大跨度挡潮闸网架结构门型方案研究

2015-11-04唐金忠朱博华

城市道桥与防洪 2015年1期

关键词：门体网架滚轮

唐金忠，朱博华

（1.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市200061；2.上海诺山工程设计咨询有限公司，上海市200333）

大跨度挡潮闸网架结构门型方案研究

唐金忠1，朱博华2

（1.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市200061；2.上海诺山工程设计咨询有限公司，上海市200333）

通过对现状门型结构分析，提出一种挡潮闸网架结构门型创新方案。在跨度方向采用拱形网架结构作为门体受力体系，塑料面板，以塑代钢、不生锈，免维修保养。充分利用网架结构的特点，大跨度、重量轻，同时，创新采用圆弧形凹形槽作为行走和支撑轨道，使门体的支撑和行走合二为一，合理地解决了大跨度门页的支撑和行走机构。对网架结构门型设计方案进行了充分论证和结构分析，并阐述了实施方法，可作为大跨度挡潮闸门型选择参考。

挡潮闸；大跨度；网架结构；门型；研究

0　引言

风暴潮对入海河流的影响甚大，为能有效地防止风暴潮，唯一的办法就是在河口建挡潮闸，将风暴潮挡在河口以外。现有的挡潮闸门型多种多样，有直升门、弧形门、三角门、卧倒门等，但门体受力体系均是钢结构的主次梁或桁架，门型虽然有所不同，而门体均为钢闸门。由于挡潮闸跨度需要很大，为了满足闸门的刚度和强度，闸门需要的尺寸大、重量也大。如荷兰鹿特丹新水道挡潮闸横卧在宽360m、深17m的新水道上，为空腹式弧形闸门，单扇门体重达1.5万t，其支臂与固定在河道的球形联轴就重达600 t。如此大重量的门体，也使整个土建结构相应增大，门体重导致启闭力大，启闭时间长，一般需1 h左右。在涨潮的过程中关闭闸门，启闭时间无疑会影响挡潮效果。

针对现状大跨度挡潮闸门型存在的不足，研究表明对于大跨度挡潮闸，减小闸门自重和降低闸门启闭力是关键，为此，门型结构的受力体系需要“脱胎换骨”。通过对门型结构分析，本文提出一种网架结构门型［1］创新方案，以网架结构代替传统的主次梁或桁架结构。网架结构门型具有大跨度、重量轻的特性，这是门型受力体系又一次理想变革。利用网架结构的特性增大跨度，同时也可以减小门体重量，可节省大量门体结构工程量；采用塑料面板代替传统的钢板，这样既可以增大挡潮闸跨度，也可以减小门叶重量和启闭机械的容量，也降低了结构的制造难度，同时也相应减少了土建工程量，减少了施工难度。

网架是比较普遍的一种大跨度结构，这种结构整体性强，稳定性好，空间刚度大，防震性能好。网架的高度（或称为厚度）较小，能利用较小杆形构件拼装成大跨度的建筑。采用网架结构门型以一跨或多跨建设挡潮闸，能适应不同的闸址、不同的河口宽布置，方便应用，例如上海市黄浦江长航锚地闸址［2］，采用网架结构门型时，可以为三跨（100m+150m+100m）或一跨。

有必要指出，网架结构门型的提出，仍处于概念设计阶段，不可能马上走向市场，但独特的设计创意将带给人们启迪，激起设计思想的撞击和感动，会不断促进门型受力体系创新。在大跨度挡潮闸的设计进程中，我们将看到一个设计理念是如何逐渐演化和成长的。

1　网架结构门型方案设计

挡潮闸采用网架结构门型，以实现大跨度跨越河道。本方案以单孔闸为例进行设计，多孔闸可在此基础上稍作变通。单孔网架结构门型其主要内容分以下组成作用和运行方式两个部分阐述。

1.1组成和作用

网架结构门型挡潮闸根据河道宽度确定闸孔数，每孔由闸室结构、门体结构和启闭设备组成，闸室结构由弧形混凝土框架、混凝土圆形塔体和底板组成；门体由网架结构门页、行走构件和支撑构件组成；启闭设备可选择常规的卷扬机。

