基于底轴结构优化的钢坝闸设计

《河南水利与南水北调》2023年第11期
勘测设计基于底轴结构优化的钢坝闸设计
白晓明
（太原市水利勘测设计院，山西太原030024）
摘
要：以巴公河治理段工程为背景，分不同工况对其拦截污水和泥沙的钢坝闸底轴受力情况展开分析，确定出闸门挡水的设计工况，并在该工况下对底轴、支绞座和驱动臂等主要构件展开设计分析，从底轴结构优化视角提出钢坝闸设计方法。

结果表明，河段治理工程钢坝闸金属结构埋件数量多且受力大，其所承受的应力传递至土建结构后会进一步影响土建结构应力分布。

对钢坝闸结构构件的设计思路及应力计算结果可为工程实践提供借鉴参考。

关键词：底轴结构；优化；钢坝闸设计；支绞座；驱动臂中图分类号：TV663.9
文献标识码：A
文章编号：1673-8853（2023）11-0070-02
1工程概况
工程利用钢坝闸拦截污水和泥沙，配合截污工程为蓄水工程提供水源。

钢坝坝长25m ，坝高2m ；坝底板为6.20m 长、1.20m 厚的C25钢筋混凝土结构。

底板下部铺设厚0.10m 的C15素混凝土垫层，钢坝两侧设置长4m 、宽12m 的启闭机室。

钢坝上游设10m 长、0.50m 厚的C25钢筋混凝土防渗面板，面板下设置0.10m 厚的素混凝土垫层。

钢坝下游设8m
长、0.40m 深的C25钢筋混凝土消力池，消力池末端与30m 长的格宾石笼海漫连接。

2设计工况
受底轴驱动的翻板闸门主要包括门叶、驱动臂、支绞座、底轴等部分，结构详见图1，通过启闭机和驱动臂驱动底轴旋转后达到钢坝闸启闭的目的。

钢坝闸在底轴驱动下分别在闭门挡水、卧倒行洪、开门放水等工况运行，且闸门在闭门挡水工况下受力最大。

门叶、驱动臂、支绞座、底轴是钢坝闸主要的受力件，支绞座与驱动臂受力全部来自底轴；门叶则属于主纵梁结构，其受力程度与孔口宽度无关，而与挡水高度有关，且受力简单。

为此，文章仅分析钢坝闸底轴受力情况，并提出两种理论工况和一种实际工况。

理论工况1：钢坝闸关闭时下游无水，门叶和闸门水平面之间形成0°～90°的夹角；液压启闭机驱动力矩与水压力、结构自重、底轴和支绞座间动摩擦力所产生的力矩和处于平衡状态，扭矩主要由底轴承受。

理论工况2：钢坝闸关闭时上下游水位相等，门叶和闸门水平面之间形成0°～90°的夹角；液压启闭机驱动力矩与结构自重、底轴和支绞座间的摩擦力所形成的力矩和处于平衡状态，扭矩主要由底轴承受。

实际工况：钢坝闸门关闭前门叶卧倒，使河道处于敞泄流态，上下游水位基本一致，借助液压启闭机进行底轴驱动翻板闸门的启闭，因闸门关闭时长不超出30min ，故上下游水位差始终较小。

3钢坝闸设计3.1
底轴设计
巴公河治理段拦截污水和泥沙的钢坝闸翻板闸门以底轴为主要受力构件，投资额大，且底轴尺寸直接决定着支绞座、驱
动臂尺寸，故必须保证钢坝闸结构尺寸的合理性。

