一種新型貝雷架鋼閘門的設(shè)計及應(yīng)用

黃亞棟，毛成永

（1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，湖北武漢 430051；2.湖北省襄陽市港航發(fā)展服務(wù)中心，湖北襄陽 441001）

0 引言

常規(guī)的臨時擋水設(shè)施主要是鋼閘門和圍堰，其中鋼閘門適用于各種水利項目，應(yīng)用廣泛。但有以下缺點：1）鋼閘門采用全鋼板焊接而成，結(jié)構(gòu)重量比較重；2）鋼閘門需要在工廠加工，運輸和吊裝過程非常繁瑣，需要進行專項論證；3）采用的是全焊鋼結(jié)構(gòu)，制作成本大；4）臨時閘門使用完畢后，后期拆卸費用高。拆卸完畢后，鋼閘門不能做其他利用，浪費較多，不經(jīng)濟[1-3]。

圍堰結(jié)構(gòu)應(yīng)用于臨時擋水結(jié)構(gòu)，應(yīng)用也很廣泛，但有以下缺點：1）工程量大，需要使用大量的土石方形成圍堰結(jié)構(gòu)；2）施工周期長，需要從合適的取土場地取土運到工程現(xiàn)場，取土工程量大；3）使用限制條件多，圍堰結(jié)構(gòu)對現(xiàn)場場地面積和地質(zhì)均有要求；4）后期圍堰拆除工程量大。

本文結(jié)合新溝二線船閘工程，創(chuàng)新性地提出一種貝雷架鋼閘門，該閘門結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、結(jié)構(gòu)件采用租賃設(shè)備，既能有效解決鋼閘門施工周期長、造價高等問題，又不需要圍堰那么多的限制條件，后期拆除量小。

1 工程概況

新溝二線船閘位于漢北河河口——漢北河航道的咽喉，總投資約3.56億元。本工程的開發(fā)任務(wù)是發(fā)展航運，以提高新溝船閘的通過能力，滿足腹地經(jīng)濟發(fā)展的需要，為漢北河建成郁級航道打下基礎(chǔ)。隨著《國務(wù)院關(guān)于加快長江等內(nèi)河水運發(fā)展的意見》出臺，漢北河新溝二線船閘工程已納入《湖北省公路水路交通運輸發(fā)展“十二五”規(guī)劃》。新溝二線船閘的建設(shè)，有利于加快腹地城鎮(zhèn)化建設(shè)進程，是沿河區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和實現(xiàn)漢北水系航運規(guī)劃目標航道升等提級的需要，是改善水路運輸條件的當務(wù)之急，對于發(fā)揮漢北河航線在湖北航運體系中的作用具有重要的意義。

新溝二線船閘為郁級船閘，船閘受雙向水頭作用，正向設(shè)計水頭6.62 m（漢北河側(cè)水位—漢江側(cè)水位），反向設(shè)計水頭4.40 m（漢江側(cè)水位—漢北河側(cè)水位）。上、下閘首工作閘門為鋼質(zhì)弧形三角門，利用上閘首三角閘門進行擋洪[4]。

由于在施工期間作為擋洪閘門的上閘首三角閘門要在經(jīng)歷一個汛期后才能安裝，而在三角閘門安裝好之前的期間內(nèi)，新溝二線船閘將無法擋水，如果不采取措施，將會造成嚴重后果：1）一旦漢江洪水來了，如果沒有閘門擋水，漢北河側(cè)孝感幾十萬人民將受洪水災(zāi)害。如果漢北河側(cè)發(fā)生洪澇災(zāi)害，內(nèi)河洪水如果不能及時排到漢江，漢北河側(cè)人民將遭受內(nèi)澇災(zāi)害。2）如果漢北河水位高，假如沒有擋水閘門，漢北河的水資源會流失到漢江中，將會導(dǎo)致孝感境內(nèi)抗旱形勢嚴峻。因此在擋洪三角閘門安裝好之前，需要先設(shè)置一個臨時擋水閘門。船閘的總體布置如圖1所示。

圖1 船閘總體布置圖Fig.1 General layout of ship lock

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計工況

新溝二線船閘閘室寬度為16 m，底檻高程10.85 m，閘頂高程31.075 m，根據(jù)新溝閘歷年防洪期最大水頭差資料，本次設(shè)計中漢江水位取29.28 m，漢北河水位取24.97 m，水頭差為4.31 m。閘門頂高程取30.70 m，閘門平面尺寸為16 m伊19.85 m（寬伊高）。

2.2 閘門結(jié)構(gòu)組成

該閘門主要由面板系、主梁、縱向固定梁以及邊梁組成。其中面板系由鋼板面、橫向分配梁以及縱向分配梁組成，橫向分配梁分別與面板和縱向分配梁焊接固定。

閘門主梁結(jié)構(gòu)采取單排貝雷架結(jié)構(gòu)，從閘門底到閘門頂共設(shè)置33層貝雷架。貝雷架后面增加了33層工字鋼作為水平斜支撐結(jié)構(gòu)，斜支撐和主梁結(jié)構(gòu)共同承受水壓力。主梁一側(cè)與面板系的縱向分配梁相連接，另一側(cè)與縱向固定梁、邊梁相連接。

為保證主梁上貝雷架在自重作用下的平面外穩(wěn)定性，在貝雷架主梁的非面板系側(cè)設(shè)置了縱向固定梁，縱向固定梁采用型鋼結(jié)構(gòu)。

該閘門的傳力途徑是面板系進行擋水，將水壓力傳遞到橫向分配梁，橫向分配梁將水壓力傳遞到縱向分配梁，縱向分配梁將水壓力傳遞到主梁上，然后通過與貝雷架連接的邊梁和斜支撐將水壓力傳遞到水工結(jié)構(gòu)的邊墩上。貝雷架鋼閘門結(jié)構(gòu)總圖如圖2所示。其中面板采用10 mm厚的鋼板，橫向分配梁采用12.6的工字型鋼，主梁結(jié)構(gòu)采用321型加強型貝雷片，縱向固定梁、縱向分配梁和水平斜支撐采用25a的工字型鋼，邊梁采用雙拼25a的工字型鋼。