1.1.1整体支撑体系

与常规的水闸闸墩不同，网架结构门体的支撑为两个竖向构件，挡潮侧为一个弧形钢筋混凝土构件，作为门体的支撑和运行轨道；内河侧为一个垂直向筒体，作为闸室的竖向交通，如图1所示。两个竖向构件形成前弧后竖，其上部相交处设置启闭机室，为了增加闸室结构的整体性，减少不均匀沉降，宜采用桩筏基础，即两个构件下采用一块整底板，按刚度调平原则进行桩基布置［3］。

整体支撑体系受力合理、传力明确、外形流畅、简洁明快，建筑造型能突出水利景点。启闭机房布置在圆形筒体的顶部，其上部设置观潮、听潮层，通过设在内部的螺旋楼梯实现上下交通，并设置观光电梯。闸室剖面如图1所示。

图1　闸室剖面图

弧形钢筋混凝土构件采用框架结构，弧线方向为框架柱（梁）作为滚轮行走的轨道，这样可以使滚轮在任何状态下具有一个向心力，在启闭设备的牵引下紧贴着轨道运行。两端分别固结于底板和圆形筒体。

1.1.2网架结构门页

网架结构门页是该创新方案的主要亮点。网架结构是门页的主要受力体系，网架的杆件和节点的形状尺寸大都相同，因而可做成标准构件在工厂生产。这样制作加工方便，还可以提高效率，而且可降低材料消耗，改进节点构造，确保产品质量，并能减少大量现场工作量，提高网架结构门页的制作质量。

（1）门页形状

网架结构门页在垂直水流方向为拱形，其矢高f与跨距L之比一般为1/15～1/20。这样可以充分利用材料的抗压性能，节省材料，受力也更加合理；支座处顺水流向为圆弧形，且与支撑框架结构为同心圆。

根据河道断面形状，门页底部可以是水平，也可以为折线形，折线形与河道形状结合较好。

（2）门页面板及锚固

传统闸门多为钢面板，为了减轻门页重量，该创新方案采用一种高强度塑料面板。采用塑料轻质面板，以塑代钢，不生锈，免维修保养。为配合塑料面板的使用，网架结构的网格尺寸不宜太大，一般可以采用2～4m，以便为采用轻型面板提供有利的支撑条件。分块面板的尺寸与网架上弦网格尺寸相同，面板通过螺栓与网架连接，两者间采用橡胶止水。面板直接搁在网架上弦网格节点的支托及梁上，且要求每块面板4个角点和边与网架上弦节点的支托和支托间的连梁采用螺栓连接，螺栓间距按照需要确定，如图2所示。

图2　面板与网架的连接示意图

（3）门页支撑

网架结构的门页可以采用边支撑网架，也可以采用点支承撑网架，因为边支撑网架受力比较均匀，而挡潮闸一般跨度需要较大，因此，门页宜采用边支撑网架。

由于闸门功能的要求，需要在两对边上开口，因而使网架仅在两对边上支撑，另两对边为自由边。在运用中，闸门打开时，门页为两边支撑两边开口状态。当闸门关闭挡水时，门体与底板简支，门页在原两边支撑情况下，增加了底边支撑，形成三边支撑，一边开口。

上下两个自由边的存在对网架的受力是不利的，为此应对自由边作出特殊处理，一般可在自由边附近增加网架层数或在自由边加设托梁或托架；亦可采用增加网架高度或局部加大杆件截面的办法予以加强。

门页的对边支撑构件可以采用槽形钢梁，门页加上钢梁后组成一个矩形网架结构的门体，槽形钢梁与嵌在凹形槽中的主支架有效连接，以便于将网架的荷载传递给框架支撑结构，再传递于基础。

（4）门页配重

卷扬式启闭机对闸门不产生闭门力，门页底端通过计算可以适当配重，增大门体下滑力，以满足关闭闸门时门体能沿着弧形轨道自行滑动，并且满足关门的时间要求。

在闸门结构、卷扬机功率以及支撑的框架结构都能够满足的情况下，按所需的最大闭门力，计算闸门应具有的重量，以其与闸门实有重量之差作为应增配的重量进行配重。配重增加闸门闭门力，同时亦增加了启门力，因而同样需经验算，在应满足要求的情况下方可实施配置。配重材料可选择比重较大、易于安装施工的混凝土或铸铁材料。配重物应在门页底部对称设置，其重心应在闸门重心线上，避免因配重造成重心偏离或引起闸门变形，影响启闭。

