大型船閘人字閘門設(shè)計(jì)

2023年12月30日發(fā)(作者：耳聾基因篩查)

大型船閘人字閘門設(shè)計(jì)

長委設(shè)計(jì)院 董國威 吳小寧 湯長書 閆如義

1．人字閘門的主要特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思路

人字閘門是通航船閘中的工作閘門，只要船閘通航，人字閘門就會(huì)在較短的時(shí)間里關(guān)閉、開啟，結(jié)構(gòu)就將加載、卸載，在每次加載前和卸載后，人字閘門尚要承受扭矩的作用，這種荷載的循環(huán)，每天至少有20至50次。就工程結(jié)構(gòu)疲勞而言，高周疲勞要考慮的是大于105次荷載循環(huán)之后的疲勞，低周疲勞考慮的則是在少于105次塑性應(yīng)變循環(huán)之后的疲勞。葛洲壩2號和3號船閘人字門運(yùn)行10年后，門葉結(jié)構(gòu)底部五根主橫梁兩端的上、下翼緣與豎隔板上、下翼緣的連接處都先后出現(xiàn)裂紋。經(jīng)初步分析，這種裂紋是由低周疲勞引起的，參考有關(guān)船體結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞的研究，人字閘門的設(shè)計(jì)者也已開始重視腐蝕疲勞的危害。

有人認(rèn)為，引起疲勞開裂的主要荷載是開關(guān)門過程中壅水，尤其是推趕淤積的泥砂所引起的。根據(jù)有限元分析，門體此時(shí)的應(yīng)力只有關(guān)門擋水時(shí)的10%，如果肯定是趕水和趕泥引起的，此時(shí)怎么可能引起斜接柱端的下部主梁開裂？多年來我國投入很大的人力物力對大型人字門開展有限元研究分析和水彈性材料的模型試驗(yàn)，但都沒有涉及葛洲壩人字門運(yùn)行后開裂的問題，低周疲勞的研究仍然是空白，設(shè)計(jì)人員為什么不懷疑人字門反復(fù)承載和卸載會(huì)引起疲勞開裂呢，原因是開裂的部位在計(jì)算中都承受壓應(yīng)力，只承受壓應(yīng)力的構(gòu)件是不可能開裂的。

人字閘門在擋水狀態(tài)時(shí)，靠承壓條支承，把荷載傳向閘墻；在不擋水的開關(guān)門狀態(tài)，人字門是靠底樞和頂樞支承，這兩種狀態(tài)的支承理應(yīng)各負(fù)其責(zé)，并應(yīng)能迅速切換，而實(shí)際往往不理想，由于安裝的原因和承壓條及頂、底樞的磨損，都會(huì)影響這兩種支承的明確切換，尤其是人字閘門處于全關(guān)擋水狀態(tài)時(shí)，頂?shù)讟胁坏荒芡耆顺龉ぷ鳎疫€將承受更大的荷載。此外，閘墻上的枕墊塊，由于非正常的原因，造成對門軸柱上的支墊塊的阻擋（通常稱為支枕墊塊的擠卡），如果此時(shí)啟閉機(jī)繼續(xù)關(guān)閉人字門，根據(jù)杠桿原理，則頂樞承受的荷載將是8倍以上的閉門推力。頂樞拉桿因這類超載，以及材料存在裂紋或其它銳切口或缺陷，而使頂樞拉桿脆性斷裂的例子并非個(gè)別現(xiàn)象，葛洲壩2號船閘下閘首左人字門頂樞A桿在運(yùn)行半年后突然斷裂，美國軍事工程師兵團(tuán)的大林格先生稱，在美國頂樞拉桿斷裂事故曾發(fā)生過多次。有關(guān)美國船閘人字門頂樞和底樞因上述超載而失事的例子，尚未見公開報(bào)導(dǎo)，但是，我們發(fā)現(xiàn)葛洲壩船閘人字門底樞頂蓋與底梁相聯(lián)的鉸孔螺栓都有明顯的剪切變形。這種現(xiàn)象一方面說明鉸孔螺栓不能與剪力板共同工作，另一方面也說明底樞嚴(yán)重超載。如果沒有剪力板作為安全儲(chǔ)備，底樞失事在所難免。

