大跨度擋潮閘網架結構門型方案研究

唐金忠，朱博華

（1.上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市200061；2.上海諾山工程設計咨詢有限公司，上海市200333）

大跨度擋潮閘網架結構門型方案研究

唐金忠1，朱博華2

（1.上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市200061；2.上海諾山工程設計咨詢有限公司，上海市200333）

通過對現狀門型結構分析，提出一種擋潮閘網架結構門型創新方案。在跨度方向采用拱形網架結構作為門體受力體系，塑料面板，以塑代鋼、不生銹，免維修保養。充分利用網架結構的特點，大跨度、重量輕，同時，創新采用圓弧形凹形槽作為行走和支撐軌道，使門體的支撐和行走合二為一，合理地解決了大跨度門頁的支撐和行走機構。對網架結構門型設計方案進行了充分論證和結構分析，并闡述了實施方法，可作為大跨度擋潮閘門型選擇參考。

擋潮閘；大跨度；網架結構；門型；研究

0　引言

風暴潮對入海河流的影響甚大，為能有效地防止風暴潮，唯一的辦法就是在河口建擋潮閘，將風暴潮擋在河口以外。現有的擋潮閘門型多種多樣，有直升門、弧形門、三角門、臥倒門等，但門體受力體系均是鋼結構的主次梁或桁架，門型雖然有所不同，而門體均為鋼閘門。由于擋潮閘跨度需要很大，為了滿足閘門的剛度和強度，閘門需要的尺寸大、重量也大。如荷蘭鹿特丹新水道擋潮閘橫臥在寬360m、深17m的新水道上，為空腹式弧形閘門，單扇門體重達1.5萬t，其支臂與固定在河道的球形聯軸就重達600 t。如此大重量的門體，也使整個土建結構相應增大，門體重導致啟閉力大，啟閉時間長，一般需1 h左右。在漲潮的過程中關閉閘門，啟閉時間無疑會影響擋潮效果。

針對現狀大跨度擋潮閘門型存在的不足，研究表明對于大跨度擋潮閘，減小閘門自重和降低閘門啟閉力是關鍵，為此，門型結構的受力體系需要“脫胎換骨”。通過對門型結構分析，本文提出一種網架結構門型［1］創新方案，以網架結構代替傳統的主次梁或桁架結構。網架結構門型具有大跨度、重量輕的特性，這是門型受力體系又一次理想變革。利用網架結構的特性增大跨度，同時也可以減小門體重量，可節省大量門體結構工程量；采用塑料面板代替傳統的鋼板，這樣既可以增大擋潮閘跨度，也可以減小門葉重量和啟閉機械的容量，也降低了結構的制造難度，同時也相應減少了土建工程量，減少了施工難度。

網架是比較普遍的一種大跨度結構，這種結構整體性強，穩定性好，空間剛度大，防震性能好。網架的高度（或稱為厚度）較小，能利用較小桿形構件拼裝成大跨度的建筑。采用網架結構門型以一跨或多跨建設擋潮閘，能適應不同的閘址、不同的河口寬布置，方便應用，例如上海市黃浦江長航錨地閘址［2］，采用網架結構門型時，可以為三跨（100m+150m+100m）或一跨。

有必要指出，網架結構門型的提出，仍處于概念設計階段，不可能馬上走向市場，但獨特的設計創意將帶給人們啟迪，激起設計思想的撞擊和感動，會不斷促進門型受力體系創新。在大跨度擋潮閘的設計進程中，我們將看到一個設計理念是如何逐漸演化和成長的。

1　網架結構門型方案設計

擋潮閘采用網架結構門型，以實現大跨度跨越河道。本方案以單孔閘為例進行設計，多孔閘可在此基礎上稍作變通。單孔網架結構門型其主要內容分以下組成作用和運行方式兩個部分闡述。

