潁上復(fù)線船閘人字門預(yù)應(yīng)力背拉桿設(shè)計(jì)與研究

陳洪濤

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院合肥230088）

潁上復(fù)線船閘人字門預(yù)應(yīng)力背拉桿設(shè)計(jì)與研究

陳洪濤

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院合肥230088）

通過對國內(nèi)人字門背拉桿的分析與研究，穎上船閘人字門設(shè)計(jì)選用了預(yù)應(yīng)力背拉桿，并結(jié)合有限元分析，對背拉桿結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而有效地提高了閘門剛度，減少了閘門變形。背拉桿為可調(diào)式，以實(shí)時(shí)調(diào)整閘門運(yùn)行產(chǎn)生的變形。可調(diào)式預(yù)應(yīng)力背拉桿技術(shù)在安徽省船閘人字門上尚屬首次應(yīng)用。

人字閘門 背拉桿 預(yù)應(yīng)力 三維有限元

1工程概述

潁上船閘位于沙潁河入淮河口（沫河口）上游45km處，上距阜陽船閘78.5km，為沙潁河航道下游的最后一級船閘。潁上樞紐為Ⅱ等大（2）型水利工程，復(fù)線船閘級別為Ⅳ級，上閘首防洪，單向擋水。復(fù)線船閘閘室尺度為200m× 23m×4m（長×寬×門檻水深）。按照《船閘閘閥門設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ308-2003）中第2.3.2.1條“承受單向水頭在靜水條件下啟閉的工作閘門，宜選用人字門”。設(shè)計(jì)選用船閘上、下閘首工作門均為人字形鋼閘門。上閘首單扇閘門外形尺寸（寬×高）13.8m×14.5m，下閘首單扇閘門外形尺寸（寬×高）13.8m×17.2m，上、下游最大水位差為7.96m。其下閘首人字門單扇門葉重量為190.5t，該人字門已達(dá)到大Ⅲ型人字門標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)模和設(shè)計(jì)水位差超過安徽省的已建工程。

2預(yù)應(yīng)力背拉桿的必要性

人字門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證在人字門開關(guān)過程中的變形都在彈性范圍內(nèi)。安徽省前期船閘人字門均采用非預(yù)應(yīng)力背拉桿。非預(yù)應(yīng)力背拉桿施工方便，直接焊接在門葉的翼緣側(cè)，能減少因自重而引起的閘門下垂，但對閘門的抗扭作用不大。對于中小型船閘，可以通過合理選擇門葉厚度，并焊接非預(yù)應(yīng)力背拉桿來提高門葉抗扭剛度，達(dá)到控制閘門的下垂和扭轉(zhuǎn)變形的目的。

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，新建船閘規(guī)模不斷增大，人字門外形尺寸及重量也不斷增加。目前，國內(nèi)在人字門背拉桿的研究已日臻成熟。對于大型閘門，一般采用設(shè)置預(yù)應(yīng)力背拉桿措施來提高門葉的抗扭剛度。

預(yù)應(yīng)力背拉桿是預(yù)先在背拉桿中施加一個足夠大的拉力，使得門葉在工作中，始終處于受拉狀態(tài)，從而提高門葉的抗扭剛度。

潁上船閘人字門門葉為邊柱半封閉、中間開口的薄壁式結(jié)構(gòu)，門體高度達(dá)17.2m，抗扭剛度相對較小，運(yùn)行過程中，自重、水壓以及風(fēng)壓產(chǎn)生較大彎矩，門葉產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形較大，門葉平整度無法保證，易造成承壓條異常磨損、閘門運(yùn)行卡阻、門葉關(guān)閉不嚴(yán)等現(xiàn)象，對閘門安全運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。故采用預(yù)應(yīng)力背拉桿來提高門葉的抗扭剛度。

3預(yù)應(yīng)力背拉桿結(jié)構(gòu)及布置

預(yù)應(yīng)力背拉桿分為可調(diào)式和不可調(diào)式：焊接式預(yù)應(yīng)力背拉桿不可調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)時(shí)，通過計(jì)算應(yīng)變來提供預(yù)應(yīng)力，存在一定的誤差，且受應(yīng)力時(shí)效性影響，即焊接應(yīng)力釋放后造成門葉變形等因素，難以達(dá)到設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)?？烧{(diào)式預(yù)應(yīng)力背拉桿具有重新預(yù)緊調(diào)節(jié)及維護(hù)更換的特點(diǎn)，故有著更好的實(shí)用性。

根據(jù)施加預(yù)應(yīng)力的方式，背拉桿型式有：端部拉錨式和中部花蘭螺母拉緊式。端部拉錨法適用于超大型人字門，可以提供更大的預(yù)應(yīng)力。中部花蘭螺母調(diào)節(jié)法對背拉桿的調(diào)試操作較為方便。

通過計(jì)算分析，潁上復(fù)線船閘下閘首人字門需要提供的預(yù)應(yīng)力不大，花蘭螺母所需轉(zhuǎn)矩采用100kN手拉葫蘆可以滿足，故采用花蘭螺母調(diào)節(jié)式預(yù)應(yīng)力背拉桿。

圖1 花蘭螺母調(diào)節(jié)裝置圖

花蘭螺母式調(diào)節(jié)裝置如圖1所示，其工作原理如下：主（副）背拉桿與左（右）旋螺母焊接為整體，通過旋轉(zhuǎn)花蘭螺母，調(diào)節(jié)左、右螺桿的嚙合長度來調(diào)節(jié)背拉桿的長度，達(dá)到預(yù)應(yīng)力背拉桿的設(shè)置的目的。緊固螺母用于防滑，在調(diào)節(jié)完畢后緊固。