2．人字閘門的平面布置

2．1．θ的取值

兩扇人字閘門擋水狀態(tài)下，在平面上形成一個(gè)三鉸拱，每扇閘門與船閘橫向軸線的夾角θ值的取值，尚無權(quán)威的論述。對于橫梁式人字閘門，前蘇聯(lián)取θ=20°，美國取θ=18?26''58″,我國葛洲壩取θ=22.5°。葛洲壩在選用θ=22.5?時(shí)主要是為了減少人字門對閘墻的橫向推力。我國有很多中小型船閘都取θ=20?。θ值都取同一個(gè)數(shù)值，這無疑是有利于船閘人字門結(jié)構(gòu)和另部件的標(biāo)準(zhǔn)化。我們還注意到巴拿馬運(yùn)河船閘從1914年開始運(yùn)行，它的人字閘門一直是二十世紀(jì)世界上較大的人字門，它是由美國設(shè)計(jì)的，取θ=26?33''54"（1:2）。據(jù)現(xiàn)有資料發(fā)現(xiàn)，美國在第二次世界大戰(zhàn)后新建的人字閘門，不再取θ=26?18''54"（1:2），而取θ=18?265.8"（1:3）。

從1:2改到1:3，尚未見到詳細(xì)論證資料，但經(jīng)初步推算可以發(fā)現(xiàn)，巴拿馬人字門在關(guān)門擋水時(shí)的壓力線已越出主梁的輪廓線，主梁高度偏小，截面設(shè)計(jì)很不合理。如果采用1:3，使θ值減小8?8''后，主梁輪廓線已包圍了壓力線，主梁截面比較容易設(shè)計(jì)。至于人字門在開關(guān)過程中的整體抗扭剛度，應(yīng)該主要對背拉桿施加預(yù)應(yīng)力或布置扭矩管來解決，用增加人字門的厚度去增加人字門的抗扭剛度其效果不明顯。相反，這會(huì)給主梁的截面設(shè)計(jì)帶來難度。

2．2．旋轉(zhuǎn)中心的最佳位置

如何確定旋轉(zhuǎn)中心的位置，是人字閘門平面布置的另一個(gè)關(guān)鍵問題。旋轉(zhuǎn)中心都偏向三鉸拱支鉸總推力線的上游側(cè)（見圖1）。

這種布置的目的是使門軸柱上的支墊塊在閘門進(jìn)入全關(guān)位置時(shí)，能迅速與枕墊塊接觸，使蘑菇頭不承受人字門擋水時(shí)的拱推力；而在人字門開啟時(shí)，又能迅速脫開，使蘑菇頭恢復(fù)它在門葉旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)的支承作用。該偏離值一般采用30～100mm。美國陸軍工程師兵團(tuán)1984年版的“船閘閘門和啟閉機(jī)”設(shè)計(jì)手冊（以下簡稱手冊）中建議采用177mm（7"）。按幾何關(guān)系，門葉的旋轉(zhuǎn)中心應(yīng)該在關(guān)門狀態(tài)的門軸線與全開門狀態(tài)的門軸線形成夾角的分角線上（見圖1），手冊中提出，從支枕墊的支承中心向該分角線作垂線，所得的交點(diǎn)即是旋轉(zhuǎn)中心的最佳位置。我們認(rèn)為，上述方法確定的旋轉(zhuǎn)中心離支枕墊的支承中心最近，所以，當(dāng)門葉旋轉(zhuǎn)角速度取同一值時(shí)，該旋轉(zhuǎn)中心只會(huì)使支承中心的線速度最慢，達(dá)不到迅速接觸或脫離的目的。通常，在底橫梁端部布置允許的前提下，旋轉(zhuǎn)中心應(yīng)盡量向三鉸拱支鉸總推力線上游側(cè)多偏一點(diǎn)。