1.1.3行走与支撑

闸门行走及门体支撑系统均布置在闸室的弧形框架上，在启闭机的驱动下，门体依靠滚轮行走完成启闭。滚轮既是行走设备也是支撑构件，滚轮由主轮和侧轮组成，如图3所示，各滚轮与支架一起组成门体的支撑系统。行走与支撑系统置于凹形开口槽内，一个主轮和两个侧轮通过支架连接组成一组，网架门页的支撑边梁与主支架焊接，主支架下按需要设置若干组滚轮装置，共同提供上下行走，启闭闸门。

图3　行走与支撑节点详图

（1）主轮

主轮设置于凹形槽内，为网架门体的主要行走和支撑装置，其轴两端上方支撑于主支架；主轮轨道为不锈钢凹形槽的底部，为圆弧形，门体在自身重力或水压力的作用下，使主轮始终紧压轨道，承担着网架门体的垂直荷载，并且在启闭设备提供的动力作用下滚动，启闭闸门。

（2）侧轮

侧轮同样设置于凹形槽内，布置于主轮两侧，其轴由侧支架支撑，而侧支架又与主支架（主轮轴）连接；侧轮沿着凹形槽侧壁行走，主要承担网架结构的水平力，并将水平荷载传递于凹形槽侧壁。两侧的侧轮相向设置，有效地提供水平力的平衡，保证了网架门体的支撑和行走。

（3）凹形开口槽

凹形开口槽预埋于弧形的混凝土框架上，其纵向与框架同长、同弧度，横剖面为对称形。槽内对称布置主轮和两个侧轮，并通过3个支架将3个滚轮连接为一组。凹形槽的宽度和深度主要由滚轮的大小决定，槽上方的开口宽度稍大于网架支撑边梁的宽度。

凹形开口槽主要作为滚轮的行走和支撑，实质为网架结构门体的弧形门槽，且具有锁口作用，防止滚轮脱离轨道，并将闸门荷载传递给混凝土框架结构。

（4）支架

主支架为U形钢梁，其长度与闸门高相等，宽度大于槽口宽度，并满足主轮的安装尺寸；既是主轮的支撑，又是网架边梁的支撑梁，与网架边梁一起共同承担网架荷载。支撑边梁分为两个U形结构，目的是便于网架门体和行走支撑系统的施工安装。

侧支架为侧轮的支撑，为一U形构件，与主轮轴对接。侧支架主要承担网架门体的水平荷载，并通过侧轮将荷载传递于混凝土框架结构。

1.1.4启闭设备及连接方式

网架结构门体的操作采用卷扬机启闭，门体两个支撑边各设一根吊点，两台卷扬机布置在启闭机房内；每台卷扬机引出一根钢丝绳，钢丝绳置于凹形槽内与主支架端头铰接。

闸门启闭时，两台卷扬机应同步运行。卷扬机的同步采用电气变频同步系统，以保证卷扬机转速的同步。通过安装在电动机上的测速仪，由PLC控制变频器，使变频器变频改变电动机的频率，达到纠偏同步的目的，从而使卷扬机的转速保持同步。

1.2运行方式

运行方式应根据挡潮闸的运行要求设计。入海河口挡潮闸的运行要求基本相同，一般为涨潮前或涨潮过程中涨至某一特定高潮位时，关闭闸门挡潮；落潮过程中当闸门内外水位齐平时，打开闸门泄水、通航。

（1）关闭闸门

关闭闸门是通过门体自重关闭。闸门于全开位置状态，启动卷扬机逐渐放松钢丝绳，在门体的重力作用下，门体沿弧形轨道自动向下滑行，钢丝绳逐渐打开，卷扬机控制下滑速度，闸门慢慢向下滑行；弧形轨道导致门体重力逐渐加大，克服浮力，落至闸底板完成关闭闸门。关闭闸门时间较短，可以控制在20min以内，由门体自重和卷扬机转速确定。

