大型船闸人字闸门设计

大型船闸人字闸门设计

长委设计院 董国威 吴小宁 汤长书 闫如义

1．人字闸门的主要特点和设计思路

人字闸门是通航船闸中的工作闸门，只要船闸通航，人字闸门就会在较短的时间里关闭、开启，结构就将加载、卸载，在每次加载前和卸载后，人字闸门尚要承受扭矩的作用，这种荷载的循环，每天至少有20至50次。就工程结构疲劳而言，高周疲劳要考虑的是大于105次荷载循环之后的疲劳，低周疲劳考虑的则是在少于105次塑性应变循环之后的疲劳。葛洲坝2号和3号船闸人字门运行10年后，门叶结构底部五根主横梁两端的上、下翼缘与竖隔板上、下翼缘的连接处都先后出现裂纹。经初步分析，这种裂纹是由低周疲劳引起的，参考有关船体结构腐蚀疲劳的研究，人字闸门的设计者也已开始重视腐蚀疲劳的危害。

有人认为，引起疲劳开裂的主要荷载是开关门过程中壅水，尤其是推赶淤积的泥砂所引起的。根据有限元分析，门体此时的应力只有关门挡水时的10%，如果肯定是赶水和赶泥引起的，此时怎么可能引起斜接柱端的下部主梁开裂？多年来我国投入很大的人力物力对大型人字门开展有限元研究分析和水弹性材料的模型试验，但都没有涉及葛洲坝人字门运行后开裂的问题，低周疲劳的研究仍然是空白，设计人员为什么不怀疑人字门反复承载和卸载会引起疲劳开裂呢，原因是开裂的部位在计算中都承受压应力，只承受压应力的构件是不可能开裂的。

人字闸门在挡水状态时，靠承压条支承，把荷载传向闸墙；在不挡水的开关门状态，人字门是靠底枢和顶枢支承，这两种状态的支承理应各负其责，并应能迅速切换，而实际往往不理想，由于安装的原因和承压条及顶、底枢的磨损，都会影响这两种支承的明确切换，尤其是人字闸门处于全关挡水状态时，顶底枢不但不能完全退出工作，而且还将承受更大的荷载。此外，闸墙上的枕垫块，由于非正常的原因，造成对门轴柱上的支垫块的阻挡（通常称为支枕垫块的挤卡），如果此时启闭机继续关闭人字门，根据杠杆原理，则顶枢承受的荷载将是8倍以上的闭门推力。顶枢拉杆因这类超载，以及材料存在裂纹或其它锐切口或缺陷，而使顶枢拉杆脆性断裂的例子并非个别现象，葛洲坝2号船闸下闸首左人字门顶枢A杆在运行半年后突然断裂，美国军事工程师兵团的大林格先生称，在美国顶枢拉杆断裂事故曾发生过多次。有关美国船闸人字门顶枢和底枢因上述超载而失事的例子，尚未见公开报导，但是，我们发现葛洲坝船闸人字门底枢顶盖与底梁相联的铰孔螺栓都有明显的剪切变形。这种现象一方面说明铰孔螺栓不能与剪力板共同工作，另一方面也说明底枢严重超载。如果没有剪力板作为安全储备，底枢失事在所难免。

2．人字闸门的平面布置

2．1．θ的取值

两扇人字闸门挡水状态下，在平面上形成一个三铰拱，每扇闸门与船闸横向轴线的夹角θ值的取值，尚无权威的论述。对于横梁式人字闸门，前苏联取θ=20°，美国取θ=18︒26''58″,我国葛洲坝取θ=22.5°。葛洲坝在选用θ=22.5︒时主要是为了减少人字门对闸墙的横向推力。我国有很多中小型船闸都取θ=20︒。θ值都取同一个数值，这无疑是有利于船闸人字门结构和另部件的标准化。我们还注意到巴拿马运河船闸从1914年开始运行，它的人字闸门一直是二十世纪世界上较大的人字门，它是由美国设计的，取θ=26︒33''54"（1:2）。据现有资料发现，美国在第二次世界大战后新建的人字闸门，不再取θ=26︒18''54"（1:2），而取θ=18︒265.8"（1:3）。

从1:2改到1:3，尚未见到详细论证资料，但经初步推算可以发现，巴拿马人字门在关门挡水时的压力线已越出主梁的轮廓线，主梁高度偏小，截面设计很不合理。如果采用1:3，使θ值减小8︒8''后，主梁轮廓线已包围了压力线，主梁截面比较容易设计。至于人字门在开关过程中的整体抗扭刚度，应该主要对背拉杆施加预应力或布置扭矩管来解决，用增加人字门的厚度去增加人字门的抗扭刚度其效果不明显。相反，这会给主梁的截面设计带来难度。