3．人字門門體結(jié)構(gòu)

我國的人字門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在20世紀(jì)七十年代以前，受前蘇聯(lián)的影響，70年代后開始局部接觸從美國收集來的有限資料，葛洲壩船閘的人字閘門結(jié)構(gòu)就是在這

樣的情況下完成設(shè)計(jì)的。葛洲壩1號和2號船閘下閘首人字門寬19.70m，高34.10m，無論當(dāng)時(shí)還是如今，都是世界上規(guī)模最大的人字門之一。通過近20年的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)了一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的問題，參考國內(nèi)外科研部門的研究和文獻(xiàn)資料，提出我們的一些初步改進(jìn)意見，供設(shè)計(jì)參考。

3．1．人字門結(jié)構(gòu)的材料選擇

人字閘門的門體結(jié)構(gòu)采用什么鋼材，在國內(nèi)外工程實(shí)踐中有多種考慮。在美國，除了人字門的面板和背拉桿采用低合金鋼（σs=350MPa）,其余全用結(jié)構(gòu)碳素鋼（σs=250MPa），采用結(jié)構(gòu)碳素鋼的理由是門體的剛度比采用低合金鋼的要大。不管門體是高是矮，美國的人字門結(jié)構(gòu)都圖1人字閘門旋轉(zhuǎn)中心平面布置

采用這兩種鋼材。葛洲壩船閘的人字門結(jié)構(gòu)全部采用16Mn，2號和3號船閘運(yùn)行9年后都先后發(fā)現(xiàn)門葉下部5～6根主橫梁兩端的上下翼緣有裂紋，在1997年3月，2號船閘抽干檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)下閘首左門的主梁下翼緣有貫穿裂縫，裂縫位于第二根主梁門軸柱端，緊靠背拉桿節(jié)點(diǎn)板邊緣，該節(jié)點(diǎn)板與主梁下翼緣搭接。自從發(fā)現(xiàn)這種裂紋和斷裂后，在三峽人字門的設(shè)計(jì)中將易出現(xiàn)裂紋的部位，采用園滑過渡，且不布置焊縫；節(jié)點(diǎn)板不再與主梁下翼緣搭接，改用對接。在材質(zhì)選擇上，三峽船閘人字門主橫梁的全部下翼緣和邊柱部位的上翼緣，采用船用鋼板DH32，預(yù)應(yīng)力背拉桿采用船用鋼板DH36，其余都采用Q345C。船用鋼板具有良好的沖擊韌性，此外，還具有較高的強(qiáng)度，良好的水下耐腐性和表面質(zhì)量。

3．2．分組荷載法設(shè)計(jì)主橫梁

主橫梁的設(shè)計(jì)在過去習(xí)慣采用等荷載法，當(dāng)閘門較高時(shí)，上部主橫梁因無法根據(jù)等荷載原理隨意地加大主橫梁的間距，導(dǎo)致上部主橫梁的應(yīng)力較低，達(dá)不到等荷載設(shè)計(jì)時(shí)要求所有主橫梁的變形基本一致的意圖。所以等荷載設(shè)計(jì)中的豎向隔板將承受較大的荷載。除了等荷載法，國外也常使用分組荷載法，每2～4根主橫梁采用同一種荷載，每一種荷載的大小自下而上遞減，主橫梁的這種設(shè)計(jì)法使上部主橫梁和下部主橫梁的應(yīng)力基本相近。用分組荷載法設(shè)計(jì)主橫梁比等荷載法更加合理。但是，由于主橫梁規(guī)格較多，會(huì)給制造廠帶來一些小麻煩。