（2）开启闸门

打开闸门时，上下游水位宜基本持平。启动卷扬机，钢丝绳拉动门体向上移动，至闸门全打开。

闸门至全开位置后，通过卷扬机的锁锭装置锁定闸门；锁锭装置设防误操作行程保护开关；同时，在弧形轨道上设置结构锁锭，做到双保险。打开闸门是在静水中进行，时间可以控制在20min以内。

2　结构分析和计算

受力分析的目的是利用传力路径分析图，优化水平向和竖向构件布置，做到构件布置合理，有足够的强度和刚度，并方便力的传递，使行走系统运用自如，结构变形应控制在允许的范围内。在该实例中网架门体的支撑结构为主轮和侧轮，通过受力分析，确定行走装置及支撑结构的合理性。以下仅对几个关键问题予以讨论，以提供一些解决问题的思路。

2.1门体结构分析

网架结构门型在跨度方向采用拱形结构，如图4所示，其矢高f与跨距L之比一般为1/15～1/20。拱形网架结构与常规的网架结构有所不同，既要考虑在跨度方向上的受力，尚应考虑门体垂直方向上的结构稳定。跨度方向上可以按照常规网架结构计算，同时应计算垂直方向上网架结构的受力。

图4　网架结构门型平剖面图

拱形结构在竖向荷载的作用下，在拱脚处将产生水平推力，这是拱结构所具有的一个特点。拱形的网架结构门体在水压力的作用下，同样在拱脚处将产生水平推力。采用主轮和侧轮组合，结构简单，受力明确，保证了将闸门荷载传递于框架，可以有效地化解拱脚水平推力对门体变位的影响。

网架结构门体拱脚采用两个侧轮对撑，结构稳定，不易变形，构造简单，传力明确而直接，有效地将门体所受水压力、自重等荷载传递至框架。凹形槽两个侧向支撑面，互为约束，提高了支撑的稳定性。

门体在开启状态时，悬架于闸室框架的顶端，风荷载、地震作用都比较复杂，需要进行三维有限元分析计算；有条件时，宜进行模型试验。

2.2行走和支撑受力分析

受力分析的目的是利用传力路径分析图，优化水平向和竖向构件布置，做到构件布置合理，有足够的强度和刚度，并方便力的传递，使行走系统运用自如，结构变形应控制在允许的范围内。主轮和侧轮既是支撑结构，也是行走装置，通过受力分析，确定受力的合理性。

创新采用凹形槽圆弧形行走轨道，使门体的支撑和行走合二为一。门体两端各有一组行走系统，由主轮和侧轮组成，在为门体提供支撑和行走过程中，主要是通过滚轮组织力的传递，主轮支撑受力如图5所示，可以看出通过主轮和侧轮汇集并完成力的传递。

图5　门体配重计算示意图

侧轮的轴支撑通过支架与主轮轴连接，侧轮平行于门体，支撑于凹形槽的侧壁，且在侧壁上行走，为主轮提供水平向的支承力，以抵抗门体的水平荷载。作为支撑体系的滚轮在外荷载和轨道反力的作用下，必须满足静力平衡条件。

2.3门体配重计算

门体行走于弧形的轨道上，在自重的作用下，必然会产生一个压力和下滑力，如图5所示，简化计算时可将门体自重和配重各简化为一个质点，分别计算下滑力后叠加。

由图5可以看出，某一质点i在重力作用下产生下滑，其下滑力Fi为：

式（1）中：Fi为质点i的下滑力，kN；Gi为质点i（门体或配重）的重量，kN；ai为质点i的位置与水平线的圆心角，（°）；Li为对于圆心角ai的弦长，m；R为弧形轨道半径，m。

由式（1）和图5可知，在同一个弧形轨道上，同一质点在弧形轨道上的位置越高，其圆心角越大，则下滑力越小；而同一高度下同一质点，弧形轨道半径R越大，则下滑力越大。门体位于闸底板时，下滑力最大；门体打开位置时，下滑力最小；网架结构一般自重较小，为了保证门体在自重作用下放松卷扬机拉索后能自动下滑，就需要有足够的配重。

