一种双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构模型与流程

1.本发明涉及水电水利工程金属结构技术领域，具体涉及一种双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构模型。


背景技术：

2.弧形闸门是水利水电工程较常采用的一种泄洪设施，按孔口设置高程位置的不同分为露顶式和潜孔式两种，其露顶式弧形闸门通常采用双主横梁框架结构，一般采用双缸后拉式液压机操作。
3.对于双缸后拉式液压机作用的双主横梁弧门框架的设计，其主横梁框架由上主横梁框架和下主横梁框架组成，上主横梁框架由上主横梁与上支臂通过螺栓连接成一体，下主横梁框架由下主横梁与下支臂通过螺栓连接成一体，传统将液压机启门力fq与下主横梁框架的下支臂之间的夹角α的径向分力fq×
cosα作为作用在下框架的荷载，不考虑液压机启门力fq对上主横梁框架的影响，而通过工程实践，弧形闸门开启过程中还受自身重力作用且启门力对上主横梁框架还是有一定的影响，故传统双主横梁框架结构设计计算方法及力学结构设计模型与实际受力情况差别较大，有时会导致框架结构因局部不满足稳定要求存在安全风险，所以，现有技术还是不够完善，有待于进一步提高。
4.专利号为“202210353612”的“一种用于水利水电工程的偏心支承弧形闸门”，其在满足闸门闭门力要求的前提下，可以利用水压力产生的偏心力矩有效降低闸门的启门力；此方案结构虽然起到一定省力效果，仍未全面考虑实际受力情况，结构设计不够完善。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构模型，该方法利用力的平衡原理、叠加原理和平行四边形法则，在弧形闸门开启瞬间，液压机启门力、弧形闸门自身重力、总水压力三者之间构成一个力的平衡体系，使双缸后拉式液压机作用的双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构设计模型与实际受力情况相近，有效减少了双主横梁弧门框架结构局部不满足要求的范围及薄弱部分，提高了双主横梁弧门框架结构的稳定性，有利于弧形闸门的安全可靠运行，且技术经济指标较优。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构模型，包括以下步骤：
7.s110、依据弧形闸门液压机纵向布置图、上主横梁框架平面布置图和下主横梁框架平面布置图得到荷载计算所用参数；
8.s120、依据弧形闸门液压机纵向布置图绘制出在弧形闸门启门瞬间力的作用图；
9.s130、以弧形闸门启门瞬间力的作用图为基础，计算出上主横梁框架所受水压力p
上
和下横梁框架所受水压力p
下
，继而求出水压力作用时，上主横梁框架单位线荷载q
上
和下主横梁框架单位线荷载q
下
，通过荷载q
上
可得出上主横梁框架的力学结构设计模型，通过荷载q
下
可得出下主横梁框架的力学结构设计模型；
10.s140、通过弧形闸门在液压机启门力与自身重力作用下的受力示意图，求出液压机启门力与弧形闸门自身重力的合力f
合
，继而可求出f
合
与弧形闸门承受的总水压力作用线之间的夹角；
11.s150、通过液压机启门力、自身重力的合力在上下主横梁框架上的荷载分配示意图，计算得出液压机启门力与弧形闸门自身重力作用时，上主横梁框架两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
上
/2的力学结构设计模型；下主横梁框架两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
下
/2的力学结构设计模型；
12.s160、根据叠加法原理，求出液压机启门力fq、弧形闸门自身重力g、弧形闸门承受的总水压力p
总水
共同作用下的上主横梁框架力学结构设计模型和液压机启门力fq、弧形闸门自身重力g、弧形闸门承受的总水压力p
总水
共同作用下的下主横梁框架力学结构设计模型。
13.前述双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构模型，其中所述步骤s110中得到荷载计算所用参数包括：弧形闸门弧面半径r、支铰中心至底槛高度h、上游水压高度hs、闸门孔口宽度b、液压启闭机启门力fq及液压机铰点中心的位置o、液压机启门力作用线与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d。
14.前述双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构模型，其中所述步骤s120中弧形闸门启门瞬间力的作用图包括：包括液压机启门力fq、弧形闸门自身重力g、弧形闸门承受的总水压力p
总水
