大型三角閘門空間桁架結(jié)構(gòu)桿件選擇對比分析

(1. 江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100；2. 江蘇省泰州引江河第二期工程建設(shè)局，江蘇 泰州 225321；3. 江蘇省灌溉總渠管理處, 江蘇 淮安 223001)

大型三角閘門空間桁架結(jié)構(gòu)桿件選擇對比分析

時殿亮1劉建龍2朱文彪3

(1. 江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100；2. 江蘇省泰州引江河第二期工程建設(shè)局，江蘇 泰州 225321；3. 江蘇省灌溉總渠管理處, 江蘇 淮安 223001)

本文以高港樞紐二線船閘為例，通過對比空心鋼管、型鋼兩種不同空間桁架結(jié)構(gòu)型式的閘門，采用實腹式軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性計算方法，分析比較兩種結(jié)構(gòu)桿件穩(wěn)定性的大小。從桿件受壓失穩(wěn)的角度分析得出，三角閘門設(shè)計使用空心鋼管截面的空間桁架桿結(jié)構(gòu)比型鋼截面的空間桁架結(jié)構(gòu)更合理，為三角閘門空間桁架桿件選擇提供一定參考依據(jù)。

大型三角閘門；空間桁架結(jié)構(gòu)；對比分析

空間桁架結(jié)構(gòu)是三角閘門門葉的重要組成部分，作用是將面板承受的水壓力較為均勻、合理地傳遞給頂樞和底樞。空間桁架由支臂桁架、豎向桁架、中間桁架幾個構(gòu)件組成，支臂桁架是由支臂桿和腹桿組成的三角形水平支承桁架，主要用來承受面板所受的水壓力；豎向桁架由水平桁架的支臂、斜腹桿、豎腹桿和立柱組成，協(xié)調(diào)水平支臂桁架之間的受力；中間桁架由水平桿和豎直桿交叉組成，有效增大空間桁架結(jié)構(gòu)剛度，減小閘門受力作用下的扭曲[1](空間桁架結(jié)構(gòu)布置如圖1所示)。

圖1 空間桁架結(jié)構(gòu)

大型三角閘門空間桁架結(jié)構(gòu)桿件的設(shè)計，一般有兩種型式：一種是采用空心鋼管聯(lián)接，各桿件交接處使用空心球焊接，稱為球節(jié)點結(jié)構(gòu)(見圖2)；另一種是采用型鋼聯(lián)接，各桿件交接處使用鋼板焊接，稱為節(jié)點板結(jié)構(gòu)(見圖3)。三角閘門的空間桁架結(jié)構(gòu)主要起到傳遞水壓力的作用，各桁架桿在正常工作時處于壓彎或拉彎狀態(tài)，桿件穩(wěn)定性需滿足規(guī)范[2]設(shè)計的要求。本文主要對比兩種不同結(jié)構(gòu)形式的閘門，在設(shè)計水位下空間桁架結(jié)構(gòu)桿件的軸力、應(yīng)力，分析比較兩種結(jié)構(gòu)桿件穩(wěn)定性大小，為閘門空間桁架桿件選擇提供一定參考依據(jù)。

圖2 球節(jié)點結(jié)構(gòu)空間桁架

圖3 節(jié)點板結(jié)構(gòu)空間桁架

1 三角閘門壓桿穩(wěn)定性分析

閘門空間桁架桿件在承受正向設(shè)計水位時，處于受壓狀態(tài)，需要進(jìn)行穩(wěn)定性驗算，分析可得受壓桿件承受的彎矩較小，故采用實腹式軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性計算方法，如下式：

式中φ——軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，值要根據(jù)換算長細(xì)比來確定；

N——構(gòu)件所受軸向壓力,MPa；

A——鋼管的截面積,mm2；

f——桿件容許應(yīng)力，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，鋼管的直徑均大于60mm，故f=160MPa。

節(jié)點板結(jié)構(gòu)和球節(jié)點結(jié)構(gòu)的鋼架桿，桿件截面型式不同。節(jié)點板結(jié)構(gòu)空間桁架桿，采用了角鋼、工字鋼和T形鋼，截面均為單軸對稱構(gòu)件，計算構(gòu)件穩(wěn)定性時，需分別驗算繞非對稱軸和繞對稱軸的整體穩(wěn)定性；球節(jié)點結(jié)構(gòu)空間桁架桿，采用的均是空心鋼管，為極對稱構(gòu)件，只需驗算繞任意對稱軸的整體穩(wěn)定性。兩種計算方法區(qū)別在于軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)φ的選擇，根據(jù)桿件截面特性計算的長細(xì)比，查表選擇相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)即可。

長細(xì)比λ的計算，采用如下公式：

式中ix——鋼管截面慣性半徑，mm；

l——某段鋼管的計算長度,mm。

閘門所用鋼材為Q235鋼，故fy=235MPa。

2 閘門空間桿件穩(wěn)定性對比分析

2.1 主鋼管的穩(wěn)定性

在三角閘門中，各層鋼架中底片鋼架、下斜片鋼架的主鋼管起主要支承作用，另需驗算主鋼管的整體穩(wěn)定性。

2.1.1 空心鋼管桁架結(jié)構(gòu)