在闸门闭落过程中，随着闸门的下落，闸门受到摩擦力和浮力逐渐增大，闸门必须克服这些阻力才能顺利闭落。对于卷扬式启闭机，由于卷扬式启闭机对闸门不产生闭门力，只能靠闸门自重产生。在闸门自重不能满足闭门需要时，门体需要增加配重。配重物一般设置于门体下部，配置重量按式（2）计算：

式（2）中：△G为闸门增重，kN；k为摩阻力安全系数，一般采用1.10；f为摩阻力，kN；p为门体浮力与f平行的分力，kN。

3　实施步骤和方法

闸室为钢筋混凝土结构，由两组竖向构件和底板组成，竖向构件比较集中，可采用钢围堰施工，也可以采用沉井施工；底板为分离式空箱结构，空箱底板分段先在工厂预制，基础底应先进行冲淤至设计高程，空箱底板分节浮运至现场，灌水后下沉就位，支撑结构和底板不做过多地论述，本实用新型挡潮闸的主要亮点是网架结构门体，因此，以下对网架结构门体的实施作重点阐述。

目前网架结构连接节点的加工技术已很完善，整个网架宜分段制作，现场采用船在水上拼接安装，其施工已有成熟的经验可以借鉴，因此，以下从设计的角度简述其具体实施方法的要点。有必要指出，制作安装的工艺多种多样，施工顺序不同，施工的方法也就不同，以下所述只是其中的一种方法。

3.1闸门支撑结构的施工

门体支撑为钢筋混凝土结构，施工过程中应该严格对构件的外形尺寸（特别是曲线形构件中心线位置）以及各点标高进行计算和测量，务必满足设计精度要求。

弧形钢筋混凝土框架结构施工时，应做好凹形槽的预埋。

3.2门页网架结构和面板制作

网架的杆件和节点布置对称，形状尺寸大都相同，因而可做成标准构件在工厂生产。这样制作加工方便，还可以提高效率，而且可降低材料消耗；改进节点构造，确保产品质量，并能减少大量现场工作量，提高网架的工程质量。网架结构门页可以委托专业公司，按设计要求分段制作。

面板采用塑料，按照网架的网格尺寸分块制作，并预留好螺栓孔；按面板支撑长度制作橡胶片，并预留螺栓孔。

3.3行走和支撑装置制作与安装

（1）凹形开口槽

凹形槽为弧形，与弧形框架梁为同心圆，应采用不锈钢分段制作，现场焊接于弧形框架梁的预埋件上，接缝处抛光。

（2）滚轮和支架

一组滚轮由一个主轮和两个侧轮组成，由一个主支架和两个侧支架，将一组滚轮组成一套行走和支撑装置；主支架纵向为弧形、截面为U形的不锈钢梁，与凹形槽和门页边梁为同心圆，与门页边梁同弧度、同长；一个主支架下设置若干组滚轮，在工厂内将支架和滚轮进行焊接组装成一套装置，从凹形槽的一端（未封口前）插入；或凹形槽上方两侧挡板先不焊接，行走与支撑装置从凹形槽上方放入槽内，在门页网架安装完成后，再焊接凹形槽上方挡板。

（4）门页网架结构和面板安装

制作好的分段门页运至现场后，先将两个端头门页段与行走支撑装置焊接（或采用螺栓连接），在船上再完成其它段门页网架整体拼接；将拼接好的门页网架运置于闸门开启位置，最后进行面板安装，闸门底止水和侧止水安装。

（5）启闭设备安装

卷扬机按常规要求进行安装，为了保证两侧卷扬机同步，首先要保证闸门吊点同步。当两吊点钢丝绳启闭同步时，卷扬机出绳点到闸门吊点的行程应相等，即钢丝绳的长度相等，这样就能保证闸门两端同步运行。除此之外，同时还应设置电子监测，如安装一套旋转编码器，当转速差超过设定值而同步系统没有纠偏时，系统将停机并发出警报信号。监测、纠偏装置有待于在自动监控系统设计中论述。