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【摘 要】 在水工建筑物当中，水工弧形钢闸门应用广泛，发挥着重要的作用。本文主要根据深圳观澜河大和水闸工程实践，对弧形水工钢闸门的设计进行初步探讨，供同行借鉴参考。
【关键词】 弧形水工钢闸门；结构设计
弧形闸门广泛应用与拦河水闸、溢洪道等水工建筑物，弧形闸门可封闭相当大面积的过水断面，所需启闭力较小，没有影响水流流态的门槽，所需闸墩的高度和厚度较小，埋设件的数量也不多；主要缺点是需要较长的闸墩，闸门所占空间位置较大，不能提出孔口以外进行检修维护，不能在孔口间互换，对闸墩有侧推力，闸门承受的总水压力集中于支座，对土建结构不利。
一、弧形闸门的特点
（1）总体布置
弧形闸门面板呈圆弧形，门叶用支臂和活动铰链支承在固定于闸墩侧面的铰座上，并能沿支铰轴的中心转动。面板曲率中心多与支铰轴中心重合，以使作用在圆弧面板上的水壓力的合力总是通过该旋转中心，这样当闸门启闭时，不至于产生很大的阻力。
弧形面板曲率半径与门高的比值，露顶式一般取1.1～1.5，潜孔式一般取1.2～2.2。为不受过流时水流和漂浮物冲击，支铰位置应尽量布置高一点。一般溢流坝上的露顶式弧形门支铰布置在0.5H～0.75H附近，拦河水闸弧形门的支铰在2H/3～H附近，且应高于河道下游校核洪水位0.5m，对于潜孔式弧形门的支铰可布置在1.1H以上，H为门高。
（2）门叶结构
弧形闸门按梁系结构在布置上的差异，而有主横梁和纵横梁之分。一般宽扁形过水断面宜采用主横梁式弧形闸门，而高窄形过水断面常采用主纵梁式弧形闸门。主梁设计时宜按等荷载布置。
主横梁式弧形闸门的门叶结构由面板、小横梁、纵向隔板、主横梁、支臂、支铰支座和止水装置组成，如露顶式弧形门多采用主横梁式；一般弧形门多采用双主横梁，相应多采用两根支臂，支臂的肢杆一般用型钢或钢板组成柱式截面。主纵梁式闸门的门叶结构是由面板、小纵梁、横梁（横向隔板）、主纵梁、支臂、支铰支座和止水装置等组成。面板和梁系结构共同组成弧形挡水体，支承在主梁与支臂组成的刚性构架上，支臂通过支铰支座支承于闸墩上或下游胸墙上，启闭时整个闸门绕铰轴旋转。
弧形闸门的梁格布置于连接形式和平面闸门基本相同，一般分为齐平连接和降低连接两种。它们的优缺点也和平面闸门大致相同，结构计算方法也大体相同。梁格布置一般宜使长短边的比例为1.5～3。为便于运输和吊装门叶可以工厂分节制造、现场拼接。
（3）支臂及支铰支座
支臂布置应尽量使主梁两端呈悬臂的型式，有利于节约材料和减轻自重。支臂与主梁连接时有呈90°的正交直支臂和斜交的斜支臂两种型式。对于斜支臂来说，由于支臂的肢杆双向倾斜，而在大横梁处肢杆必须保持水平连接，因此在与铰链连接处，支臂垫板上形成扭角，设计时要特别注意扭角的大小，进而准确确定肢杆的长度，以确保空间结构尺寸满足制造安装要求。支臂与门叶连接时一般还要另行设置抗剪板。
弧形闸门的支铰支座是闸门中重要的组成部分，它的作用是将闸门所受的全部水压力和门重传给闸墩，同时又是闸门转动的支承中心以保证闸门绕铰轴灵活转动，因此它就是弧形门的支承行走装置。支铰支座的结构形式有：圆柱铰、圆锥铰、球铰三种。目前用得最多的是圆柱铰，因其结构比较简单、制造安装较方便。只有当闸门跨度超过12m，采用斜支臂从而侧推力很大时，才采用结构比较复杂，制造安装也比较困难的圆锥铰。球铰一般很少采用。对于铰轴，应当配套有油杯等润滑设施。
（4）止水、埋件
弧形闸门的止水一般不应采用P型止水，应当根据弧形闸门的工作条件选用专用于弧形闸门的止水橡胶。橡胶应符合规范的有关要求，应当考虑适当的预压量。对于潜孔式闸门顶止水在启闭过程中的翻转现象，顶止水压板靠水封头的边缘应该做成翘头形式。特别需要注意的是制造安装时不得烫孔，各水封压板的螺孔应与相应位置处门叶配钻。弧形闸门的埋件现对简单，一般不需要计算，常规构造布置即可。
（5）防腐处理
