陳 寶

（蚌埠市水利勘測設(shè)計院有限公司 蚌埠 233000）

弧形鋼閘門是水工建筑結(jié)構(gòu)中的重要組成部分之一，其作用是表孔閘門調(diào)節(jié)上下游水位，中孔閘門發(fā)電及底孔閘門排除沉沙。通常手工設(shè)計一套閘門需要40 個工日，而采用大型通用軟件設(shè)計使用效率不高，處理細節(jié)不到位?；诖耍疚尼槍@一具體工程建設(shè)需求進行MATLAB 算法研究，目的是針對弧形鋼閘門計算以及校核，提高設(shè)計的質(zhì)量和速度，完成弧形鋼閘門分析算法設(shè)計。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計程序主要目標(biāo)是可以進行對多個參數(shù)的計算，對水工弧形鋼閘門進行結(jié)構(gòu)分析，主要部分見圖1。

圖1 水工弧形鋼閘門功能框圖

2 弧形鋼閘門結(jié)構(gòu)分析

2.1 弧形鋼閘門組成

普通鋼閘門由面板、框架、支撐行走部件、吊具和止水構(gòu)件等主要部件組成。

（1）面板：封閉孔的上游面，直接承受水的壓力，然后將其傳輸?shù)娇蚣堋?/p>

（2）框架：具有足夠強度和剛度的結(jié)構(gòu)，以支撐面板并將水壓從面板轉(zhuǎn)移到支撐部件。

（3）支撐行走部件：將力從框架傳遞到土建結(jié)構(gòu)上，保證了閘門運動的靈活性和可靠性。

（4）吊具：連接到封閉裝置的部件。

（5）止水構(gòu)件：用于封堵門葉與閘門埋件之間縫隙的構(gòu)件，以便在閘門關(guān)閉時不發(fā)生滲漏或?qū)B漏減至最小。

2.2 主橫梁框架的形式

主橫梁式弧形鋼閘門在配置上，雙主梁一般遵循均等負荷原則，可以分為以下種類（見圖2）：

圖2 主橫梁式弧形鋼閘門分類圖

a 型結(jié)構(gòu)形式簡單，便于安裝和制作，相對鋼鐵消費量大，經(jīng)濟效益不好。因此，現(xiàn)在除了限制了閘門高度的水門以外幾乎沒有使用。

b、c 型由于主梁懸臂部分（一般取懸臂梁長度的1/5 左右）的負彎曲力矩，主梁中的彎曲力矩減少，從而節(jié)約了鋼材的使用。但是，b 型由于傾斜桿增加了橫向推力，所以臂和支撐相對復(fù)雜。相反，c 型的結(jié)構(gòu)更簡單，只要有一定的土建支持條件就可以配置。

2.3 梁格配置

梁格被用作傳導(dǎo)和支撐面板。其主要配置類型是簡式（純主梁）、普通式和復(fù)式。對于梁格的配置，垂直梁的間隔通常為1～2m，但是如果主梁是桁架結(jié)構(gòu)，則垂直梁的間隔必須與桁架一致。水平次梁的間隔通常在0.4～1.2m 之間。根據(jù)水壓的變化，采用上下緊密的配置。梁格連接分為層疊連接和齊平連接。

2.4 閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計

弧形鋼閘門的構(gòu)造設(shè)計包括水壓負荷計算、面板計算、主梁計算、水平次梁計算、支臂計算。在整體設(shè)計中，根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》（SL74-2013）進行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定檢查。

2.4.1 門上的負荷和內(nèi)力分析

閘門主要受的力有閘門的自身重力、水的壓力和啟閉力等。在考究閘門的時候，須計算擋水和泄水兩種狀態(tài)。閉合閘門儲水的時候，可以把靜水壓力看成兩部分：水平分力和垂直分力。除來自面板的水壓外，門背連接系統(tǒng)或起重槽可以承受門自重G。自重被認為是分布在上下流的重型槽之間的均勻負荷。本次的研究也另外考慮了波壓的影響。

2.4.2 啟閉力計算

弧形鋼閘門的啟閉力設(shè)計流程：

閉門力按式（1）計算，如最后的值為正時，則需要增加重量；若為負值時，則可以用自身的重力關(guān)上。

啟門力計算：

2.4.3 面板設(shè)計

根據(jù)強度條件σmax≤α[σ]，面板厚度的計算如下：

對于設(shè)計計算面板的步驟可以與水平梁的配置一起進行，因為面板自身重量大，鋼材達到節(jié)約的效果，用薄一點的鋼板做面板。但為滿足生銹的余量，一般不能取8～16mm。

2.4.4 次梁設(shè)計

根據(jù)能承受的最大負荷，面板可以直接連到水平次梁，受到面板的水壓。

計算均布負荷后，制作彎曲力矩的剪切圖，可獲得水平梁的最大彎曲力矩、最大剪切力。由此求出的橫截面積系數(shù)，即：

再根據(jù)此截面模量選擇滿足要求的最小梁高hmin，一般受力不是很大，所以經(jīng)常采用槽鋼。

最后，將二次梁的彎曲力矩最大化，進行耐彎曲試驗，如果滿足，次梁橫截面積的選擇完成。

2.4.5 主橫梁結(jié)構(gòu)計算

首先，完成主梁的均布負荷：

對力進行剖析之前，要再次確認主梁的截面，按照所挑選截面的各尺寸，求主梁的截面慣性力矩。具體如下：

截面靜矩：

慣性矩：

利用推論，如果y 軸通過形心（即=0），則靜矩Sy=0；同理，如果x 軸通過形心（即=0），則靜矩Sx=0，相反來看也正確。結(jié)合主梁橫截面積的配置方向，必須檢查其前翼緣、后翼緣、前翼緣和腹板的連接部和后翼緣和腹板的連接部。

