[发明专利]一种三分叉树状弧形闸门支臂及构造方法

权利要求书

1.一种三分叉树状弧形闸门支臂，其特征在于，所述三分叉树状弧形闸门支臂设置有树干臂；所述树干臂的一端分叉式连接有第一树枝臂、第二树枝臂、第三树枝臂；所述第一树枝臂、第二树枝臂、第三树枝臂的另一端均固定在弧门的主纵梁上；

第一树枝臂和第三树枝臂的夹角与三支臂上下支臂夹角的比为2.04；

树干臂与第一树枝臂或第三树枝臂的单位刚度比为9.57；

树干臂与第二树枝臂的单位刚度比为8.76；

树干臂与第一树枝臂或第三树枝臂的长度比为0.98；

树干臂与第二树枝臂的长度比为0.94；

树干臂与第一树枝臂或第二树枝臂或第三树枝臂的截面高度比和厚度比分别为1.805和1.405。

2.如权利要求1所述的三分叉树状弧形闸门支臂，其特征在于，所述树干臂的另一端与弧门的支铰连接。

3.一种如权利要求1所述的三分叉树状弧形闸门支臂的构造方法，其特征在于，所述三分叉树状弧形闸门支臂的构造方法包括：

确定分叉点的位置，采用枚举法，令L_oc＝x，其中，0＜x＜R,x的步长取为0.5m进行扫描，R为要设计弧形闸门的半径，m；

通过几何关系确定树干臂和第一树枝臂、第二树枝臂、第三树枝臂的长度；

采用非线性有限元法对三分叉树状弧形闸门支臂模型进行分析，以树干臂、第一树枝臂、第二树枝臂、第三树枝臂的截面尺寸及长度为优化变量；

以三分叉树状弧形闸门支臂整体结构稳定性最高、结构体积最小为目标，并分析强度、刚度、稳定性的约束条件进行最优形状的优化，建立求解三分叉树状支臂树型优化模型；

以满足各种约束的自由变量经无量纲化处理，最后给出树干臂与第一树枝臂、第二树枝臂、第三树枝臂的单位刚度比、第一树枝臂、第二树枝臂、第三树枝臂相互之间夹角与弧门圆心角之比。

4.如权利要求3所述的三分叉树状弧形闸门支臂的构造方法，其特征在于，所述通过几何关系确定树干臂和第一树枝臂、第二树枝臂、第三树枝臂的长度；具体包括：

以O点为弧门的支铰点，A、B和D三点为根据现行《水利水电工程钢闸门设计规范(SL74-2013)》等载布置原则确定的主梁位置及支臂连接点；P为水荷载的合力；OD为P的作用线，树状支臂的分叉点C在OD上，D点为弦AB与水荷载作用线的交点，α、β分别为第一树枝臂和第三树枝臂的夹角和三支臂上下支臂的夹角；所述几何关系有：L_OB＝L_OA＝32m，三角形BCD和ADC均为直角三角形，经计算确定L_BD＝L_AD＝4.8m，L_OD＝31.64m。

5.如权利要求3所述的三分叉树状弧形闸门支臂的构造方法，其特征在于，

求解三分叉树状支臂树型优化模型为：

优化目标为：

约束条件为：

式中：P_cr为三分叉树状弧形闸门支臂整体结构的屈曲临界荷载，kN；V为三分叉树状弧形闸门支臂整体结构的体积，m³；σ_i为树干臂和树枝臂的临界应力，MPa；[σ]为树干臂和树枝臂的允许应力，MPa；λ_max为树干臂和树枝臂的最大柔度，[λ]为树干臂和树枝臂的允许柔度。

6.如权利要求3所述的三分叉树状弧形闸门支臂的构造方法，其特征在于，确定分叉点的位置前，需先根据露顶式闸门结构主纵梁位置的布置公式确定弧门的主纵梁的位置A点、B点和D点；O点为弧门的支铰点；公式为：

式中：y_k为第k根主梁距水面的距离，m；H为水面距门底的距离，m；n为主纵梁的数目；采用三主梁布置方式；得到三分叉树状支臂与主纵梁的连接位置A点、B点和D点。