空心鋼管結(jié)構(gòu)的底片鋼架主鋼管軸力如圖4所示，正向設(shè)計水位下，底片鋼管主鋼管為壓彎構(gòu)件，最大軸力為615.01kN，由底片鋼管主鋼管的等效應(yīng)力圖5可知，危險截面出現(xiàn)在最大軸力處，穩(wěn)定性驗算過程如下：截面特性參數(shù)，面積A=16838.94mm2，慣性半徑ix=118.58mm，計算長度l=μl0=0.65×2706=1758.9mm。則

查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)表[3]，得φ=0.983，即

整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

圖4 底片鋼架主梁軸力(單位： N)

圖5 底片鋼架主梁等效應(yīng)力(單位： Pa)

下斜片鋼管主鋼管軸力如圖6所示，正向設(shè)計水位下，下斜片鋼管主鋼管為壓彎構(gòu)件，最大軸力為506.12kN，由下斜片鋼管主鋼管的等效應(yīng)力圖7可知，危險截面出現(xiàn)在最大軸力處，穩(wěn)定性驗算過程如下：截面參數(shù)，面積A=14225.13mm2，慣性半徑ix=100.22mm，計算長度l=μl0=0.65×2939=1910.35mm。則

查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)表，得φ=0.973，即

整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

圖6 下斜片鋼架主梁軸力(單位： N)

圖7 下斜片鋼架主梁等效應(yīng)力(單位： Pa)

2.1.2 型鋼桁架結(jié)構(gòu)

圖8 底片鋼架主梁軸力(單位： N)

圖9 底片鋼架主梁等效應(yīng)力(單位： Pa)

型鋼結(jié)構(gòu)的底片鋼架主鋼管軸力如圖8所示，正向設(shè)計水位下，底片鋼管主鋼管為壓彎構(gòu)件，最大軸力為705.98kN，由底片鋼管主鋼管的等效應(yīng)力圖9可知，危險截面出現(xiàn)在最大軸力處，穩(wěn)定性驗算過程如下：截面特性參數(shù)，面積A=22536mm2，慣性半徑ix=319mm，iy=76.9mm，計算長度lx=μl0=0.65×2706=1758.9mm，ly=μl0=1.0×2706=2706mm，則

下斜片鋼管主鋼管軸力如圖10所示，正向設(shè)計水位下，下斜片鋼管主鋼管為壓彎構(gòu)件，最大軸力為470.16kN，由下斜片鋼管主鋼管的等效應(yīng)力圖11可知，危險截面出現(xiàn)在最大軸力處，穩(wěn)定性驗算過程如下：截面特性參數(shù)，面積A=13620mm2，慣性半徑ix=243.4mm，iy=38.7mm，計算長度lx=μl0=0.65×2924=1900.6mm，ly=μl0=1.0×2924=2924mm則

圖10 下斜片鋼架主梁軸力(單位： N)

圖11 下斜片鋼架主梁等效應(yīng)力(單位： Pa)

2.2 鋼架腹桿及中片鋼架的穩(wěn)定性

在閘門所有桿件中，斜拉桿主要起到抵抗閘門鋼架扭轉(zhuǎn)力矩，而底片鋼架腹桿、頂片鋼架腹桿、中片鋼架構(gòu)件主要受軸向應(yīng)力作用，相應(yīng)桿件的穩(wěn)定性需要進(jìn)行校核。

2.2.1 頂片、底片、上下斜片鋼架腹桿軸力

將所涉及到的桿件的軸力列于表1中，其中桿件號對應(yīng)關(guān)系如圖12和圖13所示。

圖12 底片、頂片鋼架結(jié)構(gòu)

圖13 上下斜片鋼架結(jié)構(gòu)注 底片鋼架中沒有腹桿21、22、23；構(gòu)件的布置一樣，但是桿徑不完全相同。

表1 不同截面空間桁架桿模型底片、頂片以及斜片鋼架各桿件軸力 單位： kN

2.2.2 中片鋼架桿件軸力

中片鋼架一、二、三結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 中片鋼架一、二、三結(jié)構(gòu)(注 1. 中片鋼架三沒有桿件8、13、14；2. 桿件布置一樣但是管徑不完全相同；3. 鋼片序號同結(jié)構(gòu)布置圖，從上往下為中片一、中片二、中片三。)

2.2.3 穩(wěn)定性計算結(jié)果

由表2可知，大部分鋼架腹桿及中片鋼架桿件受到壓力作用，極少部分受到拉力作用，并且軸向壓力大小要比主鋼管軸力小的多，校核壓桿穩(wěn)定性時，只需選擇軸向壓力最大桿進(jìn)行計算即可。

