船闸人字闸门浮箱的设置方法

２０世 纪 ９０年 代初 ，京杭 运河淮 安二 线 船 闸人 字 闸 门大修 时 ，为 降低 底 枢蘑 菇 头 的 磨损 量 ，首 次 尝试 浮箱 结 构 。在 京 杭 运 河 泗 阳二 线 船 闸大 修 期 间 ，相关 学 者 对人 字 闸 门浮 箱 增 设 前 后 进 行 跟 踪研究 ，研 究 结 果 表 明浮 箱 对 人 字 闸 门底 枢 蘑 菇 头摩擦 副 的磨 损 具 有 较 大 的改 善 作 用 ｌ】。］。之 后 ， 浮箱在 京杭 运 河 三 线 船 闸及 江 苏省 内其 他 Ⅲ级 以 上船 闸 的人 字 闸 门设计 中得 到推 广运用 【３ ４。。
摘 要 ：大 型船 闸人 字 闸 门通 常 设 置 浮 箱 以改 善 顶 底 枢运 转件 的 受 力 状 态 ，降 低 门 头 下 垂 量 。在 同等 浮 力 下 ，先 对 比矩
形 、Ｕ 型 、 ｊ－型 、Ｌ型 、Ｊ型 、Ｔ型 、Ⅱ 型等 ７种 不 同形 式 的 浮 箱 ，分 析 顶 底 枢 支反 力 、 门 头 下 垂 量 、 固有 频 率 、通 气路 径
收 稿 日期 ：２０１６—０３ １０ 作者简介 ：邢述炳 （１９８４一），男，硕士 ，工程师 ，从事钢结构及机械设计。
第 ８期
邢 述 炳 ，等 ：船 闸人 字 闸 门 浮箱 的设 置 方 法
１ 浮 箱形 式 的选择 １．１ 浮 箱 的布置形 式
人字 闸 门浮箱 布置 形 式多 样 ，可能 的形 式有 ： 矩形 、Ｕ 型 、 上型 、Ｌ型 、Ｊ型 、Ｔ型 、Ⅱ 型 等 ， 其 中矩形 和 Ｕ 型结 构 较 为 常见 。以某 Ⅲ级 船 闸 下 闸 首 人 字 闸 门 为 例 ，其 门 体 尺 寸 为 １４．２６ ｍ× １３．５８４ ｍ×１．５ ｍ（高 ×宽 ×厚 ），最大水位 差 ９．４３ ｍ， 最小 淹没 水深 ３．９８ ｍ，采 用 矩 形 浮箱 （图 １）。通 过 ＡＮＳＹＳ建立 空 间模 型进 行 分 析 ，Ｘ轴 为 压 力 轴 线方 向 ，Ｙ轴 为 门体 厚度 方 向 ，Ｚ轴 为 门体 高 度方 向 ，有 限元模 型见 图 ２。为 排除 浮力 大小 对浮 箱 布 置形 式分 析结 果 的影 响 ，对 同 为 ８个 区 隔 （浮 力相 等）不 同排列组合形成的浮箱进行分析 。浮箱结构 的 布置形 式见 图 ３。
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从 表 ２中可 以看 出 ：１） 无论 是 无水 状 态还 是 有 水状 态 ，人 字 闸 门设 置 浮 箱 后 ，其 门头 下 垂 量 均 显著 降低 ．有 水 状 态 下 门 头 下 垂 量 最 小 说 明 浮 箱对 人字 闸 门整 体 刚 度 有 增 强 作 用 ，且 刚 度 增 强 的影 响 因素大 于其 质量增 加 的影 响 因素 。２） 对 比无 水状 态 和 有 水 状 态 ，门头 下 垂 量 的变 动 幅 度 与 浮箱 的 浮 力 中 心 距 门轴 线 的远 近 有 关 ：Ｌ型 浮 箱 浮心 较近 ， 门头 下 垂 量 最 稳 定 ，变 幅 最 小 ；矩 形 、Ｕ型 、上 型 、Ｔ型 、ｎ 型 等 ５种 对 称 结 构 浮 箱 。变幅居 中 ：而 Ｊ型 浮箱 浮 心 较 远 ，变 幅最 大 ， 门头跳 动量 不 易达到 规范 要求 。３）从 各种 门体 的 １～５阶 同有 频率 中发 现 ，浮 箱 对 门体 各 阶 同有频 率 均有 所 增 加 ，但 增 幅 及 差 异 并 不 明显 ，说 明 浮 箱 结构形 式 的 变 化 不 是 改 变 人 字 闸 门 同有 频 率 的
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图 １ 设 置 浮 箱 的 人 字 闸 门结 构
图 ２ 设 置 浮 箱 的 人 字 闸 门 有 限元 单 元 模 型
