颍上复线船闸人字门预应力背拉杆设计与研究

陈洪涛

（安徽省水利水电勘测设计院合肥230088）

颍上复线船闸人字门预应力背拉杆设计与研究

陈洪涛

（安徽省水利水电勘测设计院合肥230088）

通过对国内人字门背拉杆的分析与研究，颖上船闸人字门设计选用了预应力背拉杆，并结合有限元分析，对背拉杆结构及预应力进行优化设计，从而有效地提高了闸门刚度，减少了闸门变形。背拉杆为可调式，以实时调整闸门运行产生的变形。可调式预应力背拉杆技术在安徽省船闸人字门上尚属首次应用。

人字闸门 背拉杆 预应力 三维有限元

1工程概述

颍上船闸位于沙颍河入淮河口（沫河口）上游45km处，上距阜阳船闸78.5km，为沙颍河航道下游的最后一级船闸。颍上枢纽为Ⅱ等大（2）型水利工程，复线船闸级别为Ⅳ级，上闸首防洪，单向挡水。复线船闸闸室尺度为200m× 23m×4m（长×宽×门槛水深）。按照《船闸闸阀门设计规范》（JTJ308-2003）中第2.3.2.1条“承受单向水头在静水条件下启闭的工作闸门，宜选用人字门”。设计选用船闸上、下闸首工作门均为人字形钢闸门。上闸首单扇闸门外形尺寸（宽×高）13.8m×14.5m，下闸首单扇闸门外形尺寸（宽×高）13.8m×17.2m，上、下游最大水位差为7.96m。其下闸首人字门单扇门叶重量为190.5t，该人字门已达到大Ⅲ型人字门标准，其规模和设计水位差超过安徽省的已建工程。

2预应力背拉杆的必要性

人字门的结构设计应保证在人字门开关过程中的变形都在弹性范围内。安徽省前期船闸人字门均采用非预应力背拉杆。非预应力背拉杆施工方便，直接焊接在门叶的翼缘侧，能减少因自重而引起的闸门下垂，但对闸门的抗扭作用不大。对于中小型船闸，可以通过合理选择门叶厚度，并焊接非预应力背拉杆来提高门叶抗扭刚度，达到控制闸门的下垂和扭转变形的目的。

随着经济技术的发展，新建船闸规模不断增大，人字门外形尺寸及重量也不断增加。目前，国内在人字门背拉杆的研究已日臻成熟。对于大型闸门，一般采用设置预应力背拉杆措施来提高门叶的抗扭刚度。

预应力背拉杆是预先在背拉杆中施加一个足够大的拉力，使得门叶在工作中，始终处于受拉状态，从而提高门叶的抗扭刚度。

颍上船闸人字门门叶为边柱半封闭、中间开口的薄壁式结构，门体高度达17.2m，抗扭刚度相对较小，运行过程中，自重、水压以及风压产生较大弯矩，门叶产生扭转变形较大，门叶平整度无法保证，易造成承压条异常磨损、闸门运行卡阻、门叶关闭不严等现象，对闸门安全运行产生不良影响。故采用预应力背拉杆来提高门叶的抗扭刚度。

3预应力背拉杆结构及布置

预应力背拉杆分为可调式和不可调式：焊接式预应力背拉杆不可调节，设计时，通过计算应变来提供预应力，存在一定的误差，且受应力时效性影响，即焊接应力释放后造成门叶变形等因素，难以达到设计的理想状态。可调式预应力背拉杆具有重新预紧调节及维护更换的特点，故有着更好的实用性。

根据施加预应力的方式，背拉杆型式有：端部拉锚式和中部花兰螺母拉紧式。端部拉锚法适用于超大型人字门，可以提供更大的预应力。中部花兰螺母调节法对背拉杆的调试操作较为方便。

通过计算分析，颍上复线船闸下闸首人字门需要提供的预应力不大，花兰螺母所需转矩采用100kN手拉葫芦可以满足，故采用花兰螺母调节式预应力背拉杆。

图1 花兰螺母调节装置图

花兰螺母式调节装置如图1所示，其工作原理如下：主（副）背拉杆与左（右）旋螺母焊接为整体，通过旋转花兰螺母，调节左、右螺杆的啮合长度来调节背拉杆的长度，达到预应力背拉杆的设置的目的。紧固螺母用于防滑，在调节完毕后紧固。