1.1組成和作用

網架結構門型擋潮閘根據河道寬度確定閘孔數，每孔由閘室結構、門體結構和啟閉設備組成，閘室結構由弧形混凝土框架、混凝土圓形塔體和底板組成；門體由網架結構門頁、行走構件和支撐構件組成；啟閉設備可選擇常規的卷揚機。

1.1.1整體支撐體系

與常規的水閘閘墩不同，網架結構門體的支撐為兩個豎向構件，擋潮側為一個弧形鋼筋混凝土構件，作為門體的支撐和運行軌道；內河側為一個垂直向筒體，作為閘室的豎向交通，如圖1所示。兩個豎向構件形成前弧后豎，其上部相交處設置啟閉機室，為了增加閘室結構的整體性，減少不均勻沉降，宜采用樁筏基礎，即兩個構件下采用一塊整底板，按剛度調平原則進行樁基布置［3］。

整體支撐體系受力合理、傳力明確、外形流暢、簡潔明快，建筑造型能突出水利景點。啟閉機房布置在圓形筒體的頂部，其上部設置觀潮、聽潮層，通過設在內部的螺旋樓梯實現上下交通，并設置觀光電梯。閘室剖面如圖1所示。

圖1　閘室剖面圖

弧形鋼筋混凝土構件采用框架結構，弧線方向為框架柱（梁）作為滾輪行走的軌道，這樣可以使滾輪在任何狀態下具有一個向心力，在啟閉設備的牽引下緊貼著軌道運行。兩端分別固結于底板和圓形筒體。

1.1.2網架結構門頁

網架結構門頁是該創新方案的主要亮點。網架結構是門頁的主要受力體系，網架的桿件和節點的形狀尺寸大都相同，因而可做成標準構件在工廠生產。這樣制作加工方便，還可以提高效率，而且可降低材料消耗，改進節點構造，確保產品質量，并能減少大量現場工作量，提高網架結構門頁的制作質量。

（1）門頁形狀

網架結構門頁在垂直水流方向為拱形，其矢高f與跨距L之比一般為1/15～1/20。這樣可以充分利用材料的抗壓性能，節省材料，受力也更加合理；支座處順水流向為圓弧形，且與支撐框架結構為同心圓。

根據河道斷面形狀，門頁底部可以是水平，也可以為折線形，折線形與河道形狀結合較好。

（2）門頁面板及錨固

傳統閘門多為鋼面板，為了減輕門頁重量，該創新方案采用一種高強度塑料面板。采用塑料輕質面板，以塑代鋼，不生銹，免維修保養。為配合塑料面板的使用，網架結構的網格尺寸不宜太大，一般可以采用2～4m，以便為采用輕型面板提供有利的支撐條件。分塊面板的尺寸與網架上弦網格尺寸相同，面板通過螺栓與網架連接，兩者間采用橡膠止水。面板直接擱在網架上弦網格節點的支托及梁上，且要求每塊面板4個角點和邊與網架上弦節點的支托和支托間的連梁采用螺栓連接，螺栓間距按照需要確定，如圖2所示。

圖2　面板與網架的連接示意圖

（3）門頁支撐

網架結構的門頁可以采用邊支撐網架，也可以采用點支承撐網架，因為邊支撐網架受力比較均勻，而擋潮閘一般跨度需要較大，因此，門頁宜采用邊支撐網架。

由于閘門功能的要求，需要在兩對邊上開口，因而使網架僅在兩對邊上支撐，另兩對邊為自由邊。在運用中，閘門打開時，門頁為兩邊支撐兩邊開口狀態。當閘門關閉擋水時，門體與底板簡支，門頁在原兩邊支撐情況下，增加了底邊支撐，形成三邊支撐，一邊開口。

上下兩個自由邊的存在對網架的受力是不利的，為此應對自由邊作出特殊處理，一般可在自由邊附近增加網架層數或在自由邊加設托梁或托架；亦可采用增加網架高度或局部加大桿件截面的辦法予以加強。

門頁的對邊支撐構件可以采用槽形鋼梁，門頁加上鋼梁后組成一個矩形網架結構的門體，槽形鋼梁與嵌在凹形槽中的主支架有效連接，以便于將網架的荷載傳遞給框架支撐結構，再傳遞于基礎。