及总水压力作用线位置，采用《水电工程钢闸门设计规范》(nb35055)附录d闸门荷载计算的主要公式d.0.1的续表d.0.1序号6、7、8公式,根据弧形闸门弧面半径r、支铰中心至底槛高度h、上游水压高度hs、闸门孔口宽度b确定水平水压力ps、垂直水压力vs,继而按公式及总水压力作用线与水平线夹角为得出p
总水
、总水压力作用线位置，并绘出上主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角α、下主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角β，以及fq与g之间的夹角γ、fq与总水压力作用线之间的夹角φ。
15.前述双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构模型，其中所述步骤s130具体为：
16.s131、根据p
总水
及总水压力作用线位置、上主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角α、下主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角β，采用力的平行四边形法则得出上主横梁框架所受水压力p
上
和下横梁框架所受水压力p
下
；
17.也可根据三角形正弦定理求得上主横梁框架所受水压力p
上
和下横梁框架所受水压力p
下
，计算公式为：
18.p
上
＝p
总水
×
sinβ/sin(α+β)，
19.p
下
＝p
总水
×
sinα/sin(α+β)；
20.s132、计算上主横梁框架单位线荷载q
上
，计算公式为：
21.q
上
＝p
上
/b，
22.从而得出水压力作用时，上主横梁框架为承受均布荷载q
上
的力学结构设计模型；
23.s133、计算下主横梁框架单位线荷载q
下
，计算公式为：
24.q
下
＝p
下
/b，
25.从而得出水压力作用时，下主横梁框架为承受均布荷载q
下
的力学结构设计模型。
26.前述双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构模型，其中所述步骤s140具体为：
27.s141、根据液压机启门力fq、弧形闸门自身重力g和fq与g之间的夹角γ，采用力的平行四边形法求出fq与g之间的合力f
合
；
28.也可以根据余弦定理求出f
合
计算公式为：
29.f
合
＝(f
q2
+g
2-2fq×g×
cosγ)
0.5
，
30.s142、求f
合
与fq之间的夹角θ，计算公式为：
31.θ＝arc sin(g
×
sinγ/f
合
)，
32.s143、根据fq与总水压力作用线之间的夹角φ、f
合
与fq之间的夹角θ得出f
合
与总水压力作用线之间的夹角为φ-θ。
33.前述双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构模型，其中所述步骤s150具体为：
34.s151、根据fq与总水压力作用线之间的夹角φ、f
合
与fq之间的夹角θ和下主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角β，得出f
合
与下主横梁框架中心线之间的夹角为φ-θ-β；
35.s152、根据上主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角α和下主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角β，得出上主横梁框架与下主横梁框架的中心线之间的夹角为α+β；
36.s153、根据fq与总水压力作用线之间的夹角φ、f
合
与fq之间的夹角θ和上主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角α，得出f
合
与上主横梁框架中心线之间的夹角为π﹣φ+θ﹣α；
37.s154、采用力的平行四边形法求出f
合
分配到上主横梁框架的力f
上
，分配到下主横梁框架的力f
下
；
38.也可以采用三角形正弦定理求出上主横梁框架的力f
上
，下主横梁框架的力f
下
，计算公式为：
39.f
上
＝-f
合
sin(φ-θ-β)/sin(α+β)，
40.f
下
＝f
合
sin(φ-θ+α)/sin(α+β)；
41.s155、根据液压机启门力fq作用线与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d和上主横梁框架的力f
上
，液压机为双作用点，启门力fq对称作用于框架两侧，单侧作用力fq/2，得出fq与g作用时，上主横梁框架为两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