底轴布置过程中关键是安装高程的确定，为提升止水效果，通常借助螺栓将止水橡皮按压于底轴顶部上游侧，但这种处理会提高闸底高程，缩小行洪断面，使底轴顶高出闸底板。

作者简介：白晓明（1984—），男，工程师，主要从事于水利工程设计工作。

图1
钢坝闸三维模型图
Design of Steel Dam Gate Based on Bottom Axis Structure Optimization
BAI Xiaoming
（Taiyuan Water Resources Survey and Design Institute,Taiyuan 030024,China ）
Abstract：Taking the Bagong River Regulation Section Projectas the background,the stress on the bottom axis of the steel dam gate,which intercepts sewage and sediment,is analyzed in different working conditions.The design condition of the gate water retaining is determined.Under this working condition,the main components such as bottom axis,the hinge and the driving arm are designed analyzed.The design method of the steel dam gate is proposed from the perspective of bottom axis structure optimization.The results show that there are a large number of embedded parts in steel dam gate metal structure of the river reach regulation project.Moreover,the stress borne will further affect the stress distribution of the civil structure after being transferred to the civil structure.The design ideas and stress calculation results of steel dam gate structural components can provide reference for engineering practice.Key words：bottom axis structure;optimization;steel dam gate design;hinge support;actuating arm
《河南水利与南水北调》2023年第11期勘测设计
底轴属于空心轴，壁厚随着外径的增大而增大，抗扭能力也随之增强，故底轴设计就是在特定扭矩下选择最佳用钢量的底轴结构。

钢坝闸体积及抗扭截面系数取值均与底轴长度和外径有关，表示如下：
V=π（D2-d2）L（1）
W=π16D31-（d/D4（2）式中：V—钢坝闸底轴体积，cm3、D、d—钢坝闸底轴外、内径，cm；L—底轴长，cm；W—钢坝闸抗扭截面系数，cm3。

通过以上公式所体现的函数关系，钢坝闸结构设计也就是W在既定的情况下求V或D2-d2的最优值，综合以上分析，可以得出钢坝闸最优底轴目标函数：
f（D）=D2-d2=D2-D4-π16WD（3）式中字母含义同上。

很显然，f（D）为单调递减凹曲线。

从理论角度分析，钢坝闸抗扭截面系数值越大，则闸门外径越大，底轴用钢量越小，工程投资也越节省。

但结合工程实际，钢坝闸底轴外径不应当过大，因为过大的底轴外径必将使与之配套的支绞座、驱动臂、穿墙套等部件尺寸增大；还会增大闸门预制加工及安装施工难度。

也就是说，在钢坝闸抗扭截面系数值一定的情况下，大壁厚、小直径的底轴设计思路显然缺乏经济合理性，而小壁厚、大直径的设计虽能减轻底轴结构质量，但会增大预制及安装施工难度及其余部件质量。

故综合考虑钢坝闸内外径等因素后，将底轴外径确定在f（D）凹曲线中间段斜率较为稳定的区域。

3.2门叶设计
底轴驱动翻板钢坝闸闸门门叶主要采用主纵梁结构，并按照相同间距布置。

门叶在水压力作用下，主梁按照变截面悬臂梁设计，次梁和面板则采用与平面闸门类似的设计思路。

在门叶设计过程中，必须确保闭门挡水工况下门叶重心与底轴中心位于同一竖直线。

3.3支绞座及驱动臂设计
钢坝闸所承受的力主要通过支绞座传递至闸底板，支绞座同时还承受启闭机反作用力。

在明确主要受力形式后可参照弧形闸门固定支绞座设计思路展开底轴驱动翻板钢坝闸支绞座设计。

驱动臂主要承受扭矩及启闭机作用力，在驱动臂设计前应进行其与底轴连接处剪切强度的复核。

支绞座和驱动臂尺寸主要取决于钢坝闸底轴尺寸，故在壁厚和底轴外径确定的基础上，所设计的支绞座与驱动臂基本能满足受力要求。

3.4设计结果
巴公河治理段拦截污水和泥沙的钢坝闸设计时必须结合实际挡水高度、孔口宽及驱动臂长度进行启闭机容量估算，并据此求取扭矩、底轴及其余部件尺寸，进而计算底轴受力，对钢坝闸结构强度和启闭机容量进行复核。

该河段治理工程底轴驱动翻板闸门边墙厚1.25m、孔口宽38m，挡水高度7.30m，根据测算结果，启闭机容量为2×5000kN，底轴使用Q235B钢材，实际应力按照材料许用应力的80%确定，相应的底轴抗扭截面系数取2.70×105cm3。

