金清老港通航排水闸大型三角闸门设计.pdf

第 3 4卷 第 2期 2 0 1 2年 2月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h no l o g y Vo 1 ． 3 4 No． 2 Fe b ． 2 0l 2 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3 1 0 0 0 2 ； 2 ． 浙江省台州市路桥区水利与海洋渔业局， 浙江 台州3 1 8 0 5 0 ) 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 ： T V 6 6 文献标 志码 ： B 文章编号 ： 1 6 7 4—1 9 5 1 ( 2 0 1 2 ) 0 2— 0 0 2 2— 0 2 0 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 ． 0 k m 处 ， 距金 清新 闸上游 2 ． 5 k m， 位于台州市路桥区境内。 船闸闸孔净宽 2 5 m， 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 5 0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 2 5 m 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 1 3 ． 5 m， 门体厚 度为 0 ． 5 m， 边 、 中仰 角对称设计 ； 支臂 夹角为 4 5 ． 0 0 。 ， 闸 门 中、 侧止水中心夹角为 7 1 ． O 0 。 ； 从全关至全开 ， 闸门 旋转 6 7 ． 7 5 。 ； 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 2 0 ． O 0 。 ； 门顶高程为 6 ． 5 1 3 3 ， 底槛高程为 一 3 ． 9 m。 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 S T N i 2 C r 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 ： 2 0 1 1 —0 9一l 6 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 Q 3 4 5 B， 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 3 7 7 m m1 4 mm无缝 钢管 ， 其他杆 件分别采 用 1 6 8 mm1 2 m m， 1 4 0 m m1 2 mm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 1 0 mm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 A N S Y S 1 2 ． 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 。 2 3 的弹性模量 E=2 ． 0 61 0 M P a ， 泊松 比 =0 ． 3 ， 质 量密度 P= 7 ． 8 51 0 k g ／ 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 ． 2 m) ， r 与弧形 面板径 向一致 。实体建模 、 计算和结果后处理都在 A N S Y S 1 2 ． 1中进行 。模 型 的板用 面 表示 ， 板 采用 S h e l l 6 3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 7 0 7 2个梁单元 ， 4 0 9 5 9 个板单元 ， 共 计 5 2 3 8 1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 冲器 ， 同 时在液压系统中采用 电比例泵。通过设置变速关闭 运行 曲线( 如 图 2所示 ) 编制控制程序控制 电比例 泵的流量 ， 实现闸门启闭过程中无级变速运行( 开 、 关门运行开始后 和到达终点前 1 m i n慢速运行 ， 中 间过程快速运行 ) ， 从而有效减轻 闸 门运动惯性对 油缸及系统的冲击。 另外 ， 考虑到船闸通航时可能发生船舶撞击闸 门事故， 为了保护液压系统及活塞杆， 在系统设置了 可承受 1 0 0 0 k N撞击力 的保护回路。该启闭机额 定出力为 1 0 0 0 k N， 最大行程为 5 ． 5m。 图 2 三角 闸门变速关闭运行 曲线 4闸门的运行 闸门通 常为关闭状态 ， 在如下 3种情况下执行 开 、 关操作 ： ( 1 ) 潮水来临时船只通航 ， 此时闸门应在 3 0 c m 的水位差范 围内开 、 关 ， 以确保通航安全。 ( 2 ) 对门前渔港 进行建设 补水 ， 该工程 三角闸 门的最大运行水位差 即是按照该工况的要求来确定 的， 最大开 、 关水位差为 3 ． 2 4 m。 ( 3 ) 特大洪水期 间参与泄洪 ， 该情 况下应根据 洪水预警情况在洪水来I 临之前提前全开 闸门， 开 门 时水位差也应尽量控制在 3 0 c m以 内， 最大不得超 过 3 ． 2 4m。 5 结束语 弧面立柱式三角闸门同时具有弧门和人字门的 特点 ， 结构相对复杂H j 。三角 闸门既可承受双 向水 头， 也可动水运行 ， 开关运行时间短， 使用灵活。由 于具有上述优点 ， 弧面立柱式三角 闸门尤其适用于 受潮汐影响的船闸工程 ， 可有效提高通航能力 ， 具有 重要的应用价值。 参考文献： [ 1 ] 陈文辽， 常苏华． 立柱式( 钢结构) 三角闸门设计 [ J ] ． 水 运工程 ， 1 9 9 5( 1 o) ： 1 6— 2 0 ． [ 2 ] 刘伟， 高维成， 于广滨． A N S Y S 1 2 ． 0宝典[ M] ． 北京 ： 电子 工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 水电站机电设计手册编写组． 水 电站机电设计手册： 金 属结构( 一) [ M] ． 北京 ： 水利电力出版社， 1 9 8 8 ． [ 4 ] 刘永胜， 何孟芸， 贾仕开． 草街航电枢纽工程冲沙闸弧形 工作闸门设计华电技术 ， 2 0 1 1 ， 3 3 ( 1 0 ) ： 5— 9 ． ( 编 辑 ： 白银 雷 ) 作者简介 ： 周军( 1 9 7 8 一) ， 男， 江苏盐城人 ， 工程师， 工学硕士， 从 事金属结构设计方面的工作 ( E - m a i l ： h i z j u n @1 6 3 ． c o m) 。 余红刚( 1 9 7 5 一) ， 男 ， 浙江开化人， 高级工程师 ， 从事工 程管理方面的工作。 谢立华 ( 1 9 6 2 一 ) ， 女 ， 福建永定人， 高级工程师( 教授 级) ， 从事水利水电设计方面的工作。