背拉杆在人字门翼缘侧的布置型式如图2所示。

4背拉杆的设计与计算

颍上复线船闸下闸首人字门的背拉杆布置有主、副背拉杆，主截面均采用尺寸为300mm×30mm的钢带，副拉杆紧贴节点板安装，主拉杆悬空安装，端部与翼缘节点板焊接，主、副拉杆长度相等。主拉杆与副拉杆中间相交处预留5mm的间隙，以避免调试时发生干涉。

背拉杆的左、右调节螺母均选用型号为Tr160×6的梯形螺母，其公称直径为160mm，螺距为6mm。

经计算，当人字门扭转变形最合理时，主背拉杆的设计预应力为100MPa，变形量为9.74mm；副背拉杆的设计预应力40MPa，变形量为4mm。

图3 安装前水流方向变形图（单位：mm）

图4 安装前竖直方向变形图（单位：mm）

图5 安装后水流方向变形图（单位：mm）

图6 安装后竖直方向变形图（单位：mm）

表1 预应力背拉杆安装前后影响分析表

5人字门的变形分析

利用三维有限元分析软件ANSYS对下闸首人字门进行相关建模分析。

图3～6分别为下闸首人字门在预应力背拉杆安装前与安装后，门叶在顺水流方向和竖直方向的变形量示意图。

根据分析结果，将安装预应力背拉杆的前后形变分析进行汇总，如表1所示。

由表1、图3～6，得出以下结果：

安装背拉杆前，门叶扭转现象较为明显，斜接柱顶部变形量较大，顺水流方向变形量为10.28mm，竖直向变形量为3.44mm。

预应力背拉杆安装后，斜接柱顺水流方向变形量为2.80mm，竖直向变形量为0.74mm。预应力背拉杆的设置，有效地提高了人字门门叶的扭转刚度，减少了门叶的扭转和自重产生的变形。

可见，通过合理的预应力背拉杆设计，可有效地控制门叶的扭转和下垂量。

6背拉杆预应力的调试

人字门安装完毕后，利用辅助设备将人字门的门叶调整至平整状态，在水平、竖直的方向无变形，且无扭转。将背拉杆调整至安装状态，对背拉杆安装位置放样、定位、焊接。然后分批次施加预应力，调整门叶，调试主、副背拉杆。

第一次：主背拉杆预应力增加到设计值的30%，副背拉杆不施加预应力，释放所有约束后，测量人字门斜接柱和门轴柱的变形情况是否符合规范要求。

第二次：主背拉杆预应力继续增加，至设计值的50%，副背拉杆不施加预应力，释放所有约束后，测量人字门斜接柱和门轴柱的变形情况是否符合规范要求。

第三次：主背拉杆预应力继续增加，至设计值的80%，副背拉杆预应力增加到设计值的50%，释放所有约束后，测量人字门斜接柱和门轴柱的变形情况是否符合规范要求。

第四次：主背拉杆预应力继续增加，至设计值的100%，副背拉杆预应力增加到设计值的100%，释放所有约束后，测量人字门斜接柱和门轴柱的变形情况是否符合规范要求。

如果中间过程通过测量发现人字门斜接柱和门轴柱的变形情况已经比较理想且满足安装支枕垫块的要求，可以停止调节背拉杆预应力。为保证背拉杆具有足够的预应力和安全相应的安全裕度，主、副背拉杆的预应力不得小于设计值的50%，不得超出设计值的110%。

7结语

预应力背拉杆设计的关键是预应力的优化，一般以最不利工况下，门体和背拉杆的共同变形、应力为设计依据，使得与背拉杆的位移和应力设计值均在规范允许范围内，并留有一定的安全裕度。

预应力背拉杆是在安徽省船闸人字门上的自主设计，首次应用，目前颍上复线船闸工程正在安装调试阶段，人字门可调式预应力背拉杆的工程应用效果尚有待实践检验。本文旨在为后续沙颍河耿楼船闸、引江济淮工程蜀山船闸等工程的人字门设计提供借鉴和参考