2．2．旋转中心的最佳位置

如何确定旋转中心的位置，是人字闸门平面布置的另一个关键问题。旋转中心都偏向三铰拱支铰总推力线的上游侧（见图1）。

这种布置的目的是使门轴柱上的支垫块在闸门进入全关位置时，能迅速与枕垫块接触，使蘑菇头不承受人字门挡水时的拱推力；而在人字门开启时，又能迅速脱开，使蘑菇头恢复它在门叶旋转状态时的支承作用。该偏离值一般采用30～100mm。美国陆军工程师兵团1984年版的“船闸闸门和启闭机”设计手册（以下简称手册）中建议采用177mm（7"）。按几何关系，门叶的旋转中心应该在关门状态的门轴线与全开门状态的门轴线形成夹角的分角线上（见图1），手册中提出，从支枕垫的支承中心向该分角线作垂线，所得的交点即是旋转中心的最佳位置。我们认为，上述方法确定的旋转中心离支枕垫的支承中心最近，所以，当门叶旋转角速度取同一值时，该旋转中心只会使支承中心的线速

度最慢，达不到迅速接触或

脱离的目的。通常，在底横

梁端部布置允许的前提下，

旋转中心应尽量向三铰拱支

铰总推力线上游侧多偏一

点。

3．人字门门体结构

我国的人字门结构设

计，在20世纪七十年代以

前，受前苏联的影响，70年

代后开始局部接触从美国收

集来的有限资料，葛洲坝船

闸的人字闸门结构就是在这

样的情况下完成设计的。葛洲坝1号和2号船闸下闸首人字门宽19.70m，高34.10m，无论当时还是如今，都是世界上规模最大的人字门之一。通过近20年的运行，发现了一些结构设计方面的问题，参考国内外科研部门的研究和文献资料，提出我们的一些初步改进意见，供设计参考。

3．1．人字门结构的材料选择

人字闸门的门体结构采用什么钢材，在国内外工程实践中有多种考虑。在美国，

除了人字门的面板和背拉杆采用低合金钢（σ

s =350MPa）,其余全用结构碳素钢（σ

s

=250MPa），采用结构碳素钢的理由是门体的刚度比采用低合金钢的要大。不管门体是高是矮，美国的人字门结构都

采用这两种钢材。葛洲坝船闸的

人字门结构全部采用16Mn，2

号和3号船闸运行9年后都先后发现门叶下部5～6根主横梁两端的上下翼缘有裂纹，在1997年3月，2号船闸抽干检修时发现下闸首左门的主梁下翼缘有贯穿裂缝，裂缝位于第二根主梁门轴柱端，紧靠背拉杆节点板边缘，该节点板与主梁下翼缘搭接。自从发现这种裂纹和断裂后，在三峡人字门的设计中将易出现裂纹的部位，采用园滑过渡，且不布置焊缝；节点板不再与主梁下翼缘搭接，改用对接。在材质选择上，三峡船闸人字门主横梁的全部下翼缘和边柱部位的上翼缘，采用船用钢板DH32，预应力背拉杆采用船用钢板DH36，其余都采用Q345C。船用钢板具有良好的冲击韧性，此外，还具有较高的强度，良好的水下耐腐性和表面质量。

3．2．分组荷载法设计主横梁

主横梁的设计在过去习惯采用等荷载法，当闸门较高时，上部主横梁因无法根据等荷载原理随意地加大主横梁的间距，导致上部主横梁的应力较低，达不到等荷载设计时要求所有主横梁的变形基本一致的意图。所以等荷载设计中的竖向隔板将承受较大的荷载。除了等荷载法，国外也常使用分组荷载法，每2～4根主横梁采用同一种荷载，每一种荷载的大小自下而上递减，主横梁的这种设计法使上部主横梁和下部主横梁的应力基本相近。用分组荷载法设计主横梁比等荷载法更加合理。但是，由于主横梁规格较多，会给制造厂带来一些小麻烦。

3．3．主横梁高度的选择

前苏联在“船闸与船坞的闸门设计规范”中建议横梁式人字门主梁的高度取门宽的1/8～1/10。美国军事工程师兵团的设计手册中规定主梁腹板高度等于门宽的1/ 8～1/15，且规定梁高最小值为1200mm。主横梁的高度除了考虑门叶整体刚度外，还应考虑主梁的高度与拱的压力线有很直接的关系，如果选择偏小或偏大，主梁截面的中和轴都将远离拱的压力线，此时，再靠调整上、下翼缘的截面积，很难使中和轴靠近拱的压力线，致使主梁载面上的应力分布很不合理，根据这种想法，主梁腹板高h 0=(1.3～1.4) DF+a(图 2)比较合理

如果门叶较高，则取上限。（图2）所示的弧线AB是近似的拱的压力线，它是以R为半径，对角为2θ的园弧线。

图1人字闸门旋转中心平面布置