闸门防腐的好坏直接关系到闸门的使用寿命及安全，不应忽视。防腐一般可采用涂料及喷锌、铝等方式，使用环境特别恶劣的应当另外研究处理。紧固件应当采用不锈钢材质。
二、弧形闸门上的荷载及内力分析
作用在弧形闸门上的主要荷载有水压力、闸门自重和启闭力等。闸门关闭状态时的静水压力可以分解为水平分立和垂直分力两部分来进行计算，其合力中心一般宜设计成通过支铰轴中心的型式，由于计算机技术的发展，可以直接通过CAD软件绘制出静水压力的方向，并通过量取的方式很容易得到合力的大小。
闸门的自重可以通过CAD软件绘制图形后直接量取，同时可以精细地得到各零部件自重及其对支铰中心的力臂，从而列表计算闸门总重及闸门的重心。
作用在支臂上的力，除主横梁（或主纵梁）传来的水压力外，还作用有由摩擦力所引起的支承端力矩，以及提升闸门时由门重和止水传来的荷载。支臂的内力分析因肢杆一般与主横梁采用刚性连接，故应按钢架考虑，对肢杆来说是受有弯矩的压杆。
三、弧形闸门计实例
深圳市观澜河大和水闸弧形工作闸门根据设计要求，设定工作闸门孔口尺寸为10.00mx5.30m（宽x高），设计水头5m。由于本工程要求动水启闭，必要时还要调节流量，启闭机采用一机一门控制方案，在启闭机机型选择方面，采用较通用的固定式弧门卷扬启闭机。启闭机容量为2x150kN，启闭行程7.3m，可集中控制，也可现场机旁控制。
面板曲率半径为6m，支铰安装高度为4.7m，水压力合力通过支铰轴中心。采用双主横梁式，双斜交支臂，由于设计水头不大，支臂肢杆对称与水压力合力布置，主梁两端带有悬臂端，支臂与主梁刚性固定连接，梁格为齐平连接，支铰采用圆柱铰。双吊点，吊耳位于面板上游侧下主横梁处。
该10.00mx5.30m-5m弧形门受现场运输和起吊空间限制，其门叶分上中下三节设计，既方便制造，又缩短了安装工期。细节上应当注意，比如设置排水孔，布置侧向导轮，门叶分节制造时配有定位固定装置、转动部件的公差配合及门叶面板底端端部尖端处理等。
四、结束语
经上所述，结合工程具体要求综合比较，使水工弧形闸门结构（金属结构）的布置更合理，设计的闸门安全可靠，制造安装方便，运行维护简单。
【关键词】 弧形水工钢闸门；结构设计
弧形闸门广泛应用与拦河水闸、溢洪道等水工建筑物，弧形闸门可封闭相当大面积的过水断面，所需启闭力较小，没有影响水流流态的门槽，所需闸墩的高度和厚度较小，埋设件的数量也不多；主要缺点是需要较长的闸墩，闸门所占空间位置较大，不能提出孔口以外进行检修维护，不能在孔口间互换，对闸墩有侧推力，闸门承受的总水压力集中于支座，对土建结构不利。
一、弧形闸门的特点
（1）总体布置
弧形闸门面板呈圆弧形，门叶用支臂和活动铰链支承在固定于闸墩侧面的铰座上，并能沿支铰轴的中心转动。面板曲率中心多与支铰轴中心重合，以使作用在圆弧面板上的水壓力的合力总是通过该旋转中心，这样当闸门启闭时，不至于产生很大的阻力。
弧形面板曲率半径与门高的比值，露顶式一般取1.1～1.5，潜孔式一般取1.2～2.2。为不受过流时水流和漂浮物冲击，支铰位置应尽量布置高一点。一般溢流坝上的露顶式弧形门支铰布置在0.5H～0.75H附近，拦河水闸弧形门的支铰在2H/3～H附近，且应高于河道下游校核洪水位0.5m，对于潜孔式弧形门的支铰可布置在1.1H以上，H为门高。
（2）门叶结构
弧形闸门按梁系结构在布置上的差异，而有主横梁和纵横梁之分。一般宽扁形过水断面宜采用主横梁式弧形闸门，而高窄形过水断面常采用主纵梁式弧形闸门。主梁设计时宜按等荷载布置。
主横梁式弧形闸门的门叶结构由面板、小横梁、纵向隔板、主横梁、支臂、支铰支座和止水装置组成，如露顶式弧形门多采用主横梁式；一般弧形门多采用双主横梁，相应多采用两根支臂，支臂的肢杆一般用型钢或钢板组成柱式截面。主纵梁式闸门的门叶结构是由面板、小纵梁、横梁（横向隔板）、主纵梁、支臂、支铰支座和止水装置等组成。面板和梁系结构共同组成弧形挡水体，支承在主梁与支臂组成的刚性构架上，支臂通过支铰支座支承于闸墩上或下游胸墙上，启闭时整个闸门绕铰轴旋转。
