结构布置与方案比选：优化技巧

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：支臂结构为箱形截面，竖杆和斜杆为由2个槽钢构成的空腹式结构。

鉴于弧门结构尺寸较大，运行要求高，设计中对结构布置的优化，特别是挡水门叶分节、支臂（主梁）数量及位置、支铰形式选择、三维有限元计算复核、制造安装等方面进行了研究分析。弧形闸门结构如图2所示。

3.1.1　门叶分节与梁系布置

喜河表孔弧门高度约为门宽的1.6倍，在门宽小（小于10m）的情况下，门叶选用主纵梁布置（即纵向分节）较合理，但如在门宽较大时，门叶重量并不减少；再者门叶如采用主横梁布置（即横向分节），纵、横次梁与主横梁在面板侧形成同层梁系结构，可增强门叶结构的整体刚度，同时，主横梁布置方案通常采用横向分节，便于制造、运输，在现场安装焊接易于控制精度。因此门叶选用主横梁布置方案。

3.1.2　支臂数量的比选

图2　弧形闸门结构总图（单位：高程m；尺寸mm）

首先考虑双主梁双支臂按接近等荷载布置，但考虑弧形闸门高度较大，若双支臂按等荷载布置，在上支臂以上的门叶悬臂段将很大，其刚度很难保证，因此设计中进行了双支臂与三支臂结构的比较。双支臂结构要保证门叶上悬臂段刚度显然需采取某些措施，或悬臂段加设支撑结构或采用主梁较大不等荷载布置，从结构布置的合理性与经济性看都不如三支臂结构。三支臂的优点是：门叶上悬臂段减小，三支臂受力趋于均匀；闸门刚度较大，有利抗震；闸门重心靠近支铰中心，有利降低启门力。其缺点是制造要求高。支臂结构是表孔弧门的关键部件，支臂为一偏心受压柱，除应满足强度要求外，还应在外力作用下不失去稳定。三支臂结构对设计计算和设备制造来讲要相对复杂一些，但其刚度大，有利于抗震，对有局部开启的弧门尤为重要，经过计算分析比较，最后选定采用三支臂结构。

3.1.3　支臂位置的优化

三支臂与三主梁在弧门径向构成上、中、下三个八形主框架。主框架截面形式为箱形焊接结构。为使闸门在全关状态下，总水压力的合力作用线垂直于支铰底板及混凝土牛腿面，中支臂选择位于总水压力合力作用线附近略向下，上、下支臂按等角度布置。为了减少上悬臂段挠度，设计时将上主梁尽量向上布置，下主梁在满足主梁下翼板与底坎水平夹角及结构布置条件下尽量下移，使三主梁对支臂受力趋于均匀（Px＝6230kN，Pz＝7780kN，Ps＝7145kN）。上述三个支臂轴力采用三角形荷载以三主梁作为支点，用弯矩分配法计算出支承力，并应考虑闸门自重和启门力的作用。支臂结构为箱形截面，竖杆和斜杆为由2个槽钢构成的空腹式结构。主梁及支臂的单位刚度比值为7.06。

3.1.4　支铰形式的选择

支铰作为弧门的关键部件，经比较和对近年建成的大型弧门支铰形式及运行情况的调研，决定采用球形铰。这种铰采用球面滑动轴承，首先其与闸门计算假定的铰接点一致，支臂的计算应力较符合实际。另外，由于其承载力大，体积小，使固定铰座和活动铰链的尺寸和重量，比圆柱铰减轻约35%左右；球面滑动轴承的最大优点是自动调整能力强，这对大孔口弧门既便于安装又可消除安装中可能存在的误差，同时也可适应本工程表孔坝段由于跨中分缝可能对支铰的影响。

3.1.5　其他结构布置及零部件设计

闸门材料采用Q345B，支铰材料采用ZG310－570，支铰轴材料为40Cr，轴承以高强度铜合金为基体，镶嵌有固体润滑剂，能实现良好的自润滑。

侧水封为L形水封，其接触面积小，止水效果比较理想。为保证闸门运行平稳，闸门侧向间隙取5mm，闸门全开时，保证2对侧轮尚在闸槽内。在闸门支铰处及液压启闭机油缸上支点处均设有检修钢平台，上支臂设有栏杆，上主梁至下主梁间，设有钢爬梯，以便检修人员行走。

结构布置与方案比选：优化技巧

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