上
/2的力学结构设计模型；
42.s156、根据液压机启门力fq作用线与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d和下主横梁框架的力f
下
，液压机为双作用点，启门力fq对称作用于框架两侧，单侧作用力fq/2，得出fq与g作用时，下主横梁框架为两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
下
/2的力学结构设计模型。
43.前述双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构模型，其中所述步骤s160具体为：
44.s161、根据叠加法原理，将上主横梁框架承受均布荷载q
上
的力学结构设计模型、两
侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
上
/2的力学结构设计模型进行叠加即可得出液压机启门力fq、弧形闸门自身重力g、弧形闸门承受的总水压力p
总水
共同作用下的上主横梁框架力学结构设计模型；
45.s162、根据叠加法原理，将下主横梁框架承受均布荷载q
下
的力学结构设计模型、两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
下
/2的力学结构设计模型进行叠加即可得出液压机启门力fq、弧形闸门自身重力g、弧形闸门承受的总水压力p
总水
共同作用下的下主横梁框架力学结构设计模型。
46.与现有技术相比，本发明的优势在于，该方法利用力的平衡原理、叠加原理和平行四边形法则，在弧形闸门开启瞬间，液压机启门力、弧形闸门自身重力、总水压力三者之间构成一个力的平衡体系，并通过上主横梁框架和下主横梁框架将荷载传递至支臂铰点转动中心，其合力为零；因总水压力作用线垂直于支臂铰点座底板，其合力采用平行四边形法则可求出分配到上、下两个主横梁框架荷载，根据叠加法原理，将液压机启门力、弧形闸门自身重力的合力，采用平行四边形法则求出分配到上、下两个主横梁框架荷载与总水压力分配到上、下两个主横梁框架荷载进行叠加即可求出作用在上、下两个框架的总荷载，从而可得出上、下两个主横梁框架的力学结构设计模型，使双缸后拉式液压机作用的双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构设计模型与实际受力情况相近，有效减少了双主横梁弧门框架结构局部不满足要求的范围及薄弱部分，提高了双主横梁弧门框架结构的稳定性，有利于弧形闸门的安全可靠运行，且技术经济指标较优。
附图说明
47.图1是本发明的弧形闸门液压机纵向布置图；
48.图2是本发明的上主横梁框架平面布置图；
49.图3是本发明的下主横梁框架平面布置图；
50.图4是本发明的弧形闸门启门瞬间力的作用图；
51.图5是本发明的弧形闸门单独在水压力作用下的受力示意图；
52.图6是图5中上主横梁框架为承受均布荷载q
上
的力学结构设计模型示意图；
53.图7是图5中下主横梁框架为承受均布荷载q
下
的力学结构设计模型示意图；
54.图8是本发明的弧形闸门在液压机启门力与自身重力作用下的受力示意图；
55.图9是本发明的液压机启门力、自身重力的合力在上下主横梁框架上的荷载分配示意图；
56.图10是图9中两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
上
/2的上主横梁框架力学结构设计模型示意图；
57.图11是图9中两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
下
/2的下主横梁框架力学结构设计模型示意图；
58.图12是液压机启门力、弧形闸门自身重力、弧形闸门承受的总水压力共同作用下的上主横梁框架力学结构设计模型示意图；
59.图13是液压机启门力、弧形闸门自身重力、弧形闸门承受的总水压力共同作用下的下主横梁框架力学结构设计模型示意图。
60.附图标记：1-弧形闸门，2-上主横梁框架，3-下主横梁框架，4-液压机，5-上主横梁
中和轴，6-上支臂，7-下主横梁中和轴，8-下支臂，9-液压机铰点中心的位置，10-支臂铰点中心的位置，11-底槛，12-液压机臂顶端与弧形闸门连接铰点，13-弧形闸门承受总水压力作用线，r-弧形闸门弧面半径，g-弧形闸门自身重力，h-支臂铰点中心至底槛高度，hs-上游水压高度，b-闸门孔口宽度，f
q-液压机启门力，d-液压机启门力作用线与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离，p
