一种弧形钢闸门纵向框架支臂合理布置的简明图表法

技术领域

本发明属于水工弧形钢闸门布置技术领域，具体地说，涉及一种弧形钢闸门纵向框架支 臂合理布置的简明图表法。

背景技术

弧形闸门支臂布置的合理与否直接关系到整体结构的安全性及经济性。针对弧门支臂布 置的问题，我国现行《水利水电工程钢闸门设计规范(SL74-2013)》仅规定按等载原则布置， 并且还要求“尽量减小纵向框架平面内支臂的弯矩，使支臂更接近单向偏心受压杆件”，但没 有具体可行的方法，大量工程实践表明按规范法布置的支臂存在以下问题：a)纵向主梁上悬 臂段过长，导致结构整体刚度下降；b)纵向主梁在与支臂的连接处横截面转角较大，使支臂 在纵向平面内产生较大的弯矩而发生双向偏心受压，从而降低结构的整体稳定性。为克服规 范布置方法的缺点，使支臂更接近单向偏心受压杆件，王正中、刘计良以支臂端部角位移为 零，按结构力学法将纵向曲梁框架简化为直梁提出了表孔及深孔弧门支臂结构的合理布置方 法，但因其把曲梁简化为直梁产生较大误差，如a)把弧门纵向曲梁简化为连续直梁；b)原先 受线性荷载作用的曲梁被展成直梁后水荷载不再是线性；c)不能考虑纵向主梁与支臂的相互 作用；d)仅给出了表孔及深孔弧门两种典型特殊情况，而更普遍的不同水头下的潜孔弧门的 布置仍无法可循。基于空间有限元理论以弧门支臂在纵向框架内支臂端弯矩为零建立弧门纵 向框架结构模型并考虑主纵梁和支臂的相互作用来布置弧门的支臂结构。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种弧形钢闸门纵向框架支臂合理布 置的简明图表法，分别采用规范方法、结构力学法和有限元法对其合理结构布置进行了研究。 首先，采用直梁法依据柱端无转角推导出了弧门支臂在纵向框架内合理布置的统一理论公 式，同时依据柱端弯矩为零采用空间有限元法研究了支臂的合理布置。其次，对比评价了 756种根据规范方法、直梁法和有限元法的布置结果。本发明的方法二支臂弧门的材料节省 率为[32.63，47.58](％)和三支臂弧门的材料节省率为[21.61，30.01](％)。

其具体技术方案为：

一种弧形钢闸门纵向框架支臂合理布置的简明图表法，包括以下步骤：采用三维有限元 法中的APDL语言编程建立弧门纵向框架结构模型；以规范布置的结果为初值，以布置点位 为变量，利用ANSYS14.0的APDL语言编写计算程序，并提取支臂底端的弯矩值，当该弯 矩值为零时计算终止，此时的支臂布置结果即为有限元法的合理布置结果，所述结果以a/H 为横坐标，以支臂的布置位置为纵坐标进行绘图，得到弧门支臂在纵向框架内布置的简明图 表，直接供工程设计人员使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供一种弧形钢闸门纵向框架支臂合理布置的简明图表法，能够解决水工弧形 钢闸门由于结构布置不当使支臂双向偏心受压而导致整体稳定性严重降低的问题。本发明 方法二支臂弧门的材料节省率为[32.63，47.58](％)和三支臂弧门的材料节省率为[21.61， 30.01](％)。采用本发明的有限元方法布置的弧门纵向框架支臂结构不仅安全经济，而且可 为闸门结构布置部分的规范修订提供理论依据。

附图说明

图1是二支臂布置结果对比图；

图2是三支臂布置结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

本发明针对水工弧形钢闸门由于结构布置不当使支臂双向偏心受压而导致整体稳定性 严重降低的问题，分别采用规范方法、结构力学法和有限元法对其合理结构布置进行了研究。 首先，采用直梁法依据柱端无转角推导出了弧门支臂在纵向框架内合理布置的统一理论公 式，同时依据柱端弯矩为零采用空间有限元法研究了支臂的合理布置。其次，对比评价了 756种根据规范方法、直梁法和有限元法的布置结果，进一步研究了不同主纵梁与支臂单位 刚度比对弧门纵向框架支臂布置和材料用量的影响。结果表明：按规范方法、直梁法和有限 元法布置的弧门支臂在纵向框架内分别为大偏心受压、小偏心受压和轴心受压；对表孔弧门 和潜孔弧门的支臂布置直梁法与有限元法差别较大，而对深孔弧门较为接近；主纵梁与支臂 的单位刚度比对弧门支臂的布置影响不大，但对材料用量影响较大；与规范法相比，直梁法 和有限元法布置的二、三支臂弧门结构均可节省材料用量，其中本发明提出的有限元法布置 的方法二支臂弧门的材料节省率为[32.63，47.58](％)和三支臂弧门的材料节省率为[21.61， 30.01](％)。最后得到了三种方法的弧门支臂在纵向框架内布置的简明图表，可供工程技术人 员直接使用。

1)规范法

水利水电工程钢闸门设计规范中布置闸门支臂是根据等载要求进行的具体公式为：假定 第k(k＝1，2，...，n)根主梁到门顶水面的距离为Z_k，可按下式计算。

对露顶式弧门

$Z_k=\frac{2H}{3\sqrt{n}}[k^{1.5}-{(k-1)}^{1.5}]---\left(1\right)$

式中：n为主梁个数；H为水面到门底的距离(m)。

对潜孔式弧门

$Z_k=\frac{2H}{3\sqrt{n+m}}[{(k+m)}^{1.5}-{(k+m-1)}^{1.5}]---\left(2\right)$

$m=\frac{{\mathrm{na}}^2}{H^2-a^2}---\left(3\right)$

式中：a为水面到门顶的距离(m)。

2)直梁法

潜孔弧门结构主纵梁上的水荷载沿弧长梯形分布，而梯形分布荷载可等效于均布荷载和 线性荷载的叠加。主纵梁直接与支臂刚性连接形成平面刚架，根据直梁法与主纵梁刚接的支 臂在支承处无弯矩时可简化为铰性支座，故由主纵梁和支臂组成的平面刚架可简化为连续 梁，其中二支臂结构为静定结构，三支臂结构为超静定结构。通过图乘法和MATHEMATICA 编程法进行求解可分别得到二支臂和三支臂弧门结构的布置结果。

3)有限元法

采用三维有限元法中的APDL语言编程建立弧门纵向框架结构模型。以规范布置的结果 为初值，以布置点位为变量，利用ANSYS14.0的APDL语言编写计算程序，并提取支臂底 端的弯矩值，当该弯矩值为零时计算终止，此时的支臂布置结果即为有限元法的合理布置结 果。

由以上三种布置方法的结果以a/H为横坐标，以支臂的布置位置为纵坐标进行绘图，即 可得到三种方法的弧门支臂在纵向框架内的布置图表，直接供工程设计人员使用。图1是二 支臂布置结果对比图；图2是三支臂布置结果对比图。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本 技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化 或等效替换均落入本发明的保护范围内。