钢坝底轴设计研究

牛 闻

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

底轴驱动翻板式闸门行业内简称钢坝，主要由门叶、底轴、支座、止水、两侧液压机、控制系统和固定埋件等组成，是河道中建坝蓄水挡水的一种适用于大跨度低水头闸门，立坝时门顶可溢流门后形成景观瀑布、塌坝时门叶上过水行洪。据了解，国内每年都新建多座钢坝，单跨孔口最大净宽已达到102 m[1]、挡水水头超过6 m 高，已成为常用的一种闸门型式，然而水闸和钢闸门设计规范[2-3]却对钢坝布置和设计未作出相关规定，这就需要设计者根据经验和已成工程类比进行设计。本文以某工程孔口宽46 m、蓄水高度4 m 钢坝为例，对底轴及其支座进行设计研究，为类似设计提供参考。

1 钢坝概况

某工程河道净宽46 m，采用钢坝蓄水，蓄水高度4 m，设计考虑门顶过水高度0.2 m，总水压力约5900 kN，运行方式为动水启闭、全开全闭操作，启闭设备选用2×3200 kN 的卧式液压启闭机。该闸门门叶主要由面板、30 根主纵梁、4 根横次梁和顶弧板组成，主纵梁采用T 型断面厚度为0.8 m、间距为1.55 m，横次梁采用槽钢25、间距为0.8 m，底轴直径为1.5 m。底轴共设9 个支座（跨中7 个、每侧边墩各1 个），跨中支座最大间距为7.75 m、最小间距为6.2。每侧边墩内各设1 套液压泵站驱动油缸，采用电气同步，控制室设在左岸，通过埋设于底板的线缆控制液压泵站。钢坝布置见图1。

图1 钢坝布置图

2 底轴设计

2.1 底轴强度

底轴是钢坝主要传力件，主要承受垂直门叶方向的水压传递到底轴上扭矩，还伴随有门叶重、底轴自重、竖向水压和液压机引起的弯矩，计算强度时，先确定出危险点的主应力值，再根据强度理论[4]建立相应的强度条件，最后选取截面满足闸门规范允许弯应力值即可。在实际设计中首先通过对底轴起决定作用的扭剪力来初步选择底轴截面，但相关规范并未给出许用扭转剪应力，查阅相关资料关于许用扭剪应力主要有以下内容：

1）机械设计[5]中对于不受弯矩或仅受较小弯矩的轴，给出了常用材料考虑了弯曲影响而降低了轴的许用扭剪应力[τ]值，板厚为60 mm～100 mm 时屈服点σS与其值的比值即安全系数 n，见表1。

表1 不同材料许用扭剪应力值以及对应的安全系数值

由表1 可知：n=σS/[τ]≥7。

2）材料力学[6]中常温静载下，对塑性材料纯扭转时的许用应力与拉伸时的机械性能有一定的关系，可近似取：

由上式（1）可知：n=σS/[τ]≥2.5～5。

3）启闭机设计规范[7]中计算卷筒由弯矩和扭矩产生的换算应力时，用下式计算：

式中：σF为换算应力；MW为卷筒所受的弯矩；Mn为卷筒所受的扭矩；W 为卷筒断面的抵抗矩。

由上式（2）当卷筒所受的弯矩为零时，则有：

式中：Wt为抗扭截面系数，对于空心轴截面Wt=2W。

由上式（3）可知：n=σS/[τ]=5。

根据钢坝运行特点，底轴驱动门叶转动速度较慢，且精度要求也较低，按照机械设计中取许用扭剪应力[τ]值安全系数明显偏大，造成材料浪费。考虑底轴同时承受弯矩和扭矩作用，结合材料力学和启闭机设计规范中安全系数，建议初选底轴断面时许用扭矩[τ]按下式取值：

式中：σS为板材对应厚度的屈服点。

本工程选取底轴材质为Q345C、直径为D=1.5 m、最大扭矩为与拐臂连接的底轴处对应最大壁厚δ=90 mm，按上式（4）计算扭转应力τmax为：

式中：Tmax为底轴最大扭矩，Tmax=1.27×1010N·mm；

Wt为抗扭截面系数。

待钢坝各支座位置确定后再精确按下式第三强度理论对底轴应力校核：

2.2 底轴刚度

底轴除强度外，还应满足刚度要求，刚度包括由支座轴间由弯矩引起的挠度和整根轴上由扭矩引起的扭转变形，而扭转变形通常以扭转角来计算，闸门规范对底轴刚度也未给出许用弯曲挠度和扭转角，上述资料中对刚度规定基本一致，规定如下：

