本发明属于水工弧形闸门支臂结构的技术领域，尤其涉及一种三分叉树状弧形闸门支臂及构造方法。
背景技术：
弧形闸门的支臂主要用于承担弧门面板产生的的水荷载，传统弧形闸门支臂有二支臂和三支臂两种形式。调查发现各类闸门事故都是严重振动导致支臂失稳破坏，分析其原因是门叶与支臂的刚度分布不合理，支臂刚度较弱所致。调查还发现三支臂弧门的失事比例较大，究其原因是现行《水利水电工程钢闸门设计规范(sl74-2013)》采用传统的弧门主框架结构型式，三支臂结构的整体刚度虽然较二支臂大，但在相同材料用量情况下三支臂框架结构的稳定性较差；这是因为三支臂的中间支臂靠近闸门质心，因中间支臂分去部分材料，使上下支臂材料减少，刚度减弱。
但纯粹加大支臂刚度不仅浪费材料而且无限增大启闭机容量既不可能又不经济，故必须探求弧门结构新型式，以求集中少支臂及多支臂的优点克服其缺点，实现弧形闸门大刚度、高稳定性和轻型化的统一。
综上所述，现有技术存在的问题是：
由于高坝大库的不断出现，常用的闸门三支臂结构不能同时满足大型弧门结构中大刚度、高稳定与轻型化的要求；而且现有技术也没有采用非线性屈曲分析方法对闸门支臂结构轻型和稳定进行优化。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种三分叉树状弧形闸门支臂。
本发明是这样实现的，一种三分叉树状弧形闸门支臂，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。
进一步，所述树干臂的另一端与弧门的支铰连接。
本发明的另一目的在于提供一种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loc＝x(0＜x＜r),x的步长取为0.05m进行扫描，r为要设计弧形闸门的半径，m；
再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作为优化方案。
进一步，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三点为根据规范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：lob＝loa＝32m，三角形bcd和adc均为直角三角形，经计算确定lbd＝lad＝4.8m，lod＝31.64m。
进一步，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：pcr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；σi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；λmax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。
进一步，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：yk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。
本发明的优点及积极效果为：
本发明经过优化分析可得到三分叉树状弧形闸门支臂的最优布置结果为：树枝臂2和树枝臂4的夹角与三支臂上下支臂夹角的比为2.04、树干臂与树枝臂2(或树枝臂4)的单位刚度比为9.57，树干臂与树枝臂3的单位刚度比为8.76，树干臂与树枝臂2(或树枝臂4)的长度比为0.98，树干臂与树枝臂3的长度比为0.94，树干臂与树枝臂的截面高度比和厚度比分别为1.805和1.405，此时三分叉树状支臂结构整体屈曲荷载为三支臂屈曲荷载的4.67～7.38倍、结构体积率降低44％～62％。三分叉树状弧形闸门支臂结构体积最小，整体结构屈曲荷载最大，稳定性最高，可以解决大型弧门大刚度、高稳定与轻型化的矛盾问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的三分叉树状弧形闸门支臂示意图。
图中：1、树干臂；2、第一树枝臂；3、第二树枝臂；4、第三树枝臂；5、弧门。
图2是本发明实施例提供的三分叉树状支臂和三支臂的平面几何结构示意图。
图中：(a)、第一树枝臂和第三树枝臂的夹角为β；(b)、三支臂上下支臂夹角为α。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中，大型弧门大刚度、高稳定与轻型化的存在矛盾。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的三分叉树状弧形闸门支臂，安装固定在弧门5上，其包括一个树干臂1、第一树枝臂2、第二树枝臂3、第三树枝臂4，第一树枝臂2、第二树枝臂3、第三树枝臂4的一端分别连接于所述树干臂1的一端，所述树干臂1的另一端与弧门5的支铰连接；第一树枝臂2、第二树枝臂3、第三树枝臂4的另一端分别固定在弧门5的主纵梁上。
下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
本发明实施例提供的三分叉树状弧形闸门支臂的构造方法，包括：
第一步：先根据《水利水电工程钢闸门设计规范(sl74-2013)》中露顶式闸门结构主梁位置的布置公式确定主梁的位置，即图2(图中：(a)、第一树枝臂和第三树枝臂的夹角为β；(b)、三支臂上下支臂夹角为α)中的a点、b点和d点，而o点为弧门的支铰点。
式中：yk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为主梁的数目。采用三主梁布置方式。从而得到三分叉树状支臂与主梁的连接位置a点、b点和d点。
第二步：再确定分叉点c点的位置：为确定合理的树状支臂分叉点，采用枚举法，令loc＝x(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。再通过几何关系可确定出图1中树干臂1和树枝臂2、3、4的长度范围。
第三步：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、树枝臂的截面尺寸及长度等为优化变量，即：选取树干臂的每个截面尺寸、树枝臂的每个截面宽度壁厚、树干臂和树枝臂的长度作为设计变量；保证树状支臂的树干臂和树枝臂同时失稳，其中树干臂、树枝臂为长方体形状，且采用高强钢(如屈服强度为960mpa的高强钢)制得而成。
第四步：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，并考虑强度、刚度、稳定性等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，最后给出树干臂与树枝臂的单位刚度比、三树枝臂间夹角与弧门圆心角之比作为优化设计。
优化求解模型为：
优化目标为：
约束条件为：
同时树干臂和树枝臂都要满足局部稳定性的要求。
式中：pcr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；σi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；λmax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。
经过优化分析可得到三分叉树状弧形闸门支臂的最优布置结果为：树枝臂2和树枝臂4的夹角与三支臂上下支臂夹角的比为2.04、树干臂与树枝臂2(或树枝臂4)的单位刚度比为9.57，树干臂与树枝臂3的单位刚度比为8.76，树干臂与树枝臂2(或树枝臂4)的长度比为0.98，树干臂与树枝臂3的长度比为0.94，树干臂与树枝臂的截面高度比和厚度比分别为1.805和1.405，此时三分叉树状弧形闸门支臂结构体积最小，整体结构屈曲荷载最大，稳定性最高，可以解决大型弧门大刚度、高稳定与轻型化的矛盾问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。