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ ｔｈｅ ｍｉｔｅｒ ｇａｔｅ ｏｆ ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ ｓｈｉｐ ｌｏｃｋ，ｂｕｏｙａｎｃｙ ｔａｎｋ ｉｓ ｕｓｕａｌｌｙ ｓｅｔ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐ ａｎｄ ｂｏｔｔｏｍ ｐｉｖｏｔ，ａｎｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｒｏｏｐｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｇａｔｅ ｈｅａｄ．Ｆｉｒｓｔ ｏｆ ａｌｌ，ｓｅｖｅｎ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｂｕｏｙａｎｃｙ ｔａｎｋｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｔａｎｇｌｅ，Ｕ ｔｙｐｅ，ｊ＿ｔｙｐｅ，Ｌ ｔｙｐｅ，Ｊ ｔｙｐｅ，Ｔ ｔｙｐｅ ａｎｄ ＩＩ ｔｙｐｅ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｕｏｙａｎｃｙ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｐ ａｎｄ ｂｏｔｔｏｍ ｐｉｖｏｔ，ｄｒｏｏｐｉｎｇ ｖｏｌｕｍ ｅ ｏｆ ｇａｔｅ ｈｅａｄ，ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｐａｔｈ，ａｎｄ ｇｉｖｅ ａ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｏｒｍ ｏｆ ｂｕｏｙａｎｃｙ ｔａｎｋ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ，ｆｉｖｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｂｕｏｙａｎｃｙ ｔａｎｋｓ ｏｆ ｏｎｅ ｌａｙｅｒ，ｏｎｅ ａｎｄ ａ ｈａｌｆ ｌａｙｅｒ，ｔｗｏ ｌａｙｅｒｓ，ｔｈｒｅｅ ｌａｙｅｒｓ，ａｎｄ ｆｏｕｒ ｌａｙｅｒｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｕｏｙａｎｃｙ ｆｏｒｃｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｇｉｖｅ ａ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒａｎｇｅ ｆｏ ｒ ｔｈｅ ｂｕｏｙａｎｃｙ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｂｕｏｙａｎｃｙ ｔａｎｋ．
表 ｌ 有 水 关 门 工 况 不 同浮 箱 布 置 形 式 的 人 字 闸 门 支 反 力及 启 闭力
由表 １可 知 ：１）相 对无 浮箱 门体 ，人字 闸 门 设置浮箱后 ，顶底枢 支反 力均显 著 降低 ，启 闭力 略 有降低 ，不同浮箱布置形式对顶底枢及启闭力的影 响程 度不 同。２）矩形 、ｕ型 、上型 、Ｔ型 、ｎ 型等 ５种对称结构 浮 箱 ，对 顶底 枢支 反 力及 启 闭力 影 响 值 基本一致 ：非对 称 浮箱 中 ，Ｊ型 浮箱对 顶 底 枢支 反 力的改善作用 好于对称 结构 浮箱 ，而 Ｌ型 浮箱对 顶 底枢 支 反 力 的 改 善 作 用 比对 称 结 构 浮 箱 的差 。 ３）人 字闸 门增 设 浮箱 后 ，启 闭力 有所 降低 ，但 表 中数据并不 明显 。一方 面 由于启 闭力 主要取 决于 壅 水 阻力 ，而 壅水 阻力 为定值 ：另一 方面 因为 有 限元 未模 拟浮箱变化 带来 的顶 底枢摩 阻力 矩 的降低 ，而 顶 底枢摩 阻力是 启闭总阻力矩 的重要组成部分 。
文 献 标 志 码 ：Ａ
文章 编 号 ：１００２—４９７２（２０１６）０８．０ｌ１２—０７
Ｍ ｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｓｅｔｔｉｎｇ ｂｕｏｙａｎｃｙ ｔａｎｋ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍ ｉｔｅｒ ｇａｔｅ ｏｆ ｓｈｉｐ ｌｏｃｋ
ＸＩＮＧ Ｓｈｕ—ｂｉｎｇ ，Ｈ ＵＡＮＧ Ｌｏｎｇ ，ＺＨＵ Ｚｈａｏ—ｑｕａｎ。
一
ｄ１ Ｌ型
｜｜］ —
ｃ）上型
［目 ［目
ｅ１ Ｊ型
ｇ）１７１型
图 ３ 浮 箱 区 隔 布 置 形 式 （８区 隔 】
１，２ 浮箱形 式对 顶底 枢及 启 闭力 的影 响 人 字 闸门为 空 间 受 力 体 系 ，作 用 在 门体 上 的