1）允许弯曲挠度：一般用途的轴最大挠度不应超过支点间距的0.0003～0.0005。

2）允许扭转角：一般传动轴[φ]=0.5～1，精密轴[φ]=0.15～0.5。

底轴弯曲挠度在截面选定后，主要受支座间距影响，支座间距一般不大于8 m，考虑底轴同心度±3 mm、门前底止水预压3 mm～5 mm 和穿墙套管止水等因素，建议底轴最大弯曲挠度应不超过支点间距的0.00035，此时支座间距8 m 时最大挠度为2.8 mm，能满足精度和止水要求。

底轴扭转变形后会带动门叶变形，底轴和门叶受力为孔口中心对称性，从而门顶会形成由两侧边墩向孔口中心高度逐渐降低，门顶水面不在同一水平面上，底轴扭转角越大门顶水面高差越大，见图2。考虑上游河道来水量较小时，门后瀑布的景观效果，建议门顶水面高差不大于Δh 来控制底轴扭转角值φ，忽略门叶本身受力变形时，对应着不同孔口尺寸B 和蓄水高度H 与允许扭转角[φ]存在以下关系：

即：

图2 底轴扭转变形示意图

本工程孔口宽B=46 m，蓄水高度H=4 m，底轴直径D=1.5 m，门顶允许水面高差Δh=0.02 m，则按上式（5）计算底轴最大扭转角为：

式中：G 为材料的剪切弹性模量，G=7.9×104N/mm2；Ip为极惯性矩，。

2.3 底轴支座设计

底轴支座由孔口段支座和两侧边墩支座组成，是用于支承底轴并传递门叶和底轴荷载。根据孔口宽度相应设置孔口段支座，间距一般不大于8 m，而两侧边墩内一般各设一个支座。目前规范也未对支座型式作出规定，边墩支座一般采用全包式支座，而孔口段支座常用的型式有全包式支座和半包式支座两种型式，见图3。全包式支座是支座将底轴全部固定，通过支座内圆形轴承与底轴接触并能相对滑动，此型式对各支座同心度和基础不均匀沉降要求较为严格，一旦同心度出现较大偏差或者基础存在不均匀沉降，支座对底轴就会产生附加荷载和变形，严重影响底轴受力和运行安全。半包式支座是支座采用半圆形，仅固定底轴下半部分，通过支座内半圆形轴套与底轴下半面接触并形成滑动面，此型式能在一定程度上解决基础不均匀沉降对底轴的影响，而当沉降值较大时支座会脱离底轴，从而引起此底座失效，底轴有效支点跨度增大，进而也会影响底轴受力和运行安全。

图3 底轴支座示意图

通过对闸门受力分析：立坝时底轴对底座传力为水压引起的向下游水平力和门叶、底轴自重引起的竖向力，一般水平力远大于竖向力。在半包式支座基础上将孔口段底轴支座设计成U 型支座，见图2。U 型支座具有以下特点：能根据设计给定的沉降值确定支座竖向高度，当基础出现较大不均匀沉降时，支座仍能与底轴接触传递水平方向的水压力，避免底轴受力增加。本工程设计相对沉降量最大值为10 mm，考虑10 mm 富余量，最终将U 型支座竖直段高度设计为20 mm，并将支座锚栓螺纹长度预留20 mm 且底板埋设沉降观测仪，以便后期对基础沉降实时观测，一旦出现较大沉降时能及时调整锚栓来调整支座高度，保持支座与底轴完全接触，避免支座长时间脱空底轴。

3 结语

该钢坝于2016 年底建成并蓄水运行，至今运行良好。笔者也通过对该钢坝的设计研究有以下几点体会，希望能给类似设计时提供参考，如有不当请批评指正。

1）许用扭剪应力和扭转角是钢坝底轴强度和刚度理论设计的重要指标，建议修订闸门规范时应予以规定；

2）由于底轴同时承受弯矩和扭矩作用，可通过扭剪计算初步选取截面尺寸，最终应根据第三、第四强度理论，或者有限元对整体闸门进行复核验算。

3）底轴U 型支座在不影响底轴受力的情况能适应一定的基础不均匀沉降，建议对每块底板设沉降观测仪，以便对基础沉降实时观测，出现较大沉降时能及时通过调整预留锚栓来调整支座高度，保持支座与底轴完全接触。

4）底轴支座长期位于河道中，日常巡查维修不便，为保证底轴与支座间的润滑，建议底轴对应支座处贴焊不锈钢、支座轴承与底轴间应设可靠的密封装置、支座轴承宜采用适用于泥沙环境的自润滑轴承。