随着城市规模的不断扩大,地下空间的开发利用已经逐渐发展为城市地下综合体工程的建设,如轨道交通工程、地下车库等。近年来,为了避免严重的社会和经济损失,城市防洪问题已被逐步重视,地下空间的出入口部成为了规划的重点防护区。GB 50157—2003《地铁设计规范》规定,地铁的出入口要满足当地的防淹要求,必要时配备防汛装置。但目前在地铁车站出入口处主要采用砂袋堆堵,少数车站配备简单的防汛板。砂袋堆砌耗时费力,重复投资且污染环境。为了科学地规避地下空间出入口部各类水害问题的不良影响,结合地下工程出入口的建筑构造,研发出一种止水密闭性好、抗水压强度高、结构性能可靠、易操作转换的装配式止水闸门,有效提高城市地下工程对水患的抵御能力。
1 闸板装配式止水闸门技术方案
1.1 总体方案介绍
闸板装配式止水闸门在闸板上设有内置的伸缩挤压机构,每块闸板可独立地施加反向作用荷载,在正向挤压力和切向摩擦力的共同作用下,门框及防水密封胶条紧密结合,实现防汛功能。如图1所示,整体矩阵式排布的闸板,增大了防汛面积;左右侧门框借助桩基混凝土侧墙实现固定支撑,中间框的固定采用三角斜支撑设计,通过调节支撑件的蹄脚来找平调正,确保中间框的垂直度。此外,整个设计的浸水一侧无生锈腐蚀件及其连接,提高了产品的防腐性。
图1 闸板装配式止水闸门总装图
1.2 门框结构
门框结构由左侧框、中间框、右侧框及底槽构成(其中左、右侧框结构对称加工),4部分构成了止水闸板的装配支撑件及防水密封系统的基础件。左、右侧框与出入口部的立墙通过膨胀螺栓连接,高度方向垂直于水平面。中间框底部设有穿孔连接板,与地面预埋的膨胀螺栓连接,在来水方向的对侧安装三角斜支撑,如图2所示。地槽与地基(开槽)通过膨胀螺栓固定,非工作状态上部放置盖板掩藏,方便通行。
图2 门框侧视图(三角斜支撑)
1.3 闸板结构
止水闸板的结构如图3所示。操作件为拉栓式扳手,通过Z形件与挤压装置连接。扳手由张开至闭合过程中,挤压装置的剪叉角度由大变小,其工作面由内部伸出,设计行程约25 mm,伸出端粘贴橡胶垫,一方面在与门框挤压时可以缓解负载破坏,另一方面可以增加接触摩擦力。止水闸板的上下端通过榫卯结构配合,每块闸板均独立反向受压,与门框在摩擦力和挤压力的双重载荷下固定装配。当不需要防水时,中间框及其支撑、止水闸板可拆卸并妥善安放在防汛箱内。止水闸板上设置把手,方便搬运。
图3 止水闸板结构图
1.4 密封设计
该装置采用接触式机械挤压密封设计,整体门框内侧围绕e形密封胶条,在闸板及门框的作用下,防水胶条受压变形,形成U形密封系统,满足防水要求。
2 闸板强度校核计算
根据SL 74—2013《水利水电工程钢闸门设计规范》的要求,止水面板采用GB/T 4237—2007《不锈钢热轧钢板和钢带》规定的不锈钢材料。为充分利用面板的强度,梁格布置时宜使面板的长短边比b/a>1.5,并将长边布置在沿主梁轴线方向。面板的局部弯曲应力根据支撑边界的情况,按四边固定的弹性薄板承受均布载荷计算。如图4所示,以该止水闸门的梁格布置结构,计算出面板的长短边比为b/a=1.81>1.5,面板的强度需要校核。
图4 止水闸板骨架梁格布置及面板图示
初选面板厚度δ(mm)依据下式进行校核:
式中:Ky为弹塑性薄板支承长边中点弯应力系数,按要求取0.487;q为面板计算区格中心的水压力强度,取0.002 MPa;a为面板计算区格的短边长度,取364 mm;α为弹塑性调整系数,b/a≤3时,取1.5;[σ]为不锈钢的抗弯容许应力,经查询取137 MPa。代入式(1)计算得,δ=0.79 mm。
据此,初选面板厚度为0.8 mm符合设计要求。此外考虑到薄壁面板的变形情况,对位于骨架大跨度长短边区域的面板,进行二次补偿设计,即在外面板(浸水侧)内侧焊接螺栓,外套覫10 mm的钢管,内面板侧穿孔并通过螺母固定,缓解外面板承受水压时的变形程度。
3 门框荷载的有限元分析
3.1 模型简化
门框为不锈钢开口薄壁件,截面形状类似于空心槽钢和工字钢。左、右侧框结构对称,选取其一进行校核。如图5所示,A、B、C 3面为墙体固定约束,在D面上施加载荷。根据实际装配情况及相似性原理,对数值计算的物理模型进行简化处理。建模后定义材料属性,其中不锈钢的杨氏模量E=193 GPa,泊松比μ=0.31。
图5 计算模型简化
3.2 施加外载荷计算
止水闸门承受静水压力,其强度大小可按照二重积分公式计算:
式中:ρ为水的密度,kg/m3;g为重力加速度,N/kg;H为闸板总高度,m;a、b为垂直方向止水高度,m。
由图6可知,水压沿深度方向呈线性梯度变化(比例系数k),计算模型中的4个接触面受均布载荷,作用面为挤压伸出面区域,受力满足以下公式:
图6 外部施加载荷的计算
3.3 网格划分及边界条件设定
在ANSYS workbench中添加有限元模型,并应用sweep扫掠方法进行网格划分,控制网单元为结构性六面体网格,总节点数为44 617,单元数为6 500,如图7所示。经网格质量检查合格后,对有限元模型设定边界约束,其中包含门框的固定约束及侧边施加的载荷约束。
图7 网格单元及载荷分布
3.4 计算结果分析
计算结果如图8、9所示,最大变形量发生在门框底部,即在最大防水深度的闸板伸出端接触位置两侧对称分布,最大变形量为0.07 mm。应力分布与门框受压载荷梯度在止水深度方向上一致,在门框底部呈现最大值,应力最大值为120 MPa≤[σ]=137 MPa。因此,门框的结构设计在高度方向满足2块闸板上下榫卯配合的抗水压强度要求。
图8 原始比例门框整体变形量云图
图9 门框整体应力云图
4 结语
在防汛工作状态下,矩阵式排布的装配式止水闸门可替代传统的人工砂袋堆砌,大大提高了地下空间出入口部的防汛能力。经过对装配式止水闸门结构进行计算分析,得出以下结论:
1)止水闸板设计符合水利水电闸门的相关规范要求,闸板在骨架支撑作用下,面板蒙皮采用0.8 mm的不锈钢板,接触式挤压密封,机构伸出行程约25 mm,止水胶条均匀变形,密封系统可靠。
2)开口式薄壁门框设计满足高度方向的上、下闸板叠加排布(止水高度1 000 mm)要求,门框的最大变形量为0.07 mm,位于最大水深的闸板挤压伸出面区域且对称分布;应力云图与最大变形量云图趋势一致,最大应力为120 MPa,小于材料的容许应力。
摘自《市政技术》