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1、第七章平面钢闸门 闸门 水工建筑物的重要组成部分之一 它的作用是用于封闭水工建筑物的孔口 并能够按照需要全部或者局部开放这些孔口 以调节上下游水位 泄放流量 放运船只 排除沉沙 冰块及其他漂浮物 第一节概述 一闸门的类型闸门的类型较多 一般可按闸门的工作性质 设置部位及结构形式等加以分类 1按闸门的工作性质可分为 工作闸门 正常运行时使用的闸门 一般在动水条件下操作 事故闸门 在发生事故时 能够在动水中关闭 事故消除后在静水中开启 检修闸门 用于检修期间挡水的闸门 在静水中启闭 施工期导流闸门 用于封闭施工导流孔的闸门 一般在动水中关闭 2 按闸门设置的部位可分为 露顶式闸门 设置在开敞式泄水
2、孔口 当闸门关闭孔口挡水时 其门叶顶部高于挡水水位 并需设置三边止水 潜孔式闸门 设置在潜没式泄水孔口 当闸门关闭孔口挡水式 其门叶顶部低于挡水水位 需要设置顶部 两侧和底缘四边止水 露顶式闸门 潜孔式闸门 3 按闸门的结构型式和构造特征可分为 平面门叶钢闸门 系指挡水面板形状为平面的一类钢闸门 根据门叶结构的运移方式又可分为 直升式平面闸门 升卧式平面闸门 横拉式平面闸门 船闸中采用 绕竖轴转动的平面形闸门 如船闸中的人字门和一字门 及绕横轴转动的平面形闸门 如翻版闸门 舌瓣闸门和盖板闸门 等 直升式 横拉式 人字门 弧形闸门 系指挡水面板形状为圆弧形的一类钢闸门 又可分为绕横轴转动的弧形闸
3、门 绕竖轴转动的立轴式弧形闸门等 横轴式 竖轴式 3 人字形闸门 人字形闸门是一种钢筋混凝土半固定式蓄水闸门 由于支架为人字形状 故称人字闸 三 闸门结构设计的基本要求1 闸门结构的计算方法 水利水电工程钢闸门设计规范 SL74 95 规定钢闸门结构采用容许应力法进行结构验算2 结构分析方法 按平面体系设计法 可采用手算 简单易行 但不太精确 按空间体系设计法 可采用有限元法 FEM finiteelementmethod 分析 较合理 平面钢闸门的工程实例 平面链轮式钢闸门 人字形钢闸门 弧形钢闸门 拱形闸门 第二节平面钢闸门的组成和结构布置 一 平面钢闸门的组成 门叶结构 用来封闭和开启孔
4、口的活动挡水结构埋固构件 埋置在土建结构中 把门叶的荷载传递给土建结构启闭机械 控制门叶在孔口中的位置 一 门叶结构的组成 承重结构 行走支承 止水 吊具 1 平面钢闸门的门叶结构平面钢闸门的门叶结构 一般由钢面板 梁格及纵 横向联结系组成 面板是用来挡水 直接承受水压并传给梁格 面板通常设在闸门的上游面 这样可以避免梁格和行走支承浸没于水中而积聚污物 也可以减小因门底过水而产生的振动 梁格由互相正交的梁系 主梁 边梁 水平次梁 竖立次梁等 所组成 用来支承面板并将面板传来的全部水压力传给支承边梁 然后通过设置在边梁上的行走支承把闸门上的水压力传给闸墩 横向联结系 又称竖向联结系 布置在垂直于
5、闸门跨度方向的竖直平面内 以保证闸门横截面的刚度 使门顶和门底不致产生过大的变形 其主要承受由顶梁 底梁和水平次梁传来的水压力并传给主梁 其形式主要有实腹隔板式和桁架式 纵向联结系 又称门背联结系或起重桁架 布置在闸门下游面主梁 或主桁架 的下翼缘 或下弦杆 之间的纵向竖直平面内 承受闸门部分自重和其它竖向荷载 并可增强闸门纵向竖平面的刚度 当闸门受双向水头时还能保证主梁的整体稳定性 2 行走支承 又称支承移动部件 应保证既能将闸门所受的全部水平荷载安全地传递给闸墩 又应保证闸门能沿门槽上下顺利移动 并减小闸门移动时的摩擦阻力 行走支承包括主行走支承 主轮或主滑块 侧向支承 侧轮 及反向支承