钢坝闸最优底轴目标函数f（D）斜率为负值，且随着钢坝闸底轴外径的增大而单调递减，底轴外径取值越小，则底轴结构越接近实心轴，材料用量越大；相反，底轴外径值越大，则壁厚越小，虽然材料用量可得到节省，但预制加工难度增大。

为
此，该河道治理工程钢坝闸底轴外径值应当在f（D）曲线中间段斜率变化最为缓和的区域取值。

根据不同底轴外径下，钢坝闸底轴参数取值计算结果，底轴外径取不同值时，钢坝闸底轴抗扭截面系数值较为接近，且钢材用量随着底轴外径的增大而呈线性递减趋势。

为避免出现底轴壁厚过小而预制加工难度增大等问题，最终将钢坝闸底轴外径确定为180cm。

4应力计算
4.1启闭机埋件
启闭机埋件主要由埋件结构和下方钢筋混凝土基座两部分构成。

埋件上所施加的等效水平应力为3600kN，埋件和钢筋混凝土基座结构自重等数据均通过有限元模型自动添加；通过软件自动生成并添加基座底面和侧面约束。

启闭机埋件和钢筋混凝土基座接触面整体受拉，最大拉应力取8600kN/m2，角点应力集中处所出现的局部应力最大达到10MPa，且距离接触面越远，应力越小。

4.2空箱内支绞座
该结构由空箱内支绞座、钢混材料基座和侧面垂直抗剪连接块组成，空箱内支绞座和抗剪连接块均为钢材材质，弹性模量、容重和泊松比与启闭机埋件材料参数值完全相同，钢筋混凝土基座材料则与启闭机埋件基座材料完全一致。

支绞座上所施加的等效竖向集中应力为3910kN，支绞座和钢筋混凝土基座支绞座结构自重等数据则通过有限元模型自动添加。

根据应力计算结果，空箱内支绞座和钢筋混凝土基座接触面位置最大剪应力2100kN/㎡，垂直接触面拉应力最大值为
3.70MPa，且距离接触面越远，应力值越小。

侧面垂直抗剪连接块和钢筋混凝土基座侧壁连接位置最大剪应力和最大拉应力分别为5.60MPa和1MPa，与接触面距离越远，应力值越小。

4.3跨中支绞座
构建跨中支绞座及其宽度范围内闸门等效受力组件有限元模型，在闸门关闭工况下钢坝闸竖起，主要承受横向荷载。

闸门等效受力体顶端和底端所施加的静水压力分别为54.18 kN/m2和428.59kN/m2；等效受力组件及钢筋混凝土基座自重则通过软件自动添加。

根据应力计算结果，钢坝闸开启工况下跨中支绞座及其宽度范围内闸门等效受力组件和钢筋混凝土基座接触面拉应力最大值（4.92MPa）仍位于接触面上端，压应力最大值（9.97MPa）则出现在水平接触面最外侧；与接触面距离越远，应力值越小。

5结论
综上所述，巴公河治理段拦截污水和泥沙的钢坝闸采用底轴驱动翻板闸门，其作为重要的挡水建筑物，造价较高。

按照文中所提出的设计思路，应在所确定出的设计工况基础上展开底轴结构精确设计，并以此为基础进行其他部件设计。

应用有限元软件对巴公河治理段钢坝闸埋件位置及土建结构的应力计算结果，可为钢筋混凝土基座以及支绞座、启闭机埋件等的设计提供参考；结合分析结果，必须增大应力较为集中的连接部位配筋面积，或在相应位置增设受拉钢筋、增大底板厚度，以改善区域受力，优化结构设计，避免应力过度集中而引发安全隐患。

参考文献：
［1］卫晓贤.关于钢坝闸底横轴连接方式与支铰座优化设计的探讨［J］.科学技术创新，2020（24）：147-148.
收稿日期：2023-1-20
编辑：赵鑫。