基于底軸結構最優化的底軸驅動翻板閘門設計方法

楊貴海，陳衛，江凌，應國華

(中鐵水利水電規劃設計集團有限公司，江西 南昌 330029)

底軸驅動翻板閘門適用于大跨度孔口閘，國內在攔水工程、城市水環境和水生態整治中得到廣泛應用。目前有關該門型的研究成果較少，主要包括大跨度孔口閘各門型特點及工作原理介紹、歸納總結其各自的適用條件[1-3]和具體工程應用[4]，閘下水流流態[5]及動力特性研究[6]等方面。趙月芬等[7]闡述了升臥式閘門、氣動盾形閘、鋼壩閘、液壓升降壩及合頁活動壩的工作原理及結構特征，并對比分析了其地基要求、土建工程量、安裝難度及工程造價等方面。盧新杰等[8]以蘇州河河口水閘工程為實例，對閘門水下結構防腐、底軸卡阻及門后補氣等問題開展了研究。嚴根華等[9]對底軸驅動翻板閘門的若干關鍵技術問題及工程措施進行了較為深入研究，包括閘門的受力和變形特性、結構的不均勻沉降、通氣孔設置和門頂破水器體型布置等。以上研究成果涉及閘門結構設計的較少，未形成完整的設計思路。針對新型閘門缺乏設計參考，本文結合工程設計實例，在深入分析底軸驅動翻板閘門運行工況后，以底軸結構設計為切入點，總結出一種適用于該門型的設計思路，并對設計中常見的技術問題如檢修難等方面做了些探討，可為設計工作提供參考。

1 設計工況的確定

底軸驅動翻板閘門主要由底軸、門葉、支鉸座、驅動臂及液壓啟閉機組成，結構如圖1所示，啟閉機通過驅動臂驅動底軸旋轉實現閘門的開關。

底軸驅動翻板閘門有閉門擋水、臥倒行洪、閉門過程及開門過程4種運行工況。顯然閘門在閉門過程中的受力大于開門過程，而臥倒行洪和閉門擋水可認為是閉門過程的起始和終止狀態。閘門主要的受力件有門葉、底軸、驅動臂和支鉸座，其中驅動臂和支鉸座的受力均來自底軸，底軸的受力還決定了啟閉機容量，門葉為主縱梁結構，其受力僅和擋水高度有關，和孔口寬度無關，受力簡單。因此論文僅對閉門過程中閘門底軸受力進行分析，以作為確定其設計工況的依據。

某工程泄水閘工作閘門采用底軸驅動翻板閘門，孔口寬度為B，邊墻厚度為S,閘門擋水高度為h(底軸中心到水面高度)，河間均勻布置河間支鉸座n個，底軸外徑為D，假設穿墻套作用等同支鉸座。根據閘門運行工況，底軸除承受扭轉外，還承受彎矩和剪力作用。由于閘門閉門過程中上、下游水位變化關系不明確，加之動水壓力及流激振動的影響，很難精確計算底軸受力,論文假設兩種理論工況進行分析。

1.1 第1種理論工況

理論工況：閉門過程中，閘門擋水高度為h，下游無水，設門葉和水平面夾角為θ(0°≤θ≤90°)。

(1)液壓啟閉機驅動力矩和水壓力P、重力G以及底軸與支鉸座之間的動摩擦力產生的力矩之和相平衡，底軸承受扭矩作用。

水壓力產生扭矩：

(1)

式中：T1為水壓力產生扭矩，kN·m；P為靜水壓力，kN；h為閘門擋水高度，m；θ為門葉和水平面夾角，(°)。

門葉重和水重產生的扭矩：

(2)

式中：T2為門葉重和水重產生扭矩，kN·m；G1為門葉重，kN。

摩擦力產生的扭矩：

(3)

式中：T3為摩擦力產生的扭矩，kN·m；G為門葉和底軸總重，kN；D為底軸外徑，m。

則底軸承受總扭矩：

(4)

式中：T為底軸承受總扭矩，kN·m。

(2) 水壓力P、重力G以均布荷載形式作用在底軸上，再通過n+2個支鉸座傳遞到底板，則底軸受力形式可簡化為n+1跨連續梁承受均布荷載，底軸承受彎矩作用。

(5)