抵抗矩：

基于這個利用疊加原理。在相同結(jié)構(gòu)的示意圖中，各負荷的整體作用效果等于各負荷各自作用的效果之和。這里所說的“效果”也適用于構(gòu)造的支撐反力（即外力），適用于構(gòu)造上相同的斷面（即內(nèi)力）。可以繪制彎矩圖。

找到彎曲力矩和剪切力的最大部分，進行主要梁截面的穩(wěn)定性計算，但主要的桿結(jié)構(gòu)的機械臂一般是對稱配置，因此需要穩(wěn)定計算其中的部分和支臂的連接部。

2.4.6 支臂結(jié)構(gòu)計算

支臂一般分為單腹式和二腹式，其斷面一般相對于x 軸和y 軸對稱，因此慣性力矩的計算更簡單，計算過程用相同的主要橫梁計算。但是，支臂計算除了需要計算其彎曲力矩、沖頭之外，由于是軸方向的受力部件，長度大，所以需要進行長度和細度比的驗算、是否穩(wěn)定的驗算。

判斷框架平面是否穩(wěn)定，依據(jù)公式（13）解出需要的計算長度：

3 弧形閘門計算

3.1 荷載計算步驟

（1）獲取基本數(shù)據(jù)HS、HO、HD、LY、L、R；

（2）通過利用三角函數(shù)求解出閘門的多個夾角Q1、Q3、QA；

（3）根據(jù)Q1 和Q3，使用IF 語句判斷閘門形式，選擇水壓力計算方法；

（4）根據(jù)得到的參數(shù)，進行閘門的簡圖繪制，直觀顯示。

3.2 面板計算步驟

根據(jù)上面計算的負載，需要定義梁格的尺寸，計算步驟如下：

（1）輸入梁格尺寸a、b 和正應(yīng)力【σ】；

（2）彈塑性調(diào)整系數(shù)；

（3）根據(jù)彈出式菜單中值的不同，從不同的table 表中選取k 的值；

計算完成后，繼續(xù)計算次梁。

3.3 次梁計算步驟

水平次梁直接與面板相連，承受面板的均勻水壓載荷，可以根據(jù)梯形分布進行計算。整個結(jié)構(gòu)中有許多次梁。由于次梁的應(yīng)力不是很大，因此可以使用相同類型的槽鋼進行計算，并且可以使用載荷最大的次梁進行計算。另外，底梁和頂梁的計算略有不同，可以分別計算。該界面可以自動讀取槽鋼參數(shù)表、選擇型號、并完成強度和撓度檢查計算。否則，界面將重新選擇模型并再次計算，直到滿足條件為止。次梁計算步驟如下：

（1）計算次梁的水壓力P；

（2）計算次梁的最大彎矩：Mmax=0.107ql2；

（3）計算截面模量：W次=Mmax/[σ]，自槽鋼材料庫中，選擇接近W次的型號，并讀取它的基本信息；

（4）面板參與次梁的有效寬度：B次≤b次+60t；

（5）組合截面相關(guān)參數(shù)，組合截面的面積A，組合截面慣性矩 I次、截面模量W次；

（6）次梁強度驗算：σ=Mmax/W次≤[σ]；

（7）次梁的撓度驗算：w/l ≤[w/l]。

3.4 主梁計算步驟

由于需要對主梁截面進行第一次選擇，而選擇的大小不符合使用要求，所以首先需要對主梁截面選擇。填寫完尺寸后，再跳轉(zhuǎn)到支臂的選擇畫面。主梁設(shè)計圖見圖3。

圖3 主梁設(shè)計圖

3.5 框架計算步驟

主梁和支臂的檢查計算不僅基于各自的應(yīng)力計算，而且還需要進行整體分析。它包括檢查在最大彎矩和剪切力下的截面應(yīng)力的計算，檢查整體穩(wěn)定性的計算，檢查局部穩(wěn)定性的計算以及折算應(yīng)力驗算。僅當(dāng)滿足所有條件時，設(shè)計才可以完成。否則，跳回到主梁和次梁的截面選擇界面，然后重新輸入?yún)?shù)。所有的步驟僅需要鍵入主梁容許撓度，便能夠進行所有的過程并得出結(jié)果。后將主梁和支臂數(shù)據(jù)補充查看結(jié)構(gòu)是否滿意。在對基于MATLAB 平臺的算法實現(xiàn)后進行仿真，效果見圖4。

圖4 框架結(jié)構(gòu)驗算界面圖

4 結(jié)語

計算機輔助程序以計算機形式輸出，結(jié)果清晰易懂。計算速度快、準(zhǔn)確，系統(tǒng)接口簡潔明了，滿足規(guī)范和實際工程要求，大大縮短了計算者的計算時間，提高了效率，具有較高應(yīng)用價值■