背拉桿在人字門翼緣側(cè)的布置型式如圖2所示。

4背拉桿的設(shè)計(jì)與計(jì)算

潁上復(fù)線船閘下閘首人字門的背拉桿布置有主、副背拉桿，主截面均采用尺寸為300mm×30mm的鋼帶，副拉桿緊貼節(jié)點(diǎn)板安裝，主拉桿懸空安裝，端部與翼緣節(jié)點(diǎn)板焊接，主、副拉桿長度相等。主拉桿與副拉桿中間相交處預(yù)留5mm的間隙，以避免調(diào)試時(shí)發(fā)生干涉。

背拉桿的左、右調(diào)節(jié)螺母均選用型號為Tr160×6的梯形螺母，其公稱直徑為160mm，螺距為6mm。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)人字門扭轉(zhuǎn)變形最合理時(shí)，主背拉桿的設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力為100MPa，變形量為9.74mm；副背拉桿的設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力40MPa，變形量為4mm。

圖3 安裝前水流方向變形圖（單位：mm）

圖4 安裝前豎直方向變形圖（單位：mm）

圖5 安裝后水流方向變形圖（單位：mm）

圖6 安裝后豎直方向變形圖（單位：mm）

表1 預(yù)應(yīng)力背拉桿安裝前后影響分析表

5人字門的變形分析

利用三維有限元分析軟件ANSYS對下閘首人字門進(jìn)行相關(guān)建模分析。

圖3～6分別為下閘首人字門在預(yù)應(yīng)力背拉桿安裝前與安裝后，門葉在順?biāo)鞣较蚝拓Q直方向的變形量示意圖。

根據(jù)分析結(jié)果，將安裝預(yù)應(yīng)力背拉桿的前后形變分析進(jìn)行匯總，如表1所示。

由表1、圖3～6，得出以下結(jié)果：

安裝背拉桿前，門葉扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象較為明顯，斜接柱頂部變形量較大，順?biāo)鞣较蜃冃瘟繛?0.28mm，豎直向變形量為3.44mm。

預(yù)應(yīng)力背拉桿安裝后，斜接柱順?biāo)鞣较蜃冃瘟繛?.80mm，豎直向變形量為0.74mm。預(yù)應(yīng)力背拉桿的設(shè)置，有效地提高了人字門門葉的扭轉(zhuǎn)剛度，減少了門葉的扭轉(zhuǎn)和自重產(chǎn)生的變形。

可見，通過合理的預(yù)應(yīng)力背拉桿設(shè)計(jì)，可有效地控制門葉的扭轉(zhuǎn)和下垂量。

6背拉桿預(yù)應(yīng)力的調(diào)試

人字門安裝完畢后，利用輔助設(shè)備將人字門的門葉調(diào)整至平整狀態(tài)，在水平、豎直的方向無變形，且無扭轉(zhuǎn)。將背拉桿調(diào)整至安裝狀態(tài)，對背拉桿安裝位置放樣、定位、焊接。然后分批次施加預(yù)應(yīng)力，調(diào)整門葉，調(diào)試主、副背拉桿。

第一次：主背拉桿預(yù)應(yīng)力增加到設(shè)計(jì)值的30%，副背拉桿不施加預(yù)應(yīng)力，釋放所有約束后，測量人字門斜接柱和門軸柱的變形情況是否符合規(guī)范要求。

第二次：主背拉桿預(yù)應(yīng)力繼續(xù)增加，至設(shè)計(jì)值的50%，副背拉桿不施加預(yù)應(yīng)力，釋放所有約束后，測量人字門斜接柱和門軸柱的變形情況是否符合規(guī)范要求。

第三次：主背拉桿預(yù)應(yīng)力繼續(xù)增加，至設(shè)計(jì)值的80%，副背拉桿預(yù)應(yīng)力增加到設(shè)計(jì)值的50%，釋放所有約束后，測量人字門斜接柱和門軸柱的變形情況是否符合規(guī)范要求。

第四次：主背拉桿預(yù)應(yīng)力繼續(xù)增加，至設(shè)計(jì)值的100%，副背拉桿預(yù)應(yīng)力增加到設(shè)計(jì)值的100%，釋放所有約束后，測量人字門斜接柱和門軸柱的變形情況是否符合規(guī)范要求。

如果中間過程通過測量發(fā)現(xiàn)人字門斜接柱和門軸柱的變形情況已經(jīng)比較理想且滿足安裝支枕墊塊的要求，可以停止調(diào)節(jié)背拉桿預(yù)應(yīng)力。為保證背拉桿具有足夠的預(yù)應(yīng)力和安全相應(yīng)的安全裕度，主、副背拉桿的預(yù)應(yīng)力不得小于設(shè)計(jì)值的50%，不得超出設(shè)計(jì)值的110%。

7結(jié)語

預(yù)應(yīng)力背拉桿設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是預(yù)應(yīng)力的優(yōu)化，一般以最不利工況下，門體和背拉桿的共同變形、應(yīng)力為設(shè)計(jì)依據(jù)，使得與背拉桿的位移和應(yīng)力設(shè)計(jì)值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，并留有一定的安全裕度。

預(yù)應(yīng)力背拉桿是在安徽省船閘人字門上的自主設(shè)計(jì)，首次應(yīng)用，目前潁上復(fù)線船閘工程正在安裝調(diào)試階段，人字門可調(diào)式預(yù)應(yīng)力背拉桿的工程應(yīng)用效果尚有待實(shí)踐檢驗(yàn)。本文旨在為后續(xù)沙潁河耿樓船閘、引江濟(jì)淮工程蜀山船閘等工程的人字門設(shè)計(jì)提供借鑒和參考