（4）門頁配重

卷揚式啟閉機對閘門不產生閉門力，門頁底端通過計算可以適當配重，增大門體下滑力，以滿足關閉閘門時門體能沿著弧形軌道自行滑動，并且滿足關門的時間要求。

在閘門結構、卷揚機功率以及支撐的框架結構都能夠滿足的情況下，按所需的最大閉門力，計算閘門應具有的重量，以其與閘門實有重量之差作為應增配的重量進行配重。配重增加閘門閉門力，同時亦增加了啟門力，因而同樣需經驗算，在應滿足要求的情況下方可實施配置。配重材料可選擇比重較大、易于安裝施工的混凝土或鑄鐵材料。配重物應在門頁底部對稱設置，其重心應在閘門重心線上，避免因配重造成重心偏離或引起閘門變形，影響啟閉。

1.1.3行走與支撐

閘門行走及門體支撐系統均布置在閘室的弧形框架上，在啟閉機的驅動下，門體依靠滾輪行走完成啟閉。滾輪既是行走設備也是支撐構件，滾輪由主輪和側輪組成，如圖3所示，各滾輪與支架一起組成門體的支撐系統。行走與支撐系統置于凹形開口槽內，一個主輪和兩個側輪通過支架連接組成一組，網架門頁的支撐邊梁與主支架焊接，主支架下按需要設置若干組滾輪裝置，共同提供上下行走，啟閉閘門。

圖3　行走與支撐節點詳圖

（1）主輪

主輪設置于凹形槽內，為網架門體的主要行走和支撐裝置，其軸兩端上方支撐于主支架；主輪軌道為不銹鋼凹形槽的底部，為圓弧形，門體在自身重力或水壓力的作用下，使主輪始終緊壓軌道，承擔著網架門體的垂直荷載，并且在啟閉設備提供的動力作用下滾動，啟閉閘門。

（2）側輪

側輪同樣設置于凹形槽內，布置于主輪兩側，其軸由側支架支撐，而側支架又與主支架（主輪軸）連接；側輪沿著凹形槽側壁行走，主要承擔網架結構的水平力，并將水平荷載傳遞于凹形槽側壁。兩側的側輪相向設置，有效地提供水平力的平衡，保證了網架門體的支撐和行走。

（3）凹形開口槽

凹形開口槽預埋于弧形的混凝土框架上，其縱向與框架同長、同弧度，橫剖面為對稱形。槽內對稱布置主輪和兩個側輪，并通過3個支架將3個滾輪連接為一組。凹形槽的寬度和深度主要由滾輪的大小決定，槽上方的開口寬度稍大于網架支撐邊梁的寬度。

凹形開口槽主要作為滾輪的行走和支撐，實質為網架結構門體的弧形門槽，且具有鎖口作用，防止滾輪脫離軌道，并將閘門荷載傳遞給混凝土框架結構。

（4）支架

主支架為U形鋼梁，其長度與閘門高相等，寬度大于槽口寬度，并滿足主輪的安裝尺寸；既是主輪的支撐，又是網架邊梁的支撐梁，與網架邊梁一起共同承擔網架荷載。支撐邊梁分為兩個U形結構，目的是便于網架門體和行走支撐系統的施工安裝。

側支架為側輪的支撐，為一U形構件，與主輪軸對接。側支架主要承擔網架門體的水平荷載，并通過側輪將荷載傳遞于混凝土框架結構。

1.1.4啟閉設備及連接方式

網架結構門體的操作采用卷揚機啟閉，門體兩個支撐邊各設一根吊點，兩臺卷揚機布置在啟閉機房內；每臺卷揚機引出一根鋼絲繩，鋼絲繩置于凹形槽內與主支架端頭鉸接。

閘門啟閉時，兩臺卷揚機應同步運行。卷揚機的同步采用電氣變頻同步系統，以保證卷揚機轉速的同步。通過安裝在電動機上的測速儀，由PLC控制變頻器，使變頻器變頻改變電動機的頻率，達到糾偏同步的目的，從而使卷揚機的轉速保持同步。

