1、弧门主框架可靠性分析及设计摘要：弧形闸门由于水力学条件好和启闭力小等特点，被广泛用于水利水电工程中。主框架是弧门的主要承重至剖沟，其安全、经济与否决定着整个弧门的安全和经济。本文主要对弧门主框架可靠性进行了分析，并优化了程序设计。 关键词：弧门；主框架；可靠性；设计 中图分类号： S611 文献标识码： A 1 引言 稳定性是钢结构的一个突出问题，在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。这个问题处理得不好，将造成不应有的损失。现代工程史上不乏有因失稳而造成严重的工程事故，1978 年美国哈特福特大跨度网架屋盖，平面尺寸 92m110m，因支撑杆件偏心和扭转屈曲而倒塌。1988年我国大连某机械厂
2、梭形轻钢屋架因受压腹杆的侧向支撑失效，而导致特大安全事故。又如我国广东鹤地水库溢洪道上的弧形钢闸门，1966 年由于 7 级阵风，浪高 0.6 米，波浪反复冲击闸门，使弧门支臂柱失稳，从而导致闸门破坏。根据文献资料研究:弧形钢闸门 80%以上是因为弧门主框架失稳破坏，闸门是水工枢纽的关键调节结构，闸门失事不仅直接影响工程效益发挥而且会给人民群众的生命财产带来很惨重的损失。 闸门是水工建筑物的主要组成部分。它的作用是封闭水工建筑物的孔口，并能够按需要全部或局部开启这些孔口，可靠地调节上下游水位和流量，以获得防洪、灌溉、引水发电、通航以及排除泥砂、冰块或其它漂浮物等效益。闸门的种类按闸门的构造分，
3、主要有平面闸门、弧形闸门、扇形闸门、屋顶闸门等型式。而弧形钢闸门因具有结构简单、启闭力小、操作简便、水流条件好等特点，而得到广泛应用，特别适合用于泄水建筑物的工作门。 随着我国水电事业的发展，大型弧门不断涌现，为了安全起见已越来越多地趋向于使用有限元方法来计算弧门的应力和变形，再应用容许应力法验算结构的强度。但有限元计算不应是弧门结构计算的唯一出路，采用以概率论为基础的极限状态法(可靠度方法)进行弧门结构设计是今后的发展方向。但在工程设计上简单、方便的平面体系计算方法仍广为使用，如何使平面体系计算方法更为合理和准确是一个有待解决的重要课题。 弧形钢闸门是水库、水电站、水闸和灌溉工程中的重要结构
4、。弧门的主框架是其主要承重结构。它承受由面板和次梁等传来的水压力，并将此力传给支承铰，主框架的结构类型主要有主横梁式结构和主纵梁式结构两种，前者适用于扁而宽的孔口，如水闸及溢洪道上露顶式弧形闸门多采用主横梁式框架。后者适用于高而窄的孔口，潜孔弧形钢闸门多用于主纵梁式框架。主横梁式的主框架的弧形闸门的主梁水平放置。主横梁与左右两个支臂构成主框架。主纵梁式的弧形钢闸门的主梁为竖立放置，主纵梁与上下两个支臂构成纵向主框架以适应孔口宽高比变化的要求，因此，从整体经济出发，对孔口宽高比较小的弧形闸门，一般采用主纵梁式的结构。弧门主框架的形式有主横梁式门式框架、主横梁式斜支臂八字形式框架以及主纵梁式多层三
5、角形框架。 2 主框架可靠性分析模型 弧形钢闸门的主要承载体系是主框架，以工程中最常用的双支臂式为例，它是由 2 根纵梁、2 根主横梁、4 根支臂组成的空间框架结构，它是延性材料的高次超静定结构，但是由于弧形钢闸门的主框架结构构件不允许产生塑性铰，允许变形很小。所以任何 1 个构件失效就可能导致整个结构失效。对于弧门主框架的承载能力极限状态，其主横梁及纵梁的主要失效模式有弯曲破坏和剪切破坏 2 种；其支臂由于受轴压和弯曲组合作用，失效模式主要有平面内失稳和平面外失稳 2 种；由于 4 根支臂在抗力及荷载效应方面必然存在着差别，但对同一闸门来说由于设计及生产水平一致，其差别不大，可以忽略；同理，
6、4 根梁的差异性也可以忽略。这里假定它们的荷载效应及抗力相同。 3 基本统计数据 3.1 荷载的统计参数 由于潜孔门与露顶门所受荷载不同，必须分别讨论。对于露顶门，荷载主要考虑有静水压力、动水压力、波浪力、地震动水压力；对于潜孔门，荷载主要有静水压力，动水压力，泥沙力、地震动水压力，各荷载统计参数见表 1。 表 1 荷载的统计参数 荷载类型符号闸门类型平均值/标准值变异系数 分布类型 静水压力 W 露顶门 0.550.45 正态 潜孔门 0.9 0.135 正态 动水压力 D 露顶门 0.550.45 正态 潜孔门 0.9 0.135 正态 波浪力 B 露顶门 0.580.29 极值 I 型
