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(武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

作为船闸中最常采用的形式，人字闸门由一系列板、壳、梁、杆等构件组合而成，为一复杂的空间薄壁结构体系。门体在启闭运行和关门挡水时的受力状态完全不同，因此结构静、动态响应有其特殊性和复杂性。 此外，底枢作为人字闸门的主要支承部件，门体的频繁启闭极易造成其构件接触面的过度磨损，继而导致门轴柱倾斜、底封漏水、侧缝射流，造成被迫断航抢修和提前大修的情况[1-2]。本文针对某现役人字闸门，对其进行结构响应分析及优化。

1 结构概述

汉江某航电枢纽工程中的船闸人字门布置在汉江主河道右侧，其轴线与坝轴线正交。船闸等级为Ⅲ级，按通航一顶4艘千吨驳船队设计，设计水头8.82 m，上、下闸门门叶高度分别为9 800 mm、13 100 mm，单个门叶宽度为13 530 mm。门体结构采用交叉梁系方式布置，主横梁与面板、门轴柱、斜接柱等构成门叶挡水支承系统，门体背面设置一组预应力背拉杆，主、副杆各由两根扁钢组成。结构梁系均为实腹工字组合梁，门轴柱和斜接柱均采用开口式截面。关门挡水时，采用连续钢支承方式将反力传递于闸首边墩，并兼作侧止水。闸门底枢为固定式，顶枢采用三角桁架式。上下闸首人字门均采用卧式直推式液压启闭机，门叶通过置于其顶部的启闭杆实现静水启闭。

2 数值仿真

2.1 有限元模型

考虑到人字闸门结构的对称性，只建立单侧门体模型，其中X轴沿门叶厚度方向、Y轴沿门叶宽度方向、Z轴沿门叶高度方向，见图1。

图1 人字闸门有限元计算模型

本闸门底枢为固定式，轴承台的固定支座刚度较大，故模型中将蘑菇球头底部刚性固定，取代底枢轴承台模型。承轴巢与蘑菇球头的接触属于柔体(承轴巢)-刚体(蘑菇球头)的面-面接触，通常选取刚度相对较大的蘑菇球头作为目标面，采用targe170接触单元定义；承轴巢(轴瓦)为接触面，选用单元conta174定义。承轴巢与蘑菇球头局部有限元模型见图2。

鉴于背拉杆的结构及受力特点，模型中采用LINK8杆单元进行模拟，背拉杆端部节点与门体的连接采用耦合处理。模型单元类型见表1。

图2 底枢轴承巢与蘑菇球头接触模型

表1 模型单元类型汇总表

2.2 载荷及工况

2.2.1 自然悬挂状态

1)载荷。人字闸门自重，背拉杆预应力。

2)约束。底枢蘑菇球头底面刚性固定，顶枢、启闭杆及门体连接处均为平面位移约束。

2.2.2 启、闭运行状态

1)载荷。人字闸门自重，背拉杆预应力，门前雍水压力，风压(与门前水压力同向作用)。

2)约束。底枢蘑菇球头底面刚性固定,顶枢、启闭杆及门体连接处均为平面位移约束。

2.2.3 关门挡水状态

1)载荷。人字闸门自重,背拉杆预应力,风压,挡水面板正面水压力,门轴柱、斜接柱的X面水压力,底横梁局部的Z向水压力。

2)约束。底枢蘑菇球头底面刚性固定,顶枢平面位移约束,门轴柱端侧支承为平面位移约束,斜接柱端侧支承为对称约束。

依据设计要求，人字闸门为静水启闭，且按剩余水头差0.1 m考虑，故开、关门时，门前雍水高度取为0.1 m，且水压力作用方向相反。

2.3 背拉杆预应力优化

人字闸门为板架结构，其抗扭能力相对较弱。背拉杆作为抵抗门体弯曲变形的主要构件，对其施加预应力可以提高人字门在关门挡水状态下的抗弯刚度，同时减少人字门在自重作用下的变形，使闸门在开启与关闭时，门扇平面的弯曲变形方向相反，并均保持较小的数值。