1.2運行方式

運行方式應根據擋潮閘的運行要求設計。入海河口擋潮閘的運行要求基本相同，一般為漲潮前或漲潮過程中漲至某一特定高潮位時，關閉閘門擋潮；落潮過程中當閘門內外水位齊平時，打開閘門泄水、通航。

（1）關閉閘門

關閉閘門是通過門體自重關閉。閘門于全開位置狀態，啟動卷揚機逐漸放松鋼絲繩，在門體的重力作用下，門體沿弧形軌道自動向下滑行，鋼絲繩逐漸打開，卷揚機控制下滑速度，閘門慢慢向下滑行；弧形軌道導致門體重力逐漸加大，克服浮力，落至閘底板完成關閉閘門。關閉閘門時間較短，可以控制在20min以內，由門體自重和卷揚機轉速確定。

（2）開啟閘門

打開閘門時，上下游水位宜基本持平。啟動卷揚機，鋼絲繩拉動門體向上移動，至閘門全打開。

閘門至全開位置后，通過卷揚機的鎖錠裝置鎖定閘門；鎖錠裝置設防誤操作行程保護開關；同時，在弧形軌道上設置結構鎖錠，做到雙保險。打開閘門是在靜水中進行，時間可以控制在20min以內。

2　結構分析和計算

受力分析的目的是利用傳力路徑分析圖，優化水平向和豎向構件布置，做到構件布置合理，有足夠的強度和剛度，并方便力的傳遞，使行走系統運用自如，結構變形應控制在允許的范圍內。在該實例中網架門體的支撐結構為主輪和側輪，通過受力分析，確定行走裝置及支撐結構的合理性。以下僅對幾個關鍵問題予以討論，以提供一些解決問題的思路。

2.1門體結構分析

網架結構門型在跨度方向采用拱形結構，如圖4所示，其矢高f與跨距L之比一般為1/15～1/20。拱形網架結構與常規的網架結構有所不同，既要考慮在跨度方向上的受力，尚應考慮門體垂直方向上的結構穩定。跨度方向上可以按照常規網架結構計算，同時應計算垂直方向上網架結構的受力。

圖4　網架結構門型平剖面圖

拱形結構在豎向荷載的作用下，在拱腳處將產生水平推力，這是拱結構所具有的一個特點。拱形的網架結構門體在水壓力的作用下，同樣在拱腳處將產生水平推力。采用主輪和側輪組合，結構簡單，受力明確，保證了將閘門荷載傳遞于框架，可以有效地化解拱腳水平推力對門體變位的影響。

網架結構門體拱腳采用兩個側輪對撐，結構穩定，不易變形，構造簡單，傳力明確而直接，有效地將門體所受水壓力、自重等荷載傳遞至框架。凹形槽兩個側向支撐面，互為約束，提高了支撐的穩定性。

門體在開啟狀態時，懸架于閘室框架的頂端，風荷載、地震作用都比較復雜，需要進行三維有限元分析計算；有條件時，宜進行模型試驗。

2.2行走和支撐受力分析

受力分析的目的是利用傳力路徑分析圖，優化水平向和豎向構件布置，做到構件布置合理，有足夠的強度和剛度，并方便力的傳遞，使行走系統運用自如，結構變形應控制在允許的范圍內。主輪和側輪既是支撐結構，也是行走裝置，通過受力分析，確定受力的合理性。

創新采用凹形槽圓弧形行走軌道，使門體的支撐和行走合二為一。門體兩端各有一組行走系統，由主輪和側輪組成，在為門體提供支撐和行走過程中，主要是通過滾輪組織力的傳遞，主輪支撐受力如圖5所示，可以看出通過主輪和側輪匯集并完成力的傳遞。