7、泥沙力 N 潜孔门 0.490.3 对数正态 地震动 Z 露顶门 0.454 1.2 极值 I 型 水压力潜孔门 0.454 1.2 极值 I 型 在可靠度计算中对露顶门和潜孔门分别考虑 5 种荷载组合，每种组合又有若干个荷载效应比值。对于 W+B+D、W+N+D 组合时，表中所列的 值为 BK+DK/WK 和 NK+DK/WK。同时取 BK:DK=1:1，NK:DK=1:1。 3.2 抗力的统计参数 要进行可靠度分析不但具备荷载的统计参数，还要有抗力的统计参数。结构构件抗力的随机性是由材料机械性能和几何尺寸的变异及结构设计计算模式的不定性引起的，其统计参数应由相应的设计规范进行调查统计和试验
8、资料分析求出。抗力 R 一般用如下的形式表达： R=RKMAP 式中：RK结构构件抗力的标准值； M代表材料强度或刚度的变异； A代表制作中的不定性，主要是截面几何特性的变异； P代表设计计算模式的不定性。 钢闸门材料性能的变异应该与一般钢构件的一样；对于钢闸门的制作水平，按文献中的有关规定进行了分析计算。 几何尺寸的统计参数，可取钢结构中几何尺寸的统计参数，本文对于焊接工字钢截面几何尺寸的统计参数作了计算分析。 对于闸门结构而言，由工程经验得：h=11.5m 取h=1.25m，b=2040cm 取 b=30cm。bh/4。截面的几何特性a3/2ht，Ix5th3/24，Wx5th2/12。
9、由于工厂一般对钢板的厚度不再加工，所以厚度变异系数可取数据t=0.022。但是工字钢的高度及宽度对焊接工字钢一般是要加工的，不能直接取数据，应重新进行计算分析，由变异系数的定义及规定 h 及 b的偏差为2mm 得：h=2/3mm，b=2/3mm，h=0.0005，b=0.0022 可见变异系数是很小的，远远小于一般钢结构构件相应的值：h=0.011，b=0.011。这说明闸门结构焊接工字钢对几何尺寸要求比一般轧制工字钢要求严格，钢闸门制作比一般钢结构严格，为了统一安全起见，将截面几何尺寸统计参数统一取为 mKA=1.0，KA=0.05，即与一般钢结构的统计参数相同，这对于一般钢构件稍有保守，但
10、对于考虑一些较为不利的情况的构件是必要的。对于水工钢闸门计算模式的不定性，目前还没有这方面的统计资料，还是暂时取一般钢结构的数据。 4 优化程序设计及算例 4.1 优化方法的选择及改进 本文研究的弧门主框架优化问题设计变量多，约束条件大多数是隐式约束，且目标函数也是非线性的，这样对研究带来一定的困难。复合形法对于处理此类问题原理简单，对目标函数和约束条件无过多的限制，易于实现。国内外已有成功的经验可供借鉴，故选用复合形法对弧门主框架进行优化设计。 对于低维凸域的优化间题采用一般复合形法，收敛相当迅速，但对于多维且可行域比较复杂的问题就难以保证收敛，甚至初始复合形也难以形成。根据主框架优化的具体
11、特点，在优化初始复合形产生时，利用准则法对随机产生的每一个顶点进行调整，使其位于可行域内，且位于紧约束附近.这就相当于在局部寻优，不但解决了复合形法难以构成的矛盾，而且加速了收敛速度，保证达到最优解。为了进一步加速收敛，在程序设计时又吸收了单形法的扩张、伸缩等灵活搜索特点，增加了一些试探性步骤. 4.2 程序结构 程序由主程序和六个子程序组成，其中包括复合形法子程序、检验子程序、目标函数及约束条件计算子程序、计算框架强度、稳定性和刚度子程序、两个自动查表插值子程序，还包括一个数据块子程序和三个关于稳定验算系数的数据文件。程序用 FORTRAN77 语言编写，一般只要几分钟就可以完成一个弧门主框
12、架的优化设计. 4.3 算例 例 1:某工程溢洪道露顶式斜支臂弧形闸门，门宽 10m，门高 5.25m，设计水 头 50m，弧门半径 7.5m，支铰距底坎高为 3.95m。 例 2:某工程输水洞工作门采用直支臂弧形闸门，宽 3.6m 高 3.6m，设计水头 34m，弧门半径 6m，支铰距底坎高度为 4.5m. 例 3:某工程输水洞工作门，采用直支臂弧形闸门，门宽 8m，门高8m，设计水头 52m，弧门半径 16m，支铰距底坎高度 12m。 用弧门主框架优化程序对以上三例分别进行优化，得到的结果目标函数值，即主框架重量，并与实际设计重量作比较。无论对于露顶式弧门还是潜孔式弧门，斜支臂框架还是直支臂框架，优化重量均比原设计值小。对于潜孔式弧门减小率比较大，主要原因是由于潜孔式弧门在实际生产设计时，各方面尺寸选取均比露顶式取得保守缘故。 参考文献 1李国强，刘玉姝，赵欣.钢结构框架体系高等分析与系统可靠度设计M北京:建筑工业出版社，2006. 2朱军祚.拓扑优化在大型弧形钢闸门优化布置中的应用J.人民黄河,2007,29(6) 3蔡元奇.弧形钢闸门结构整体优化设计J. 武汉大学学报(工学版),2005,38(6):