对背拉杆预应力的数值模拟主要有等效力法、等效应变法和等效降温法。目前，等效降温法在不涉及热分析的结构计算中较为实用，该法通过对材料设置线膨胀系数，继而在给定的温差下即可获得与预应力产生的应变等效的效果。本文采用等效降温法，模拟实际操作时背拉杆预应力调试过程，将门体仅在自重作用下背拉杆预应力与门轴柱、斜接柱的位移关系列于表2。

表2 背拉杆预应力优化汇总表

注:初始状态为门体不设背拉杆，仅在顶枢、底枢、启闭杆处约束时的状态。X向位移，“+”表示该点位移指向上游面，“-”表示该点位移指向下游面。Z向位移为正值，表示位移方向与重力方向相同。

如图3～6所示，当背拉杆调试4次后，门体Z向位移沿水平轴线方向分布均匀，且最大Z向位移出现在斜接柱处。由于背拉杆的作用，门体各角点向下游方向变形且量值相当，挡水面板中部向上游方向偏移，整个门体呈“帆状”变形。斜接柱端封板径向位移呈“弓型”分布，最大相对变位为0.25 mm，其中上、下角点最大相对变位仅为0.18 mm，门扇基本保持垂直。

主、副杆应力为58.41和33.42 MPa，且主、副杆应力值满足设计及规范要求[3]。

由表2可见，不设背拉杆时，门扇弯曲变形相当严重，垂直于门扇的最大X向位移发生于斜接柱下角点，其值为13.99 mm，最大相对径向变位为21.87 mm(斜接柱上、下角点X向位移之差)，斜接柱下角点最大Z向位移为6.49 mm。可见若不设置背拉杆，此程度的变形将使闸门无法正常工作。

图3 第4次调试门体垂向位移分布云图

图4 第4次调试门体径向位移分布云图

图5 第4次调试斜接柱端封板径向位移分布云图

图6 第4次调试背拉杆von Mises应力分布云图

2.4 结构响应分析

2.4.1 典型工况下静态响应分析

以第四次调试结果为基础，对结构在自由悬挂、启闭过程以及关门挡水等典型工况下的响应进行分析，各主要构件应力、门体变形情况见表3、4。

表3 各工况下主要构件应力汇总 MPa

表4 各工况下门体变形汇总 mm

注：X向位移，“+”表示该点位移指向上游面，“-”表示该点位移指向下游面。Z向位移为正值，表示位移方向与重力方向相同。

2.4.2 模态分析

多数工程实例表明，关门挡水状态下，门体易在充、泄水过程中的某一水位段出现振动，而振动的激励源主要是充、泄水时的水力脉动和漏水所引起的水力脉动[6]。因此从激励源的角度考虑，应确保门体良好的密封性，避免底水封漏水、侧缝射流等情况发生；从结构自身特性考虑，可适当增加背拉杆预应力，以提高人字门的刚度和抗变形能力,使门体基频避开脉动水压频率范围。

针对本船闸人字门，采用附加质量法考虑水体与结构的耦合作用，研究闸室内充、泄水过程中，门体自振频率变化规律，见表5。

表5 门体自振频率汇总

由表5可见，在上、下游最大水位差的情况下，门体前三阶固有频率比上、下游无水位差时稍大，即由水压变化引起的结构内应力增加使门体刚度增大。由水力学资料可知，水流脉动压力频率范围一般为1～20 Hz，而由模态分析结果可知，闸室充、泄水时门体基频始终在该范围之内，故在脉动水压作用下，门体极有可能发生共振，表现为局部横梁的垂向振动。而通过对该人字闸门的实际考察可知,充、泄水过程中,当上、下游水位差为1.0～1.5 m时，门体确实出现了振动并伴有异响。因此在确保门体良好密封性的同时，有必要适当增加背拉杆预应力,提高门体刚度。

2.5 优化建议

1)横、纵梁及挡水面板等构件在自由悬挂、启闭过程中应力值较小，故此时门体内的应力值不作为控制因素。此外相比横梁及挡水面板，斜接柱和门轴柱刚性较大，门体变形主要由刚性较小的横梁和面板承担，故在面板与门轴柱、斜接柱连接区域出现了应力集中现象，而该区域焊接构件较多，反复启闭过程中的交变应力可能引起焊接区域的疲劳破坏。