腹桿由于都是通過球節(jié)點或節(jié)點板焊接在主鋼管上，計算簡化時取長度折算系數(shù)μ=0.80。按照整體穩(wěn)定性計算公式計算，將不同截面桿件模型相應(yīng)壓桿穩(wěn)定性結(jié)果列于表3。

表2 不同截面空間桁架桿模型中片鋼架各桿件軸力 單位： kN

表3 不同截面空間桁架桿模型穩(wěn)定性結(jié)果比較

注軸力為壓力。

2.3 兩種截面模型壓桿穩(wěn)定性對比分析

根據(jù)穩(wěn)定計算結(jié)果分析，有以下結(jié)論：

a. 兩種截面桿模型下，壓桿的穩(wěn)定性計算結(jié)果基本相同，均滿足設(shè)計規(guī)范要求。分析下斜片主鋼管穩(wěn)定性結(jié)果可知，型鋼截面桿件應(yīng)力計算值大于空心鋼管截面桿件應(yīng)力計算值；底片主鋼管結(jié)果中，兩種截面計算結(jié)果相近。

b. 大部分腹桿及中片鋼架穩(wěn)定性應(yīng)力計算結(jié)果也相近，其中，兩種不同截面桿件模型的下斜片和上斜片腹桿穩(wěn)定性計算值相差較大，分析主要原因是由于兩者軸力和截面面積均不相同，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性計算結(jié)果存在差異。

c. 分析兩種不同桿件截面模型，在相同載荷和約束下，計算的軸向壓力結(jié)果不相同。由表3可知，圓形截面鋼管模型幾乎所有桿件軸力值均小于型鋼截面模型對應(yīng)的桿件軸力值，說明空心鋼管截面桿在同等載荷條件下，可以有效減小所承受的軸力，更有利于閘門整體的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

由軸心受壓桿件穩(wěn)定性的計算結(jié)果分析可以看出，空心鋼管截面桿件在大型三角閘門設(shè)計使用中存在一定的優(yōu)勢，總結(jié)有以下幾點：

a. 當(dāng)載荷和約束條件相同時，空心鋼管截面桿件穩(wěn)定性的計算結(jié)果與型鋼截面桿件的計算結(jié)果基本相同，但所對應(yīng)的鋼管截面桿件軸力均比型鋼截面桿件軸力小，并且型鋼截面的面積均大于空心鋼管截面的面積。

b. 承受閘門水壓力的主要支撐桿件是底片鋼架和下斜片鋼架的主鋼管，兩者主鋼管的軸力至少是其他空間桁架桿件軸力的10倍以上，校核閘門空間桿件穩(wěn)定性時，主要是要計算二者主鋼管穩(wěn)定性的折算壓應(yīng)力大小，閘門設(shè)計時，一定要保證主鋼管的設(shè)計和校核要求。

c. 空心鋼管截面桿件模型中大部分腹桿穩(wěn)定性折算應(yīng)力值相差不大，受壓作用均勻，而型鋼截面桿件模型中腹桿的折算應(yīng)力值不盡相同，可從側(cè)面反應(yīng)出空心鋼管截面桿件參與承受水壓力的程度比型鋼截面桿件要大，從而使各桿件受力分布均勻，整體軸力值較小。因此，鋼管截面的空間桁架各個桿件都能被有效地利用，使閘門整體的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升。從桿件受壓失穩(wěn)的角度分析，三角閘門設(shè)計使用空心鋼管截面的空間桁架桿結(jié)構(gòu)比型鋼截面的空間桁架結(jié)構(gòu)要更合理。

[1] 遲朝娜. 船閘三角閘門結(jié)構(gòu)的空間有限元分析[D]. 南京： 河海大學(xué), 2007: 4-5.

[2] 中華人民共和國交通部.JTJ 308—2003船閘閘閥門設(shè)計規(guī)范[S]. 北京： 高等教育出版社, 2003: 28-29.

[3] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京： 中國計劃出版社，2003.

Alternativecomparisonandanalysisonlargetriangulargatespacetrussstructuralmember

SHI Dianliang1, LIU Jianlong2, ZHU Wenbiao3

(1.JiangsuHongzeLakeHydraulicProjectManagementDivision,Huai’an223100,China;2.JiangsuTaizhouRiverDiversionStageIIEngineeringConstructionBureau,Taizhou225321,China;3.JiangsuMainIrrigationCanalManagementDivision,Huai’an223001,China)

In the paper, Gaogang Hub Second-line Shiplock is adopted as an example, the stability calculation method of solid-web axial compression members is adopted by comparing two gates with different space truss structure modes made of hollow steel tube and section steel. The stability of two structural members is analyzed and compared. It is concluded through analysis from the perspective of member compressive instability that application of space truss member structure of hollow steel tube cross section in triangle valve design is more rational than the space truss structure of section steel cross section, thereby providing certain reference basis for selecting triangle gate space truss members.

large triangle gate; space truss structure; comparison and analysis

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.011.006

TV34

B

1005-4774(2017)011-0027-06