圖5　門體配重計算示意圖

側輪的軸支撐通過支架與主輪軸連接，側輪平行于門體，支撐于凹形槽的側壁，且在側壁上行走，為主輪提供水平向的支承力，以抵抗門體的水平荷載。作為支撐體系的滾輪在外荷載和軌道反力的作用下，必須滿足靜力平衡條件。

2.3門體配重計算

門體行走于弧形的軌道上，在自重的作用下，必然會產生一個壓力和下滑力，如圖5所示，簡化計算時可將門體自重和配重各簡化為一個質點，分別計算下滑力后疊加。

由圖5可以看出，某一質點i在重力作用下產生下滑，其下滑力Fi為：

式（1）中：Fi為質點i的下滑力，kN；Gi為質點i（門體或配重）的重量，kN；ai為質點i的位置與水平線的圓心角，（°）；Li為對于圓心角ai的弦長，m；R為弧形軌道半徑，m。

由式（1）和圖5可知，在同一個弧形軌道上，同一質點在弧形軌道上的位置越高，其圓心角越大，則下滑力越小；而同一高度下同一質點，弧形軌道半徑R越大，則下滑力越大。門體位于閘底板時，下滑力最大；門體打開位置時，下滑力最小；網架結構一般自重較小，為了保證門體在自重作用下放松卷揚機拉索后能自動下滑，就需要有足夠的配重。

在閘門閉落過程中，隨著閘門的下落，閘門受到摩擦力和浮力逐漸增大，閘門必須克服這些阻力才能順利閉落。對于卷揚式啟閉機， 由于卷揚式啟閉機對閘門不產生閉門力，只能靠閘門自重產生。在閘門自重不能滿足閉門需要時，門體需要增加配重。配重物一般設置于門體下部，配置重量按式（2）計算：

式（2）中：△G為閘門增重，kN；k為摩阻力安全系數，一般采用1.10；f為摩阻力，kN；p為門體浮力與f平行的分力，kN。

3　實施步驟和方法

閘室為鋼筋混凝土結構，由兩組豎向構件和底板組成，豎向構件比較集中，可采用鋼圍堰施工，也可以采用沉井施工；底板為分離式空箱結構，空箱底板分段先在工廠預制，基礎底應先進行沖淤至設計高程，空箱底板分節浮運至現場，灌水后下沉就位，支撐結構和底板不做過多地論述，本實用新型擋潮閘的主要亮點是網架結構門體，因此，以下對網架結構門體的實施作重點闡述。

目前網架結構連接節點的加工技術已很完善，整個網架宜分段制作，現場采用船在水上拼接安裝，其施工已有成熟的經驗可以借鑒，因此，以下從設計的角度簡述其具體實施方法的要點。有必要指出，制作安裝的工藝多種多樣，施工順序不同，施工的方法也就不同，以下所述只是其中的一種方法。

3.1閘門支撐結構的施工

門體支撐為鋼筋混凝土結構，施工過程中應該嚴格對構件的外形尺寸（特別是曲線形構件中心線位置）以及各點標高進行計算和測量，務必滿足設計精度要求。

弧形鋼筋混凝土框架結構施工時，應做好凹形槽的預埋。

3.2門頁網架結構和面板制作

網架的桿件和節點布置對稱，形狀尺寸大都相同，因而可做成標準構件在工廠生產。這樣制作加工方便，還可以提高效率，而且可降低材料消耗；改進節點構造，確保產品質量，并能減少大量現場工作量，提高網架的工程質量。網架結構門頁可以委托專業公司，按設計要求分段制作。