2)关门挡水时，横梁与挡水面板的应力值均较其它3种情况有大幅度的提高，且呈自上而下逐渐增大的趋势(见图7、8)，因此可考虑在控制门体总重的情况下，适当减小上部面板厚度，增大下部面板厚度，使面板内应力分布相对均匀。此外该工况下，过大的拱轴压力可能导致横梁的局部失稳，因此可在横梁腹板增设横、纵向加强筋或适当增大底部横梁腹板厚度以提高横梁局部稳定性。

图7 关门挡水时，挡水面板应力分布云图

3)各工况下，结构最大应力均位于底枢的蘑菇球头,且承轴巢与蘑菇球头应力分布极不均匀，并出现明显的应力集中现象，因此在门体启闭过程中，过高的接触压力将加速底枢构件的磨损。已有文献指出，提高船闸底枢使用寿命，除提高材质和加工工艺水平外，最有效的方法是增设浮箱，

图8 关门挡水时，横梁应力分布云图

利用其产生的浮力减少门体的工作重量[4]。底枢部分主要承受门体的自重及启闭力产生的水平力，由于闸门增设浮箱后，门体作用在底枢上的垂直力会减小，相应的水平力也将有所减小，作用在蘑菇头上的合力作用点有所改变，这对底枢部分受力是有利的[5]。

4)背拉杆在几种工况下的应力值变化不大，其中开门状态、关门挡水状态主杆应力值较预应力值有所降低，副杆应力值较预应力有所提高。这是因为在这两种工况下，水压引起门轴柱下角点向下游偏移，从而使主杆应力得到松弛，副杆应力增加。

由表4可知,开门、关门过程中，由于雍水压力作用方向相反，故斜接柱相对径向变位大小相近、方向相反，这也表明背拉杆预应力对门体在自重下的弯曲变形有良好的抑制作用；关门挡水时，由于较大的水压作用，门体发生偏向下游的弯曲变形，对应表3可知，此时副杆应力值达到最大。

3 结论

1)背拉杆的作用是增加门体抗扭刚度以及关门挡水状态下的抗弯刚度，闸门日常运行的多数故障(如门体振动)等，均可通过调节背拉杆的预应力加以解决。本文采用降温法模拟背拉杆预应力的调试过程，对闸门及同类结构的计算仿真具有较好的参考价值。

2)相比自由悬挂状态，启闭过程中的雍水压力会增加门体的径向变形，因此门体应尽量避免过大的启闭速度，以减小水位雍高，降低门体的弯曲变形。

3)对于船闸人字门，结构响应分析及优化的重点在于背拉杆、底枢、挡水面板及横梁等主要承力构件，且应以自由悬挂状态下的门体变形量和关门挡水状态下的构件应力值作为控制因素。增设浮箱作为降低门体工作重量的有效措施，可有效地改善底枢构件受力状态，但此时增加的浮托力会改变门体原有受力状态，故有必要对门体背拉杆预应力进行重新调试。此外，适当调整挡水面板、横梁等构件厚度可使其应力分布相对均匀，充分发挥材料性能；而在横梁面板增设加强筋,一方面可提高横梁局部稳定性，防止其在较大拱轴压力下发生失稳；另一方面可提高关门挡水状态下的门体基频，减小脉动水压诱导横梁发生共振的可能性。

[1] 朱召泉,陶碧霞,俞良正.船闸人字门顶枢和底枢设计若干问题探讨[J].水利水电科技进展,1998,(6)：33-35.

[2] 岳陆游,丁建宁,杨继昌，等.船闸蘑菇头和帽接触有限元计算与优化[J].农业机械学报,2006,(9):157-160.

[3] SL74-95水利水电工程钢闸门设计规范[S].北京：中国水利水电出版社,1995.

[4] 姚建卫.船闸人字形闸门增设浮箱的受力分析[J].江苏交通科技,1998,(4):21-25.

[5] 常苏华.船闸人字闸门增设浮箱的观测与研究[J].水运工程,1995,(10):36-39.

[6] 尹斌勇.船闸人字门振动原因分析及对策[J].水运工程,2010(1):102-105.