量；若为负值时，则可以用自身的重力关上。

启门力计算：

2.4.3 面板设计

根据强度条件σmax≤α[σ]，面板厚度的计算如下：

对于设计计算面板的步骤可以与水平梁的配置一起进行，因为面板自身重量大，钢材达到节约的效果，用薄一点的钢板做面板。但为满足生锈的余量，一般不能取8～16mm。

2.4.4 次梁设计

根据能承受的最大负荷，面板可以直接连到水平次梁，受到面板的水压。

计算均布负荷后，制作弯曲力矩的剪切图，可获得水平梁的最大弯曲力矩、最大剪切力。由此求出的横截面积系数，即：

再根据此截面模量选择满足要求的最小梁高hmin，一般受力不是很大，所以经常采用槽钢。

最后，将二次梁的弯曲力矩最大化，进行耐弯曲试验，如果满足，次梁横截面积的选择完成。

2.4.5 主横梁结构计算

首先，完成主梁的均布负荷：

对力进行剖析之前，要再次确认主梁的截面，按照所挑选截面的各尺寸，求主梁的截面惯性力矩。具体如下：

截面静矩：

惯性矩：

利用推论，如果y 轴通过形心（即=0），则静矩Sy=0；同理，如果x 轴通过形心（即=0），则静矩Sx=0，相反来看也正确。结合主梁横截面积的配置方向，必须检查其前翼缘、后翼缘、前翼缘和腹板的连接部和后翼缘和腹板的连接部。

抵抗矩：

基于这个利用叠加原理。在相同结构的示意图中，各负荷的整体作用效果等于各负荷各自作用的效果之和。这里所说的“效果”也适用于构造的支撑反力（即外力），适用于构造上相同的断面（即内力）。可以绘制弯矩图。

找到弯曲力矩和剪切力的最大部分，进行主要梁截面的稳定性计算，但主要的杆结构的机械臂一般是对称配置，因此需要稳定计算其中的部分和支臂的连接部。

2.4.6 支臂结构计算

支臂一般分为单腹式和二腹式，其断面一般相对于x 轴和y 轴对称，因此惯性力矩的计算更简单，计算过程用相同的主要横梁计算。但是，支臂计算除了需要计算其弯曲力矩、冲头之外，由于是轴方向的受力部件，长度大，所以需要进行长度和细度比的验算、是否稳定的验算。

判断框架平面是否稳定，依据公式（13）解出需要的计算长度：

3 弧形闸门计算

3.1 荷载计算步骤

（1）获取基本数据HS、HO、HD、LY、L、R；

（2）通过利用三角函数求解出闸门的多个夹角Q1、Q3、QA；

（3）根据Q1 和Q3，使用IF 语句判断闸门形式，选择水压力计算方法；

（4）根据得到的参数，进行闸门的简图绘制，直观显示。

3.2 面板计算步骤

根据上面计算的负载，需要定义梁格的尺寸，计算步骤如下：

（1）输入梁格尺寸a、b 和正应力【σ】；

（2）弹塑性调整系数；

（3）根据弹出式菜单中值的不同，从不同的table 表中选取k 的值；

计算完成后，继续计算次梁。

3.3 次梁计算步骤

水平次梁直接与面板相连，承受面板的均匀水压载荷，可以根据梯形分布进行计算。整个结构中有许多次梁。由于次梁的应力不是很大，因此可以使用相同类型的槽钢进行计算，并且可以使用载荷最大的次梁进行计算。另外，底梁和顶梁的计算略有不同，可以分别计算。该界面可以自动读取槽钢参数表、选择型号、并完成强度和挠度检查计算。否则，界面将重新选择模型并再次计算，直到满足条件为止。次梁计算步骤如下：

（1）计算次梁的水压力P；

（2）计算次梁的最大弯矩：Mmax=0.107ql2；

（3）计算截面模量：W次=Mmax/[σ]，自槽钢材料库中，选择接近W次的型号，并读取它的基本信息；

（4）面板参与次梁的有效宽度：B次≤b次+60t；

（5）组合截面相关参数，组合截面的面积A，组合截面惯性矩 I次、截面模量W次；

（6）次梁强度验算：σ=Mmax/W次≤[σ]；

（7）次梁的挠度验算：w/l ≤[w/l]。

3.4 主梁计算步骤

由于需要对主梁截面进行第一次选择，而选择的大小不符合使用要求，所以首先需要对主梁截面选择。填写完尺寸后，再跳转到支臂的选择画面。主梁设计图见图3。

图3 主梁设计图

3.5 框架计算步骤

主梁和支臂的检查计算不仅基于各自的应力计算，而且还需要进行整体分析。它包括检查在最大弯矩和剪切力下的截面应力的计算，检查整体稳定性的计算，检查局部稳定性的计算以及折算应力验算。仅当满足所有条件时，设计才可以完成。否则，跳回到主梁和次梁的截面选择界面，然后重新输入参数。所有的步骤仅需要键入主梁容许挠度，便能够进行所有的过程并得出结果。后将主梁和支臂数据补充查看结构是否满意。在对基于MATLAB 平台的算法实现后进行仿真，效果见图4。

图4 框架结构验算界面图

4 结语

计算机辅助程序以计算机形式输出，结果清晰易懂。计算速度快、准确，系统接口简洁明了，满足规范和实际工程要求，大大缩短了计算者的计算时间，提高了效率，具有较高应用价值■