圖2 貝雷架鋼閘門結(jié)構(gòu)總圖Fig.2 General structure of Bailey steel gate

2.3 閘門的止水形式

傳統(tǒng)鋼閘門的止水形式分為柔性止水系統(tǒng)和剛性止水系統(tǒng)。

柔性止水是在鋼閘門上安裝止水橡膠帶，通過水壓力擠壓止水橡膠帶使鋼閘門與支撐墻體緊密接觸。但是在該項目中安裝止水橡膠帶時，需要在鋼面板上鉆600多個螺栓孔，安裝600多個螺栓，安裝工程量大，此外止水橡膠帶需要在現(xiàn)場安裝，安裝空間小，不易操作。

剛性止水是在鋼閘門上設(shè)置剛性支撐材料，通過水壓力擠壓直接使剛性支撐材料與支撐墻體緊密接觸。由于現(xiàn)場支撐面為粗糙的混凝土鑿毛表面，因此若采用剛性止水，則只能采取膠凝材料，使鋼閘門與支撐面進行無縫接觸，比如混凝土、瀝青等，在該項目中，選用了工程現(xiàn)場比較豐富的混凝土材料作為剛性止水材料（圖3）。采用該種止水方式的優(yōu)點是：1）構(gòu)造簡單；2）不需要額外采購特殊產(chǎn)品，施工場地材料豐富；3）能夠很好適應(yīng)現(xiàn)場狹窄的止水安裝空間。

圖3 剛性止水安裝模型圖Fig.3 Installation model of rigid water stop

2.4 構(gòu)件連接系統(tǒng)設(shè)計

構(gòu)件連接系統(tǒng)主要是貝雷架結(jié)構(gòu)與面板系結(jié)構(gòu)和縱向固定梁結(jié)構(gòu)的連接方式。目前鋼結(jié)構(gòu)工程的連接方式主要采用焊接和螺栓連接2種方式，如果采用最為常用的焊接形式有以下缺點：1）對租賃的貝雷架造成損害，易產(chǎn)生索賠；2）在臨時閘門擋水結(jié)束后，拆卸復(fù)雜，需要對焊接焊縫進行火焰切割；3）對貝雷架安裝精度要求高，如果貝雷架主梁和面板系以及縱向固定梁之間的安裝間隙過大時，將會影響安裝質(zhì)量。

針對焊接結(jié)構(gòu)的以上缺點，本次設(shè)計中，將貝雷架主梁與面板系以及縱向固定梁之間采用騎馬螺栓連接。采用這種連接方式具有不會對租賃的貝雷架造成損害，拆卸方便，對貝雷架結(jié)構(gòu)安裝精度要求不高等優(yōu)點。構(gòu)件的騎馬螺栓連接如圖4所示。

圖4 騎馬螺栓連接構(gòu)件Fig.4 Connecting components of riding bolt

3 閘門結(jié)構(gòu)有限元計算模型

本文利用有限元分析軟件MIDAS對閘門結(jié)構(gòu)進行有限元計算，為了準確、真實地反映出閘門的工作情況，選用空間梁單元和板殼單元來模擬閘門各構(gòu)件[5-7]。坐標系選擇為：x軸垂直于閘室方向，y軸指向下游，z軸豎直向上。

根據(jù)新溝閘歷年防洪期最大水頭差資料，本次設(shè)計中漢江水位取29.28 m，漢北河水位取24.97 m，水頭差4.31 m。

由靜力學(xué)分析可知，主梁最大折算應(yīng)力為179.4 MPa，出現(xiàn)在主梁跨中部位，小于材料的允許應(yīng)力值310 MPa；主梁最大變形為11.0 mm，出現(xiàn)在主梁跨中部位，小于結(jié)構(gòu)的允許變形值28.9 mm[8]。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

該貝雷架鋼閘門主要結(jié)構(gòu)采用租賃貝雷架組裝而成，貝雷架總重90.04 t，占閘門總重151.7 t的59.35%，這部分的材料只需要支付租賃費和安裝費，安裝方便，閘門的工程預(yù)算為185萬元，工程造價節(jié)約135萬元，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。

4.2 社會效益

該貝雷架鋼閘門投入運行后，產(chǎn)生了以下社會效益：1）貝雷架鋼閘門使新溝二線船閘安全度過了洪水期，帶來了良好的社會效益；2）采用該貝雷架鋼閘門改善了工作人員的勞動條件，降低了勞動強度，減少了工程施工對環(huán)境造成的噪音和大氣污染；3）貝雷架鋼閘門是在工地現(xiàn)場利用貝雷架現(xiàn)場拼裝，不需要將大型的閘門鋼結(jié)構(gòu)通過貨車運到工程現(xiàn)場，保障了公共交通的安全；4）貝雷架鋼閘門在使用后能夠拆除重復(fù)利用，極大地節(jié)約了公共資源。

5 結(jié)語

該貝雷架鋼閘門成功應(yīng)用于新溝二線船閘，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，它既能有效解決鋼閘門施工周期長、造價高等問題，又不需要圍堰那么多的限制條件，后期拆除量小。貝雷架鋼閘門可以作為一種新型的大跨度閘門，廣泛應(yīng)用于需要快速、低成本設(shè)置擋水臨時鋼閘門的水運或水利現(xiàn)場。