金清老港通航排水闸大型三角闸门设计

第34卷第2期2012年2月华电技术HuadianTechnologyVo1．34No．2Feb．20l2金清老港通航排水闸大型三角闸门设计周军，余红刚，谢立华(1．浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州310002；2．浙江省台州市路桥区水利与海洋渔业局，浙江台州318050)摘要：对台州市金清老港通航排水闸大型弧面三角闸门的结构、设计方法、闸门启闭机运行特点进行了介绍，为三角闸门及一般大型闸门的设计提供参考。关键词：排水闸；三角闸门；船闸；启闭机；有限元法；设计中图分类号：TV66文献标志码：B文章编号：1674—1951(2012)02—0022—020引言台州市金清老港通航排水闸为海口船闸工程，其主要任务是金清渔港建设与运行补水，促进当地船舶修造业发展并兼顾水运利用。工程建于台州市金清渔港上游侧2．0km处，距金清新闸上游2．5km，位于台州市路桥区境内。船闸闸孔净宽25m，工作闸门采用弧形面板立柱式钢结构三角闸门，工程标准按50年一遇防潮(洪)潮(水)位设计。工程等别为Ⅲ等，主要水工建筑物为3级，次要水工建筑物为5级。1闸门的总体布置工程为单孔净宽25m的船闸，兼顾挡潮、防洪的功能。经过方案比选，船闸工作闸门采用弧形面板立柱式钢结构三角闸门¨。闸门面板弧面半径为13．5m，门体厚度为0．5m，边、中仰角对称设计；支臂夹角为45．00。，闸门中、侧止水中心夹角为71．O0。；从全关至全开，闸门旋转67．75。；闸门全关时中缝止水中心至闸门旋转中心连线与两扇闸门旋转中心连线的夹角为20．O0。；门顶高程为6．5133，底槛高程为一3．9m。闸门中缝止水形式为：一扇门上安装尼龙板，另一扇门上安装Q形橡皮板，使二者为线接触，从而达到较好的止水效果。边缝止水采用“双P”形橡胶止水，底止水采用“组合式双P”形橡塑复合止水，边、底止水交接处设2块过渡橡胶块。门槽底、侧止水座材料为耐海水腐蚀的STNi2Cr合金铸铁。三角闸门前后各设置一孔检修门，检修门采用浮动形式，自带充排水设施。平时用专门设计的锁定设施锁定，停放于闸室两侧闸墙的外侧，当三角闸门需要维护检修时，使用拖船将两扇浮动式检修门收稿日期：2011—09一l6拖运到检修门槽后充水下沉至底槛挡水，抽干门库，使用油压千斤顶和闸门上的顶门柱顶起三角闸门检修顶、底枢等零部件。2三角闸门的设计2．1闸门的总体结构设计闸门为二点支承简支式空间刚架结构，门体及管桁的材料皆采用Q345B，空问刚架杆件均为无缝钢管，主要节点采用空心球节点。为减小启闭闸门时所受到的阻力，降低启闭机规格并改善空间刚架受力，三角门门体设计为圆弧形，朝向外海侧。门体两端羊角对称布置，使总水压力指向尽量接近闸门的转动中心并通过顶、底枢的拉杆传递给闸墩。该闸门结构设计考虑应力和变形2个方面的因素，为增加门扇整体刚度，闸门顶、底平面刚架支臂杆件及斜刚架支臂杆件采用377mm×14mm无缝钢管，其他杆件分别采用168mm×12mm，140mm×12mm无缝钢管。立柱采用焊接工字形截面，确保其具有足够大的刚度。为了保护钢闸门主要受力构件，增加闸门的防撞能力，同时引导船闸顺畅过闸，在闸门三角钢架航道侧增设直线型防撞设施，防撞面板为厚10mm的钢板。闸门在最低通航水位以下设置浮箱以减轻门体自重，从而降低顶、底枢运转件的磨耗。为了减少闸门增设防撞设施引起的偏重，增设浮箱时浮力中心偏向防撞设施侧，从而减小了闸门所承受的扭矩的作用。2．2闸门的空间应力计算根据总体计算确定的结构尺寸和初步设计的结构对该闸门进行了空间有限元分析，空间分析计算采用大型有限元分析软件ANSYS12．0。有限元计算取单扇弧形面板三角闸门进行空间计算，材料第2期周军，等：金清老港通航排水闸大型三角I~-1门设计。23·的弹性模量E=2．06×10MPa，泊松比=0．3，质量密度P=7．85×10kg／mm。全局坐标系采用Y轴为轴线的柱坐标系，坐标原点设在底枢旋转中心(高程为一3．2m)，r与弧形面板径向一致。实体建模、计算和结果后处理都在ANSYS12．1中进行。模型的板用面表示，板采用Shell63单元，将有梁的地方及不同载荷的分界处作为面、线的边界。模型共有7072个梁单元，40959个板单元，共计52381个节点，三角闸门模型(单扇)的网格划分如图1所示。图1闸门有限元计算网格模型图根据三角闸门工作状态下和非工作状态下可能出现的最不利情况，选择如下3种计算工况：闸门关闭挡潮，闸门关闭挡洪，空载试运行仅考虑自重。根据上述空间应力计算并做水弹性力学试验，最后确定弧形面板三角形闸门的详细结构。3闸门的启闭三角闸门采用卧式人字门液压启闭机启闭，每扇闸门配置1台启闭机。为了缓冲闸门开、关到位时的惯性冲击和闸门关闭挡潮时门体的振动对启闭机的冲击，在启闭机推拉杆前部装有机械缓