6、反轮 装置三部分 3 止水为了防止闸门漏水而固定在门叶周边的橡胶止水 4 吊具用来连接闸门启闭机的牵引构件 行走支承的类型 a 滑道式 b 滚轮式 二 埋固构件 主轮或主滑道的轨道 简称主轨 侧轮和反轮的轨道 简称侧轨和反轨 止水埋件 顶止水埋件简称门楣 底止水埋件简称底坎 门槽护角 护面和底槛 用以保护混凝土不受漂浮物的撞击 泥砂磨损和气蚀剥落 闸门的传力路径 三 闸门的启闭机械常用的闸门启闭机有卷扬式 螺杆式和液压式三种 它们又可分为固定式和移动式两类 启闭机的型号和选用详见 水电站机电设计手册 金属结构 二 的介绍 二 平面钢闸门的结构布置 布置内容 确定闸门上需要设置的构件 每种构件需
7、要的数目以及每个构件的所在位置 应统筹考虑 全面安排并进行必要的方案比较后最终确定 一 主梁的布置1主梁的数目主梁是闸门的主要承重部件 主梁的数目主要取决于闸门的尺寸和水头的大小 平面闸门按主梁的数目可分为双主梁式和多主梁式 建议当闸门的跨高比L H 1 2时 采用双主梁 而当闸门的跨高比L H 1 0时 采用多主梁 在大跨度的露顶式闸门中常采用双主梁 2 主梁的位置 主梁宜按等荷载要求布置 可使每根主梁所需的截面尺寸相同 便于制造 主梁间距应适应制造 运输和安装的条件 主梁间距应满足行走支承布置的要求 底主梁到底止水距离应符合底缘布置的要求 对于实腹式主梁的工作闸门和事故闸门 一般应使底主梁
8、的下翼缘到底止水边缘连线的倾角不应小于30 以免启门时水流冲击底主梁和在底主梁下方产生负压 而导致闸门振动 当闸门支承在非水平底槛上时 该角度可适当增减 当不能满足30 要求时 应对门底部采取补气措施 部分利用水柱闭门的平面闸门 其上游倾角不应小于45 宜采用60 闸门底部边缘的布置要求 双主梁式闸门的主梁位置应对称于静水压力合力P的作用线 在满足上述底缘布置要求的前提下 两主梁的间距b宜尽量大些 并注意上主梁到门顶的距离C不宜太大 一般不超过0 45H 且不宜大于3 6米 双主梁闸门的主梁布置图 多主梁式闸门的主梁位置 按主梁的数目分成面积相等的几等份 然后将主梁布置在各等分面积的形心处 露
9、顶门 潜孔式闸门 式中a 水面至门顶止水的距离 主梁的位置 a 露顶闸门 b 潜孔闸门 二 梁格的布置型式梁格的布置应考虑钢面板厚度的经济合理性和梁格制造省工等要求 尽量使面板各区格的计算厚度接近相等 并使面板和梁格的总用钢量最少 简式梁格在主梁之间不设次梁 面板直接支承在主梁上 面板上的水压力直接通过主梁传给两侧的边梁 普通式梁格由水平主梁 竖立次梁和边梁组成 复式梁格由水平主梁 竖立次梁 水平次梁和边梁组成 三 梁格连接型式 齐平连接即水平次梁 竖立次梁和主梁的前翼缘表面齐平 都直接与面板相连 又称为等高连接 降低连接即主梁和水平次梁直接与面板相连 而竖立次梁则离开面板降低到水平次梁下游
10、这样水平次梁可以在面板与竖立次梁间穿过而成为连续梁 梁格的连接形式 层叠连接即水平次梁和竖立次梁直接与面板相连 主梁放在竖立次梁后面 由于该连接型式使得闸门的整体刚度和抗振性能有所削弱 且增大了闸门的总厚度 故在平面闸门中现已很少采用 四 边梁的布置 单腹式边梁构造简单 便于与主梁相连接 但抗扭刚度差 这对于闸门因弯曲变形 温度胀缩及其它力作用而在边梁中产生扭转的情况是不利的 单腹式边梁主要用于滑道式支承的闸门 双腹式边梁的抗扭刚度大 也便于设置滚轮和吊轴 但构造复杂且用钢量较多 截面内部的焊接也较困难 双腹式边梁广泛用于定轮闸门中 1钢面板的设计次梁的设计主梁的设计横向连结系和纵向连结系的设