3．3．主橫梁高度的選擇

前蘇聯(lián)在“船閘與船塢的閘門設(shè)計(jì)規(guī)范”中建議橫梁式人字門主梁的高度取門寬的1/8～1/10。美國軍事工程師兵團(tuán)的設(shè)計(jì)手冊中規(guī)定主梁腹板高度等于門寬的1/8～1/15，且規(guī)定梁高最小值為1200mm。主橫梁的高度除了考慮門葉整體剛度外，還應(yīng)考慮主梁的高度與拱的壓力線有很直接的關(guān)系，如果選擇偏小或偏大，主梁截面的中和軸都將遠(yuǎn)離拱的壓力線，此時(shí)，再靠調(diào)整上、下翼緣的截面積，很難使中和軸靠近拱的壓力線，致使主梁載面上的應(yīng)力分布很不合理，根據(jù)這種想法，主梁腹板高h(yuǎn)0=(1.3～1.4)?DF+a(圖 2)比較合理

如果門葉較高，則取上限。（圖2）所示的弧線AB是近似的拱的壓力線，它是以R為半徑，對角為2θ的園弧線。

當(dāng)人字門門葉較高時(shí)，為了提高門葉的整體剛度，往往將主梁高度的取值偏大，如果θ值也偏大，則主梁高度也隨著要增加。主梁高度的增大將導(dǎo)致腹板的截面積占了主梁絕大部分截面，不但使主梁上下翼緣的截面積較小，較難利用上下翼緣調(diào)節(jié)主梁中和軸，使其靠近拱的壓力線，而且要用較多的材料加固腹板，以保證腹板的局部穩(wěn)定。所以，主梁高度主要應(yīng)根據(jù)三鉸拱的壓力線來確定。

3．4．主橫梁截面的設(shè)計(jì)

主橫梁的截面設(shè)計(jì)是以人字門擋水狀態(tài)為控制條件的，此時(shí)，左右兩扇門的每一對主橫梁在平面上形成一個(gè)三鉸拱，主橫梁正處在三鉸拱壓力線上。主橫梁腹板等高段的截面，過去往往設(shè)計(jì)成等截圖2人字閘門主橫梁在水平面上的主要參數(shù)面的，為了照顧到跨中和端隔板之間各截面，跨中的下翼緣和端隔板處的上翼緣會(huì)出現(xiàn)最小壓應(yīng)力，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力，而同一截面上的最大應(yīng)力卻接近允許應(yīng)力，同一截面上的應(yīng)力差別很大，沒有拱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。實(shí)際上，只要相對地改變主梁上、下翼緣的截面尺寸，就可以得到兩種以上的截面尺寸。通過試算，各截面的中和軸可以非常接近拱的壓力線（圖2）。由于拱的壓力線很接近中和軸，各截面上因軸向力偏心所產(chǎn)生的彎矩都很小，由該彎矩所產(chǎn)生的最大應(yīng)力，可以控制在只有軸向壓應(yīng)力的10～20%之間，同一截面上的應(yīng)力差異縮小了，材料強(qiáng)度得到了充分利用。在同樣材料的前提下，采用這種設(shè)計(jì)方法可以明顯地降低應(yīng)力幅值，從而提高了主橫梁的抗疲勞能力。

3．5．主橫梁端部和邊柱設(shè)計(jì)

人字門擋水時(shí)，可以按主橫梁的數(shù)目圖2 人字閘門主橫梁在水平面上的主要參數(shù)簡化成多組水平布置的三鉸拱，而三鉸拱的拱推力，主要是靠推力隔板通過支枕墊塊傳到閘墻上（見圖3），也就是說，三鉸拱的支鉸反力并不是作用在主橫梁端頭的一個(gè)集中力，而是沿推力隔板作用在主橫梁端部腹板上的一組分布力。在門葉兩端布置上，推力隔板又是兩端的擋水面板，由于推力隔板的特殊作用，故應(yīng)將它的中心線布置在拱推力的作用線上，并使主橫梁端部腹板的上下邊緣線與推力隔板中心線的夾角盡量都呈θ角（見圖5），因主橫梁端部逐漸變小，通過推力隔板傳遞拱推力，采用經(jīng)典的材料力學(xué)較難分析主橫梁端部的應(yīng)力分布。所以，合理的端部結(jié)構(gòu)布置，將有利于簡化結(jié)構(gòu)受力分析，這是很重要的一步。

