陳仲盛，舒 斌

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060)

桁架式疊梁閘門是航運(yùn)樞紐中常用的檢修擋水設(shè)備之一，其獨(dú)特的空間桁架結(jié)構(gòu)使材料強(qiáng)度得到充分應(yīng)用，在跨度較大時(shí)比實(shí)腹梁節(jié)省材料，達(dá)到減小質(zhì)量和增大剛度的目的，因此在船閘工程中得到廣泛的應(yīng)用。

檢修閘門的吊裝是船閘樞紐檢修工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。常規(guī)設(shè)計(jì)的桁架式疊梁閘門具有2層平面桁架，一般是在上層桁架的4處節(jié)點(diǎn)各設(shè)計(jì)1個(gè)吊點(diǎn)，且位置較為隱蔽，因此無法實(shí)現(xiàn)閘門的自動(dòng)掛鉤。采用該種形式閘門的船閘，在檢修起吊閘門時(shí)，由潛水員下水，找到4個(gè)吊點(diǎn)分別進(jìn)行掛鉤，然后離水后起吊；反之，閘門安裝時(shí)，需要潛水員下潛脫鉤。該作業(yè)方式耗時(shí)較多，船閘檢修整體時(shí)間延長，降低了船閘的年通過能力和經(jīng)濟(jì)效益[1]；同時(shí)，潛水員反復(fù)的潛水作業(yè)，存在較大的危險(xiǎn)性[2]。

1 設(shè)計(jì)概述

以濛浬樞紐二線船閘工程采用的桁架式疊梁閘門設(shè)計(jì)為依托，結(jié)合桁架的特點(diǎn)，對其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

濛浬船閘閘室寬度為23 m，上閘首設(shè)置1節(jié)高度為1.5 m和4節(jié)高度為2 m的桁架式疊梁閘門組合使用，下閘首設(shè)置2節(jié)高度為1.5 m和2節(jié)高度為2 m的桁架式疊梁閘門組合使用，如圖1所示。

圖1 疊梁閘門組合使用(單位：m)

由圖1可知，本船閘具有2種高度的閘門，其中2 m高度的閘門質(zhì)量(30 t)較大。本文以該閘門為例，對其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 常規(guī)設(shè)計(jì)

桁架式疊梁門主要由面板、上下2層平面桁架、空間連接桿系、節(jié)點(diǎn)板、運(yùn)轉(zhuǎn)件以及止水系統(tǒng)等輔助構(gòu)件組成。擋水時(shí)主要承載結(jié)構(gòu)為面板和上下2層平面桁架，常規(guī)設(shè)計(jì)的4處吊點(diǎn)處位于上層平面桁架的節(jié)點(diǎn)處，如圖2、3所示(模型中面板未顯示)。

圖2 桁架式疊梁閘門的三維模型

圖3 桁架式疊梁閘門吊點(diǎn)布置

由圖2、3可知，單層平面桁架總計(jì)分成12跨，常規(guī)設(shè)計(jì)的吊點(diǎn)對稱布置在上層平面桁架的上、下弦桿的節(jié)點(diǎn)上。該形式能夠很好地將起吊時(shí)的作用力分配到閘門的各個(gè)桿件，但閘門會(huì)受到一定的水平壓力，且吊裝工藝較為復(fù)雜，耗時(shí)較長，因此，對閘門進(jìn)行改進(jìn)使其能夠適配自動(dòng)抓梁具有重要的工程意義。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

自動(dòng)抓梁[3]具有多種形式，應(yīng)用在船閘工程(多為采用實(shí)腹式疊梁閘門的船閘樞紐)中的多為銷軸式，通常為兩點(diǎn)吊裝。自動(dòng)抓梁除可自動(dòng)抓取閘門吊裝外，還可以起到平衡梁的作用，能夠保持閘門起吊時(shí)的平衡，減少閘門的水平壓力。本文以適配銷軸式自動(dòng)抓梁為目標(biāo)，改進(jìn)設(shè)計(jì)桁架式疊梁閘門。

適配自動(dòng)抓梁設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何科學(xué)地設(shè)置吊耳，使桁架式疊梁閘門起吊時(shí)產(chǎn)生的作用力能夠合理地傳遞到各個(gè)桿件中，理論上不能使組成平面桁架的桿件承受軸向以外的作用力，同時(shí)還應(yīng)該做到簡潔實(shí)用。

3.1 吊耳布置

對于桁架結(jié)構(gòu)，其桿件只承受軸向力，因此，設(shè)計(jì)的吊點(diǎn)中心高程與上層平面桁架相同，吊耳下方設(shè)置一系列拉桿與下層平面桁架的節(jié)點(diǎn)相連，將其起吊時(shí)作用力傳遞到閘門的空間結(jié)構(gòu)上。

設(shè)計(jì)的吊耳結(jié)構(gòu)具有2個(gè)吊點(diǎn)，對稱設(shè)置于閘門左、右，其吊點(diǎn)中心在上層平面桁架的豎弦桿上，且處于閘門重心線上(圖4)。閘門截面如圖5所示。

圖4 吊耳與平面桁架的銜接

圖5 閘門吊耳結(jié)構(gòu)處截面

3.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

INVENTOR軟件是一款三維可視化實(shí)體模擬軟件，其特有的構(gòu)件生成器模塊可以快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)的三維建模，構(gòu)件解析器能夠方便地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析[4]，同時(shí)也是BIM技術(shù)[5-7]系列軟件之一，能夠?yàn)榇l的BIM模型提供搭建的族文件，因此本文以INVENTOR軟件為依托，對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。