弧形闸门的梁格布置于连接形式和平面闸门基本相同，一般分为齐平连接和降低连接两种。它们的优缺点也和平面闸门大致相同，结构计算方法也大体相同。梁格布置一般宜使长短边的比例为1.5～3。为便于运输和吊装门叶可以工厂分节制造、现场拼接。
（3）支臂及支铰支座
支臂布置应尽量使主梁两端呈悬臂的型式，有利于节约材料和减轻自重。支臂与主梁连接时有呈90°的正交直支臂和斜交的斜支臂两种型式。对于斜支臂来说，由于支臂的肢杆双向倾斜，而在大横梁处肢杆必须保持水平连接，因此在与铰链连接处，支臂垫板上形成扭角，设计时要特别注意扭角的大小，进而准确确定肢杆的长度，以确保空间结构尺寸满足制造安装要求。支臂与门叶连接时一般还要另行设置抗剪板。
弧形闸门的支铰支座是闸门中重要的组成部分，它的作用是将闸门所受的全部水压力和门重传给闸墩，同时又是闸门转动的支承中心以保证闸门绕铰轴灵活转动，因此它就是弧形门的支承行走装置。支铰支座的结构形式有：圆柱铰、圆锥铰、球铰三种。目前用得最多的是圆柱铰，因其结构比较简单、制造安装较方便。只有当闸门跨度超过12m，采用斜支臂从而侧推力很大时，才采用结构比较复杂，制造安装也比较困难的圆锥铰。球铰一般很少采用。对于铰轴，应当配套有油杯等润滑设施。
（4）止水、埋件
弧形闸门的止水一般不应采用P型止水，应当根据弧形闸门的工作条件选用专用于弧形闸门的止水橡胶。橡胶应符合规范的有关要求，应当考虑适当的预压量。对于潜孔式闸门顶止水在启闭过程中的翻转现象，顶止水压板靠水封头的边缘应该做成翘头形式。特别需要注意的是制造安装时不得烫孔，各水封压板的螺孔应与相应位置处门叶配钻。弧形闸门的埋件现对简单，一般不需要计算，常规构造布置即可。
（5）防腐处理
闸门防腐的好坏直接关系到闸门的使用寿命及安全，不应忽视。防腐一般可采用涂料及喷锌、铝等方式，使用环境特别恶劣的应当另外研究处理。紧固件应当采用不锈钢材质。
二、弧形闸门上的荷载及内力分析
作用在弧形闸门上的主要荷载有水压力、闸门自重和启闭力等。闸门关闭状态时的静水压力可以分解为水平分立和垂直分力两部分来进行计算，其合力中心一般宜设计成通过支铰轴中心的型式，由于计算机技术的发展，可以直接通过CAD软件绘制出静水压力的方向，并通过量取的方式很容易得到合力的大小。
闸门的自重可以通过CAD软件绘制图形后直接量取，同时可以精细地得到各零部件自重及其对支铰中心的力臂，从而列表计算闸门总重及闸门的重心。
作用在支臂上的力，除主横梁（或主纵梁）传来的水压力外，还作用有由摩擦力所引起的支承端力矩，以及提升闸门时由门重和止水传来的荷载。支臂的内力分析因肢杆一般与主横梁采用刚性连接，故应按钢架考虑，对肢杆来说是受有弯矩的压杆。
三、弧形闸门计实例
深圳市观澜河大和水闸弧形工作闸门根据设计要求，设定工作闸门孔口尺寸为10.00mx5.30m（宽x高），设计水头5m。由于本工程要求动水启闭，必要时还要调节流量，启闭机采用一机一门控制方案，在启闭机机型选择方面，采用较通用的固定式弧门卷扬启闭机。启闭机容量为2x150kN，启闭行程7.3m，可集中控制，也可现场机旁控制。
面板曲率半径为6m，支铰安装高度为4.7m，水压力合力通过支铰轴中心。采用双主横梁式，双斜交支臂，由于设计水头不大，支臂肢杆对称与水压力合力布置，主梁两端带有悬臂端，支臂与主梁刚性固定连接，梁格为齐平连接，支铰采用圆柱铰。双吊点，吊耳位于面板上游侧下主横梁处。
该10.00mx5.30m-5m弧形门受现场运输和起吊空间限制，其门叶分上中下三节设计，既方便制造，又缩短了安装工期。细节上应当注意，比如设置排水孔，布置侧向导轮，门叶分节制造时配有定位固定装置、转动部件的公差配合及门叶面板底端端部尖端处理等。
四、结束语
经上所述，结合工程具体要求综合比较，使水工弧形闸门结构（金属结构）的布置更合理，设计的闸门安全可靠，制造安装方便，运行维护简单。