對主橫梁端部進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度驗(yàn)算，涉及強(qiáng)度驗(yàn)算的控制截面，設(shè)計(jì)者曾作過多種嘗試。美國軍事工程師兵團(tuán)的設(shè)計(jì)手冊規(guī)定，控制截面如圖4所示，在離端板內(nèi)側(cè)的距離為Z′處，該處的計(jì)算截面包括腹板、上下翼緣以及上下各8倍推力隔板的厚度。但是，推力隔板在端隔板處突然參加傳遞拱推力，這對該處的主梁腹板很不利，為此，1994年版的手冊增設(shè)了一項(xiàng)驗(yàn)算內(nèi)容，手冊規(guī)定，采用20%的推力隔板總荷載，橫截面為40%的主梁腹板高度及其相應(yīng)的厚度和該面積內(nèi)的加勁，據(jù)此，驗(yàn)算推力隔板與端隔板相交處主橫梁腹板的峰值應(yīng)力。這種較保守的設(shè)計(jì)規(guī)定，值得參考（見圖5）。

以往，設(shè)計(jì)者把端板與端隔板之間的豎向結(jié)構(gòu)視作彈性地基梁。在門葉擋水時(shí)，每一組主梁形成的三鉸拱的支鉸拱推力作為彈性地基梁上的集中荷載，按彈性地基梁的模式來分析門葉結(jié)構(gòu)的邊柱。由于梁的跨高比很小（梁的跨度和梁的截面高度之比），簡單彎曲理論所依據(jù)的應(yīng)力為線圖3主梁腹板端頭與推力隔板的關(guān)系圖

性分布的假定不再適用，所以，不應(yīng)采用這種方法。當(dāng)門葉在底樞和頂樞支承下自由懸掛時(shí)，門葉在底樞和頂樞之間的豎向結(jié)構(gòu)應(yīng)該視作一根柱子，我們稱它為門軸柱（見圖5），門軸柱承擔(dān)著門葉自重和加在門葉上的其它重量，門軸柱的截面積假設(shè)為圖5所示。由于頂?shù)讟兄行呐c門軸柱的中心不重合，所以門軸柱除了承受軸向力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力外，還承受因軸向力偏心產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。如果要驗(yàn)算推力隔板處的最大聯(lián)合應(yīng)力，則還應(yīng)再加上推力隔板作為擋水面板所產(chǎn)生的應(yīng)力。

綜上所述，推力隔板在人字門的邊柱中起了非常重要的作用，主要有四點(diǎn)：

(1) 把門葉擋水時(shí)產(chǎn)生的三鉸拱推力轉(zhuǎn)變成線荷載，直接通過支枕墊塊傳向閘墻，——承受支承應(yīng)力。

(2) 它和部分端隔板一起，形成邊柱的擋水面板，——承受面板彎曲應(yīng)力。

(3) 推力隔板的一部分，是門軸柱的腹板——承受柱的應(yīng)力。

(4) 主橫梁的支鉸反力不是一個(gè)集中力，它是沿推力隔板傳向主橫梁端部腹板的一組分布力——承受剪應(yīng)力。

根據(jù)推力隔板的上述作用，設(shè)計(jì)者可以應(yīng)用材料力學(xué)的基本原理驗(yàn)算下列部位的組合應(yīng)力：

(1) 在推力隔板與端板的聯(lián)接處，驗(yàn)算支承應(yīng)力加上面板彎曲應(yīng)力的組合應(yīng)力；