式中：M為底軸承受彎矩，kN·m；B為孔口寬度，m；S為邊墻厚度，m；k為等跨連續梁在均布荷載作用下的最大內力系數；n為河間支鉸個數。

(3) 水壓力P、重力G以均布荷載形式作用在底軸上，再通過n+2個支鉸座傳遞到底板，底軸承受剪力。

(6)

式中：F為底軸承受剪力，kN。

1.2 第2種理論工況

理論工況：閉門過程中，上下游水位相同，擋水高度為h，設門葉和水平面夾角為θ(0°≤θ≤90°)。

(1) 液壓啟閉機驅動力矩和重力G、底軸與支鉸座之間的動摩擦力產生的力矩之和相平衡，底軸承受扭矩作用。

門葉重產生的扭矩：

(7)

摩擦力產生的扭矩：

(8)

則底軸承受扭矩：

(9)

(2)重力G以均布荷載形式作用在底軸上，再通過n+2個支鉸座傳遞到底板，則底軸受力形式可簡化為n+1跨連續梁承受均布荷載，底軸承受彎矩作用。

(10)

(3) 水壓力P、重力G以均布荷載形式作用在底軸上，再通過n+2個支鉸座傳遞到底板，底軸承受剪力。

(11)

1.3 實際工況

閘門閉門之前門葉處于臥倒狀態，河道敞泄，上、下游水位變化不大，底軸驅動翻板閘門利用液壓啟閉機啟閉，一般閉門時長在30 min以內，因此閘門在實際啟閉過程中，由于時間短，上下游難以形成較大水位差，因此可認為實際運行工況為：

(1)開始閉門臨界狀態，運行工況近似為θ=0°時的第2種理論工況。

扭矩：

(12)

彎矩：

(13)

剪力：

(14)

(2)閉門過程中，運行工況近似為θ=0°～90°時的第2種理論工況。

(3)閉門擋水時，運行工況近似為θ=90°時的第1種理論工況。

扭矩：

(15)

彎矩：

(16)

剪力：

(17)

底軸所受彎矩和剪力大小和河間支鉸座的布置及個數有關，考慮布置及底軸運輸、安裝等要求，河間支鉸設置間距一般為5～10 m，因此對于大跨度孔口閘，多支鉸的底軸所受彎矩和剪力較小，扭矩是控制底軸結構的主要受力。

比較計算式(12)～式(17)可知，閉門擋水狀態下底軸所受扭矩最大，應為設計工況。以上結論未考慮動水壓力及流激振動對閘門受力的影響，參考現行閘門設計規范，工程設計中可適當降低材料許用應力加以考慮或通過模型試驗加以分析。

2 閘門結構設計

2.1 底軸布置及結構設計

底軸作為底軸驅動翻板閘門的重要受力構件，在整個設備投資中占比較大，除液壓啟閉機外?？蛇_35%左右，且底軸尺寸決定驅動臂、支鉸座及穿墻套尺寸，因此合理設計其結構尺寸可優化閘門結構，減小工程投資。

2.1.1 底軸布置

底軸布置主要為確定其安裝高程。為了達到較好止水效果，設計上一般利用螺栓將底部止水橡皮壓在底軸頂部上游側形成密封，按此方案底軸頂會高出閘底板，如圖2(a)所示，該布置實際提高了閘底高程，減小了行洪斷面，需特別提請水工設計人員注意。當然也可降低軸頂至底板高程，從設計角度規避以上問題，布置如圖2(b)所示，但止水部位形成凹槽易淤積泥沙。另外也可采取如圖2(c)所示的布置方案，既可降低軸頂高程，也可避免淤積泥沙，底軸上需焊接支撐底止水的弧形板，結構稍復雜。

(a)常規方案 (b)優化方案一 (c)優化方案二

2.1.2 底軸、內外徑確定思路

底軸結構設計其實質是求滿足一定扭矩作用下用鋼量最優的底軸結構，底軸為空心軸，外徑越大，壁厚越厚，其抗扭能力越強，設底軸長度為L,外徑為D，內徑為d，則其體積V和抗扭截面系數W計算分別如式(18)和式(19)。

(18)