总水-弧形闸门承受的总水压力，α-上主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角，β-下主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角，γ-液压机启门力与弧形闸门自身重力之间夹角，φ-液压机启门力与总水压力作用线之间的夹角，f
合-液压机启门力与弧形闸门自身重力的合力，f
上-f
合
分配到上主横梁框架的力，f
下-f
合
分配到下主横梁框架的力，f
上
/2-上主横梁框架为两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载，f
下
/2-下主横梁框架为两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载。
61.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
62.本发明的实施例1：一种双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构模型，包括以下步骤：
63.s110、依据弧形闸门液压机纵向布置图、上主横梁框架平面布置图和下主横梁框架平面布置图得到荷载计算所用参数；
64.s120、依据弧形闸门液压机纵向布置图绘制出在弧形闸门启门瞬间力的作用图；
65.s130、以弧形闸门启门瞬间力的作用图为基础，计算出上主横梁框架所受水压力p
上
和下横梁框架所受水压力p
下
，继而求出水压力作用时，上主横梁框架单位线荷载q
上
和下主横梁框架单位线荷载q
下
，通过荷载q
上
可得出力学结构设计模型为上主横梁框架，通过荷载q
下
可得出力学结构设计模型为下主横梁框架；
66.s140、通过弧形闸门在液压机启门力与自身重力作用下的受力示意图，求出液压机启门力与弧形闸门自身重力的合力f
合
，继而可求出f
合
与弧形闸门承受的总水压力作用线之间的夹角；
67.s150、通过液压机启门力、自身重力的合力在上下主横梁框架上的荷载分配示意图，计算得出液压机启门力与弧形闸门自身重力作用时，上主横梁框架为两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
上
/2的力学结构设计模型；下主横梁框架为两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
下
/2的力学结构设计模型；
68.s160、根据叠加法原理，求出液压机启门力fq、弧形闸门自身重力g、弧形闸门承受的总水压力p
总水
共同作用下的上主横梁框架力学结构设计模型和液压机启门力fq、弧形闸门自身重力g、弧形闸门承受的总水压力p
总水
共同作用下的下主横梁框架力学结构设计模型。
69.本发明的实施例2：一种双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构模型，包括以下步骤：
70.s110、依据弧形闸门液压机纵向布置图、上主横梁框架平面布置图和下主横梁框架平面布置图得到弧形闸门弧面半径r、支铰中心至底槛高度h、上游水压高度hs、闸门孔口
宽度b、液压启闭机启门力fq及液压机铰点中心的位置o、液压机启门力作用线与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d；
71.s120、依据弧形闸门液压机纵向布置图绘制出在弧形闸门启门瞬间力的作用图中包含有：液压机启门力fq、弧形闸门自身重力g及总水压力作用线位置，采用《水电工程钢闸门设计规范》(nb35055)附录d闸门荷载计算的主要公式d.0.1的续表d.0.1序号6、7、8公式,根据弧形闸门弧面半径r、支铰中心至底槛高度h、上游水压高度hs、闸门孔口宽度b确定水平水压力ps、垂直水压力vs,继而按公式及总水压力作用线与水平线夹角为得出p
总水
、总水压力作用线位置，并绘出上主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角α、下主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角β，以及fq与g之间的夹角γ、fq与总水压力作用线之间的夹角φ；
72.s131、根据p
总水
及总水压力作用线位置、上主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角α、下主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角β，采用力的平行四边形法则得出上主横梁框架所受水压力p
上
和下横梁框架所受水压力p
下
；
73.也可根据三角形正弦定理求得上主横梁框架所受水压力p
上
和下横梁框架所受水压力p
下
，计算公式为：
74.p
上
＝p
总水
×
sinβ/sin(α+β)，
75.p
下
＝p
总水
×
sinα/sin(α+β)；