面板采用塑料，按照網架的網格尺寸分塊制作，并預留好螺栓孔；按面板支撐長度制作橡膠片，并預留螺栓孔。

3.3行走和支撐裝置制作與安裝

（1）凹形開口槽

凹形槽為弧形，與弧形框架梁為同心圓，應采用不銹鋼分段制作，現場焊接于弧形框架梁的預埋件上，接縫處拋光。

（2）滾輪和支架

一組滾輪由一個主輪和兩個側輪組成，由一個主支架和兩個側支架，將一組滾輪組成一套行走和支撐裝置；主支架縱向為弧形、截面為U形的不銹鋼梁，與凹形槽和門頁邊梁為同心圓，與門頁邊梁同弧度、同長；一個主支架下設置若干組滾輪，在工廠內將支架和滾輪進行焊接組裝成一套裝置，從凹形槽的一端（未封口前）插入；或凹形槽上方兩側擋板先不焊接，行走與支撐裝置從凹形槽上方放入槽內，在門頁網架安裝完成后，再焊接凹形槽上方擋板。

（4）門頁網架結構和面板安裝

制作好的分段門頁運至現場后，先將兩個端頭門頁段與行走支撐裝置焊接（或采用螺栓連接），在船上再完成其它段門頁網架整體拼接；將拼接好的門頁網架運置于閘門開啟位置，最后進行面板安裝，閘門底止水和側止水安裝。

（5）啟閉設備安裝

卷揚機按常規要求進行安裝，為了保證兩側卷揚機同步，首先要保證閘門吊點同步。當兩吊點鋼絲繩啟閉同步時，卷揚機出繩點到閘門吊點的行程應相等，即鋼絲繩的長度相等，這樣就能保證閘門兩端同步運行。除此之外，同時還應設置電子監測，如安裝一套旋轉編碼器，當轉速差超過設定值而同步系統沒有糾偏時，系統將停機并發出警報信號。監測、糾偏裝置有待于在自動監控系統設計中論述。

4　結語

網架結構門型方案，創新閘門受力體系彰顯了設計概念創新。該門型特別適用于大跨度，且應用靈活。根據河口寬度，可以設計為單孔或多孔組成開敞式擋潮閘，平時閘孔敞開，風暴時將閘門關閉擋潮。

（1）創新方案以網架結構為閘門的主要受力體系，閘門擋潮面為拱形，將拱與網架組合，開拓出新的閘門結構形式，使受力更加合理，滿足大跨度門體的需要；充分利用網架結構的特性，增大閘門跨度，同時可以大大減輕門頁結構的自重，從而能經濟地跨越很大的河道。

（2）采用塑料面板，以塑代鋼，不生銹，免維修保養；面板的尺寸與網架上弦網格尺寸相同，面板直接擱在網架上弦網格的支托梁上，兩者間采用橡膠止水片，每塊面板4個角點和邊，分別與網架上弦節點的支托和梁采用螺栓連接，施工方便。

（3）創新閘門行走和支撐技術，巧妙地將支撐和行走合二為一，行走的滾輪既可按閘門啟閉需要而上下行走，又是門頁的支座。主輪和側輪通過支架有效組合，合理地承擔網架門體的水平荷載和垂直荷載，構成了力的平衡，保證了閘門支座受力合理。

（4）采用兩個側輪對撐技術，保證滾輪行走無擺動；通過支架組合，門頁兩個對邊滾輪設置無同軸的精度要求，方便施工安裝。

（5）創新弧形門槽技術，采用弧形凹形槽軌道，集軌道、支撐于一體，能有效地防止滾輪脫開，且具有較好的導向性。創新弧形軌道，與混凝土支撐結構同弧度，使行走和支撐結構始終能有一個緊貼軌道的力，受力更加合理。

［1］ 唐金忠，潘世虎，孫一博.網架結構門型大跨度擋潮閘：中國，201420179070.3［P］.2014-04-14.

［2］ 上海市水利工程設計研究院.黃浦江河口擋潮閘的設防標準和閘孔規模研究［R］.上海：上海市水利工程設計研究院，2011.

［3］ 唐金忠，盧永金.水工基礎工程設計與分析［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

［4］ SL 265—2001，水閘設計規范［S］.

［5］ JGJ 94—2008，建筑樁基技術規范［S］.

TV66

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1009-7716（2015）01-0078-05

2014-09-28

唐金忠（1956-），男，安徽安慶人，高級工程師，主要從事水利工程設計與研究工作。