式中：V為底軸體積，cm3；D為底軸外徑，cm；d為底軸內徑，cm。

(19)

式中：W為抗扭截面系數，cm3。

可知，結構設計即求一定W下V的最優值，或者說是D2-d2的最優值，其中D和d為變量，綜合以上兩個算式可得最優底軸目標函數：

(20)

f(D)為單調遞減函數，理論上一定W下，外徑D越大，f(D)越小，即底軸用鋼量越小，越節約工程投資。實際上底軸外徑不宜過大，主要有以下原因：

(1) 底軸外徑增大導致與底軸配套的穿墻套、支鉸和驅動臂尺寸增大；

(2) 底軸外徑增大會增大加工難度，一方面對加工設備加工能力要求高，另一方面壁厚過小容易產生加工變形；

(3) 函數f(D)雖單調遞減，但為凹曲線，底軸外徑越大，其對底軸質量的影響越小。

一定W下，小直徑、大壁厚的底軸顯然不經濟，大直徑、小壁厚雖能減小底軸質量，但會增加其他附件質量，加大加工難度。因此底軸最優內、外徑應綜合考慮各因素后確定，一般底軸外徑應在凹曲線中間段斜率變化不大處取值。

2.1.3 階梯軸設計

底軸受河間支鉸的分布及自身加工、運輸和安裝的限制，一般單段長度不宜超過10 m，因此底軸需分段制造，運輸到工地現場后焊接組裝。根據底軸受力特點，其承受的扭矩兩端大、中間小，底軸可考慮設計成從兩端到中間壁厚逐段減小的階梯軸，一般比同壁厚軸可減小約15%用鋼量。

2.2 其他主要零部件設計應注意的問題

2.2.1 門葉

底軸驅動翻板閘門門葉為主縱梁結構，一般等間距布置。門葉承受水壓力作用，面板及次梁設計和平面閘門類似，主梁可按一端固定的變截面懸臂梁設計。需注意門葉結構設計時應滿足閉門擋水狀態下其重心和底軸中心在一條豎直線上。

2.2.2 支鉸座、驅動臂

河間支鉸座將底軸承受的力傳遞給閘底板，閘室支鉸座主要承受啟閉機反作用力，明確受力后，支鉸座結構設計可參考弧形閘門固定支鉸座的設計[10]。驅動臂受力來自啟閉機作用力，主要承受扭矩，應復核其與底軸連接部位的剪切強度。值得注意的是因底軸尺寸決定了支鉸座及驅動臂尺寸，底軸外徑及壁厚確定后，按構造要求設計的支鉸座和驅動臂(主要受力部位的壁厚和底軸壁厚相同)一般能滿足受力要求，這也側面說明了底軸結構設計的重要性。

3 工程實例

工程設計中應根據孔口寬度、擋水高度及驅動臂長度估算啟閉機容量，根據啟閉機容量計算扭矩，進而確定底軸及其他部件尺寸，再按式(12)～式(14)精確計算底軸受力，復核其結構強度及啟閉機容量。

某工程泄水閘采用底軸驅動翻板閘門,孔口寬度B=38 m，邊墻厚度m=1.25 m，閘門擋水高度h=7.2 m，經估算啟閉機容量為2×5 000 kN，底軸材料為Q235B,經計算所需底軸抗扭截面系數為W=2.8×105cm3(應力取值約為材料許用應力的75%)，以外徑D為橫坐標，函數f(D)為縱坐標，f(D)和D關系如圖3所示。

D/cm

可知，曲線斜率為負且隨著外徑D增大逐漸減小。若外徑取小值，則底軸結構接近實心軸，不經濟；若外徑取大值，底軸壁厚較小，加工變形不易控制，且底軸外徑增大對用鋼量影響隨著底軸增大越來越小。因此底軸外徑應在曲線中間段斜率變化不大處取值，本工程取165～190 cm之間值進行分析，不同外徑底軸性能參數如表1所示。

表1 不同外徑底軸參數

可知，6組底軸的抗扭截面系數相差不大，用鋼量隨著底軸外徑的增大近似線性遞減。本工程綜合考慮階梯軸要求壁厚不宜過小、大直徑難加工等因素，最終選取第4組為底軸結構參數。