76.s132、计算上主横梁框架单位线荷载q
上
，计算公式为：
77.q
上
＝p
上
/b，
78.从而得出水压力作用时，上主横梁框架为承受均布荷载q
上
的力学结构设计模型；
79.s133、计算下主横梁框架单位线荷载q
下
，计算公式为：
80.q
下
＝p
下
/b，
81.从而得出水压力作用时，下主横梁框架为承受均布荷载q
下
的力学结构设计模型；
82.s141、根据液压机启门力fq、弧形闸门自身重力g和fq与g之间的夹角γ，采用力的平行四边形法求出fq与g之间的合力f
合
；
83.也可以根据余弦定理求出f
合
计算公式为：
84.f
合
＝(f
q2
+g
2-2fq×g×
cosγ)
0.5
，
85.s142、求f
合
与fq之间的夹角θ，计算公式为：
86.θ＝arc sin(g
×
sinγ/f
合
)，
87.s143、根据fq与总水压力作用线之间的夹角φ、f
合
与fq之间的夹角θ得出f
合
与总水压力作用线之间的夹角为φ-θ；
88.s151、根据fq与总水压力作用线之间的夹角φ、f
合
与fq之间的夹角θ和下主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角β，得出f
合
与下主横梁框架中心线之间的夹角为φ-θ-β；
89.s152、根据上主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角α和下主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角β，得出上主横梁框架与下主横梁框架的中心线之间的夹角为α+β；
90.s153、根据fq与总水压力作用线之间的夹角φ、f
合
与fq之间的夹角θ和上主横梁框架中心线与总水压力作用线之间的夹角α，得出f
合
与上主横梁框架中心线之间的夹角为π﹣φ+θ﹣α；
91.s154、采用力的平行四边形法求出f
合
分配到上主横梁框架的力f
上
，分配到下主横梁框架的力f
下
；
92.也可以采用三角形正弦定理求出上主横梁框架的力f
上
，下主横梁框架的力f
下
，计算公式为：
93.f
上
＝-f
合
sin(φ-θ-β)/sin(α+β)，
94.f
下
＝f
合
sin(φ-θ+α)/sin(α+β)
95.s155、根据液压机启门力fq作用线与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d和上主横梁框架的力f
上
，得出fq与g作用时，上主横梁框架为两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
上
/2的力学结构设计模型；
96.s156、根据液压机启门力fq作用线与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d和下主横梁框架的力f
下
，得出fq与g作用时，下主横梁框架为两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
下
/2的力学结构设计模型；
97.s161、根据叠加法原理，将上主横梁框架承受均布荷载q
上
的力学结构设计模型、两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
上
/2的力学结构设计模型进行叠加即可得出液压机启门力fq、弧形闸门自身重力g、弧形闸门承受的总水压力p
总水
共同作用下的上主横梁框架力学结构设计模型；
98.s162、根据叠加法原理，将下主横梁框架承受均布荷载q
下
的力学结构设计模型、两侧承受与主横梁中和轴、支臂中心线的交点之间距离d集中荷载f
下
/2的力学结构设计模型进行叠加即可得出液压机启门力fq、弧形闸门自身重力g、弧形闸门承受的总水压力p
总水
共同作用下的下主横梁框架力学结构设计模型。
99.本发明的一种实施例的工作原理：该方法通过上主横梁框架和下主横梁框架将荷载传递至支臂铰点转动中心，在弧形闸门开启瞬间，液压机启门力、弧形闸门自身重力、总水压力三者之间构成一个力的平衡体系，其合力为零，因总水压力作用线垂直于支臂铰点座底板，其合力采用平行四边形法则可求出分配到上、下两个主横梁框架荷载，根据叠加法原理，将液压机启门力、弧形闸门自身重力的合力，采用平行四边形法则求出分配到上、下两个主横梁框架荷载与总水压力分配到上、下两个主横梁框架荷载进行叠加即可求出作用在上、下两个框架的总荷载，从而可得出上、下两个主横梁框架的力学结构设计模型，使双缸后拉式液压机作用的双主横梁弧门框架结构荷载计算方法及力学结构设计模型与实际受力情况相近，有效减少了双主横梁弧门框架结构局部不满足要求的范围及薄弱部分，提高了双主横梁弧门框架结构的稳定性，有利于弧形闸门的安全可靠运行，且技术经济指标较优。