荷 载 主 要 有 ：门体 自重 、壅 水 荷 载 、风 荷 载 、浮 箱 浮力 、背 拉 杆 预 应 力 等 。 同 时 ，门体 还 受 到顶 枢 、 约 束 、底 枢 、 、 约 束 及 启 闭 支 座 的 推 拉 （Ｕｘ、Ｕ、 ）。在 有 水 状 态 的 关 门工 况 下 ， 不 同浮箱布 置 形 式 的人 字 闸 门顶底 枢 支 反 力 及 启 闭力计 算结 果见 表 １。
Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐ ｌｏｃｋ；ｍｉｔｅｒ ｇａｔｅ；ｂｕｏｙａｎｃｙ ｔａｎｋ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆ ｏｒｍ；ｂｕｏｙａｎｃｙ ｆｏｒｃｅ；ｆ ｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
浮 箱 在 船 闸 闸 门上 的应 用 常 见 于横 拉 闸 门 、 三角 闸 门 和人 字 闸 门 。横 拉 闸 门 浮箱 设 置后 ，可 减轻 运行 期 横 拉 闸 门的 门体 自重 ，改 善底 台 车 的 受力 状态 ： 三角 闸 门设 置 浮箱 后 ，可 调 整 顶 底 枢 受力 状 态 ，降低 门 头 下 垂 量 。 因为 浮 箱 结 构 的复 杂性 ，人 字 闸门 “是否设 置 浮 箱 ”、 “如何 选 择 浮 箱形 式 ” 及 “如何 确定 浮 力 大 小 ” 一 直 是 工 程 界 争论 的话 题 。
２．０５ ２．２ｌ ２．２４ ２．２４ ２．３３ ２．１９ ２．２６ ２．２４
８．７２ ９．５４ ９．６３ ９．６９ ９．６３ ９．７０ ９．７６ ９．６６
１４．３４ １５．８６ １５ ８ｌ １５．８７ １５．８２ ｌ５．２５ ｌ５．３７ ｌ５．６７
ｌ７．Ｏ７ １７．６３ ｌ７．６７ ｌ７．５８ ｌ７．７７ １７．５８ ｌ７．５５ ｌ７．６３
１．３ 浮箱形 式对 闸 门门体结 构的影 响 ， 矩 Ｕ ＿Ｊ Ｌ Ｊ Ｔ Ⅱ 一
１．３．１ 浮 箱形式 对形门型头下型垂 量 型 和型同有 型 频型率 的影 响 浮箱 结构 形式 不 同 ，人 字 闸 门的 刚度 也 不 同 ．
这 将影 响 闸 门 的 门头 下 垂 量 和 同有 频 率 通 过有 限元静 力 分 析 和模 态 分 析 可 知 ，增 设 浮 箱后 ．门 体产 生不 同 程度 的上 浮 ，各 阶 固有 频 率 均 有 所增 加 。人字 闸 门的前 ５阶阵型 分别 如下 ：１阶为斜 接 柱底 部 向上 游扭 曲变 形 ，２阶为斜接 柱顶部 向上 游 扭 曲变形 ，３阶 为 门轴 柱 中部 向下 游 外鼓 变 形 ，４ 阶 为斜接 柱底部 向上 游 、顶部 向下 游扭 曲变形 ，５ 阶为斜接 柱 中部 向上 游 外 鼓 变形 ｌ。不 同浮 箱 布 置形 式 的人 字 闸 门的 门头 下垂 量 及 １～５阶 同有 频 率 见表 ２。
表 ２ 不 同浮 箱 布 置 形 式 的 人 字 闸 门 门头 下 垂量 及 固有 频 率
３．３８ ２ ５Ｏ ２．４０ ２．４４ ２．２２ ２．５６ ２．４５ ２．３８
３．３８ １．５４ ｌ ４８ ｌ ５ｌ ｌ ６４ １．２４ １．５０ １．４７
０ Ｏ．９６ ０．９２ ０．９３ ０．５８ １．３２ ０．９５ ０．９１
２０１６年 ８ 月 第 ８期 总 第 ５１８期
水运 工程 Ｐｏｒｔ＆ Ｗ ａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ａｕｇ．２０１６ Ｎｏ．８ Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．５１８
卫 （１船闸人邢字述闸炳 ，门黄浮珑箱 ，的朱召设泉 置方法 ． 江苏省 交通规 划设计 院股份 有 限公 司，江 苏 南京 ２１００１４；２．河海 大学 土 木与 交通学 院 ，江 苏 南京 ２１００９８）
等特性 ，给 出相对合理的浮箱 结构形式 ；在此基础上 ，再对 比 ｌ层 、１层半、２层 、３层、４层 等 ５种 不同浮力大小的浮 箱， 分析 并 给 出相 对 合理 的 浮 箱浮 力控 制 范 围 ．．
关键词 ：船 闸；人字 闸门；浮箱 ：结构形式；浮力；有限元分析
中 图分 类号 ：Ｕ ６４１．１
（１．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｌｔｄ．，Ｃｏ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９８，Ｃｈｉｎａ）