桁架式疊梁閘門正常起吊時(shí)主要承受自重載荷，其上下層平面桁架、空間連接桿系以及吊耳拉桿為主體承載結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)，其面板、運(yùn)轉(zhuǎn)件等部分可視為主體承載結(jié)構(gòu)的外加載荷，因此只須對主體承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，其模型如圖6所示。

圖6 閘門計(jì)算模型

實(shí)際檢修時(shí)，擋水工作完成后，為平衡閘室內(nèi)外的水位，會(huì)在一定水頭下提起頂節(jié)閘門，利用閘門節(jié)間進(jìn)行充水，該工況下閘門受力最大，故以該工況校核驗(yàn)算。此時(shí)，閘門處承受自身重力外，還承受水壓力和滑塊的摩擦力。

1)添加約束。閘門起吊時(shí)，自動(dòng)抓梁的插銷穿過吊耳孔，鎖定后即可起吊，因此閘門吊點(diǎn)兩處會(huì)受到約束，其表現(xiàn)形式為軟件定義的孔銷連接?？紤]到閘門下方承受水壓力，須在下層平面桁架的端部節(jié)點(diǎn)設(shè)置浮動(dòng)約束，用以模擬閘門與門槽之間的滑移關(guān)系(圖7)。

圖7 門體約束與載荷

2)施加載荷。對于自重載荷，由于所建模型是簡化的，其質(zhì)量小于實(shí)際質(zhì)量，同時(shí)考慮1.1倍吊裝動(dòng)載系數(shù)，可修正重力加速度以模擬實(shí)際工況。根據(jù)設(shè)計(jì)，本處重力加速度最終修正值為1.4g。對于面板、運(yùn)轉(zhuǎn)件等重力載荷，施加至上下層平面桁架的下弦桿節(jié)點(diǎn)處，同樣考慮1.1倍動(dòng)載系數(shù)。此外，閘門還承受節(jié)間充水工況下的1.51 m水頭壓力和對應(yīng)的摩擦力。經(jīng)計(jì)算，各處受力如表1所示。

表1 桁架各節(jié)點(diǎn)承受的載荷 N

3)結(jié)構(gòu)計(jì)算。對于構(gòu)件，INVENTOR無須進(jìn)行網(wǎng)格劃分即可進(jìn)行分析計(jì)算。經(jīng)分析計(jì)算，其軸應(yīng)力如圖8所示。

圖8 閘門軸應(yīng)力分布

由圖8知，閘門的最大軸應(yīng)力出現(xiàn)在吊耳下方的拉桿上，為53.72 MPa，平面桁架內(nèi)桿件軸應(yīng)力均小于20 MPa，閘桿件材料為Q235B，強(qiáng)度許用應(yīng)力值為150 MPa，故各桿件吊裝時(shí)強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。對于吊耳所在的豎弦桿，由于吊耳結(jié)構(gòu)強(qiáng)于弦桿，故能夠保證其結(jié)構(gòu)安全。

4 工程應(yīng)用

在濛浬樞紐二線船閘工程中，上下游檢修閘門門槽上方設(shè)有適配自動(dòng)抓梁的專用臺(tái)車，改進(jìn)設(shè)計(jì)的桁架式檢修閘門得到了實(shí)際應(yīng)用。通航驗(yàn)收時(shí)，檢修閘門的擋水功能和裝卸效果均達(dá)到預(yù)期。

圖9中，改進(jìn)設(shè)計(jì)的桁架式疊梁閘門正處于擋水的工作狀態(tài)。兩處吊耳的側(cè)方焊接有廠家配套設(shè)計(jì)的行程限位板和導(dǎo)向套，用于自動(dòng)抓梁在抓取閘門時(shí)的定位。

圖9 檢修閘門工作擋水功能

圖10為改進(jìn)設(shè)計(jì)的桁架式疊梁閘門正在起吊。該過程以及后續(xù)的閘門起吊過程均無須潛水員下水作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了閘門的自動(dòng)抓取與脫銷。

圖10 檢修閘門節(jié)間充水起吊

工程中，改進(jìn)設(shè)計(jì)的閘門單節(jié)工程量增加約500 kg，占工程量的1.7%，占比較小。但與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，無須潛水人員與設(shè)備的費(fèi)用支出，單節(jié)閘門起吊時(shí)間縮短至1 h以內(nèi)，整個(gè)起吊過程可以在半天內(nèi)完成，因此，改進(jìn)設(shè)計(jì)的閘門具有較大的工程價(jià)值。

5 結(jié)論

1)結(jié)合桁架式疊梁閘門和桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，改進(jìn)設(shè)計(jì)了桁架式疊梁閘門的吊耳結(jié)構(gòu)，使其能夠適配自動(dòng)抓梁，極大地方便了檢修閘門的裝卸。

2)依托INVENTOR軟件，完成了桁架式疊梁閘門的三維建模與結(jié)構(gòu)分析，完成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，保證起吊安全，同時(shí)提高了設(shè)計(jì)的計(jì)算效率和表達(dá)能力。

3)結(jié)合實(shí)際工程，完成了閘門的制造、安裝、調(diào)整等工作，并取得預(yù)期的效果，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。