大型船閘人字閘門設(shè)計(jì)

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1、大型船閘人字閘門設(shè)計(jì)長(zhǎng)委設(shè)計(jì)院董國(guó)威吳小寧湯長(zhǎng)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55勞要考慮的是大于10次荷載循環(huán)之后的疲勞，低周疲勞考慮的則是在少于10次塑性應(yīng)變循環(huán)之后的疲勞。葛洲壩2號(hào)和3號(hào)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

2、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(guó)投入很大的人力物力對(duì)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)

3、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(duì)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

4、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(hào)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(guó)軍事工程師兵團(tuán)的大林格先生稱，在美國(guó)頂樞拉桿斷裂事故曾發(fā)生過多次。有關(guān)美國(guó)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

5、閘橫向軸線的夾角θ值的取值，尚無權(quán)威的論述。對(duì)于橫梁式人字閘門，前蘇聯(lián)取θ=20°，美國(guó)取θ=18?26''58″,我國(guó)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(duì)閘墻的橫向推力。我國(guó)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(guó)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(guó)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

6、），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(duì)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

7、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(guó)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(cè)（以下簡(jiǎn)稱手冊(cè)）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(cè)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

8、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