底軸設計長度為46.5 m，分成6段，每段長度7.75 m，階梯軸按表2設計內外徑尺寸。

表2 階梯軸內外徑

較比采用等內徑底軸，階梯軸可節約用鋼量19.3 t，占總用鋼量的14.95%，具有較明顯的經濟效益。底軸結構確定后，以此為基礎設計其他部件，文中不再展開。

底軸重G1=1 148 kN,門葉重G2=637 kN,河間支鉸個數n=4，五跨連續梁在均布荷載作用下的最大內力系數k=-0.105，經復核計算結果如下。

4 檢修問題

底軸驅動翻板閘門適用于擋水頭不高的大孔口閘，由于孔口寬度大，設置疊梁檢修閘門成本高，且存在門體存放困難、難運輸、難安裝和影響景觀等問題，工程應用中較少采用。設計中必須綜合考慮工程實際，對于擋水高度低的可以考慮采用臨時設施擋水檢修或設置插裝式檢修閘門，也可以從設計上采取其他措施使閘門設計滿足規范合理使用年限要求。

4.1 插裝式檢修閘門

插裝式檢修閘門[11]適用于大跨度低水頭場合，主要構件為立柱和門葉，結構如圖4所示。檢修閘門利用預留的孔插裝立柱作為門葉支撐件，單節門葉插入立柱上門槽內以擋水，為工作閘門檢修提供干地條件。該閘門拆、裝簡單，平時放置于庫房，檢修時臨時安裝擋水。

圖4 插裝式檢修閘門

4.2 設置泄洪沖沙閘

底軸驅動翻板閘門用于河道泄水閘時，可在適當位置另設泄洪沖沙閘，其底板較泄水閘低，不但能沖刷淤沙，加大行洪斷面，且枯水期流量小時可通過泄洪沖沙閘過流，為該閘門提供干地檢修條件。

4.3 免檢修設計

底軸驅動翻板閘門免檢修設計重點在于閘門防腐及易損件更換。防腐應根據閘門合理使用年限進行設計，易損件主要指穿墻套止水件和河間底、側止水件，免檢修設計應注意以下幾點。

(1)結合防腐設計年限(一般20年)及水質情況，適當增大閘門主要受力零件的板厚；

(2)穿墻套止水件設置在內側，可在閘墩內啟閉機室更換；

(3)側止水設計成插拔式，在門體擋水時也可更換，詳見圖5；

圖5 插拔式側止水

(4)采取措施延長底止水使用壽命。止水橡皮采用抗老化的橡膠材料，底軸和止水橡皮接觸部位貼焊不銹鋼板，并提高表面加工精度以減小其與止水橡皮間摩阻力，止水壓板和螺栓件均采用耐腐蝕的不銹鋼材質。

5 防腐設計

對于具有檢修條件的底軸驅動翻板閘門，采用常規的噴鋅加封閉油漆防腐，一般可達20年防腐設計年限。對于沒有檢修條件的閘門，可采取犧牲陽極陰極保護和涂料保護聯合使用的防腐方式，增大防腐涂層厚度，并適當增大主要受力件板厚。對于需經常臥倒行洪的閘門，面板側的防腐涂層容易在行洪期間遭到洪水中的碎石和泥沙破壞，應在面板迎水側貼焊不銹鋼薄板，或采用復合不銹鋼板作為面板。

6 結論

(1)一方面底軸驅動翻板閘門作為水利工程中的擋水設施，其結構設計應安全可靠；另一方面底軸驅動翻板閘門造價較高，水閘工程金結設備投資?？蛇_30%，其設計不應過于保守。論文提供了一種底軸驅動翻板閘門的設計思路，先確定設計工況，再精確設計底軸結構，最后以底軸為基礎設計其他零部件，是一種安全且經濟的設計方法。論文所述的三種解決檢修問題的工程措施結合了工程實際，具有較強的實用性。

(2)文中結論僅為初步研究成果，仍有很多值得研究的地方，如探討不同孔口寬度和擋水高度組合下底軸最優內、外徑的推薦值，并形成系列供設計人員選擇；再如底軸驅動翻板閘門因其臥倒行洪的特殊工況，面板迎水面防腐問題也值得深入研究。