11、计边梁的设计 第三节平面钢闸门的结构设计 一 钢面板的设计面板的工作情况及承载能力 对于四边固定支承的面板 在均布荷载作用下最大弯矩出现在面板支承长边的中点A处 但是当该点的应力达到所用钢材的屈服点fy时 面板仍然能继续承受荷载 试验表明 当荷载增加到设计荷载 A点屈服时 的 3 5 4 5 倍时 面板跨中部分才进入弹塑性阶段 因此 在强度计算中 容许面板在高峰应力 点A 附近的局部小范围进入弹塑性阶段工作 故可将面板的容许应力 乘以大于1的弹塑性调整系数 予以提高 一 初选面板厚度t钢面板是支承在梁格上的弹性薄板 在静水压力作用下 面板的应力由两部分组成 一是局部弯曲应力 即矩形薄板本身的弯
12、曲应力 二是整体弯曲应力 即面板兼作主 次 梁翼缘参与梁系弯曲的整体弯应力 初选面板厚度时 先按面板支承长边中点A的最大局部弯曲应力强度条件初步计算 四边固定支撑面板 式中 k 弹性薄板支承长边中点 A点 的弯应力系数 p 面板计算区格中心的水压力强度p hg 0 0098h MPa h 区格中心的水头 m a b 面板计算区格的短边和长边的长度 mm 从面板与主 次 梁的连接焊缝算起 弹塑性调整系数 当b a 3时 1 5 当b a 3时 1 4 钢材的抗弯容许应力 Mpa 四边固定支承面板 对于普通式和复式梁格支承的面板支承情况实际上为双向连续板 根据试验研究 面板的中间区格在水压力作用下
13、 其在各支承边上的倾角均接近于零 故为简化计算 中间区格可当作四边固定板计算 对于顶 底梁截面比较小的顶 底部区格 因面板在刚度较小的顶梁和底梁处会产生较大的倾角 接近于简支边 故顶 底区格按三边固定另一边 顶或底边 简支的矩形板计算 板的边界条件 钢面板厚度的计算需与水平次梁间距的布置同时进行 最终应使各区格之间板厚大致相等 钢面板宜选用较薄的钢板 一般不应小于6mm 通常可取 8 16 mm 梁格的布置图 a 简式 b 普通式 c 复式 二 面板参加主 次 梁整体弯曲时的强度计算在主 次 梁截面选定后 考虑到面板本身在局部弯曲的同时还随主 次 梁受整体弯曲的作用 则面板为双向受力状态 故应
14、按第四强度理论验算面板的折算应力强度 当面板的边长比b a 1 5 且长边b沿主梁轴线方向时 只需按下式验算面板A点在上游面的折算应力 式中 my ky pa2 t2 mx my 0 3 当面板的边长比b a 1 5或面板长边方向与主 次 梁垂直时 面板在B点下游面的应力值 mx 0 xB 较大 这时虽然B点下游面的双向应力为同号 均受压 但还是可能比A点上游面更早地进入塑性状态 故应按下式验算B点下游面在同号平面 压 应力状态下的折算应力强度 三 面板与梁格的连接计算1 当水压力作用下面板弯曲时 由于梁格之间相互移近受到约束 在面板与梁格之间的连接角焊缝将产生垂直于焊缝方向的侧拉力 经分析计
15、算 每毫米焊缝长度上的侧拉力可按下面的近似公式计算 式中 max 厚度为t的面板中的最大弯应力 max可取 2 由于面板作为主梁的翼缘 当主梁弯曲时 面板与主梁之间的连接角焊缝还承受沿焊缝长度方向的水平剪力 主梁轴线一侧的角焊缝每单位长度内的剪力为 面板与梁格的连接焊缝应采用连续焊缝 通常hf不宜小于6mm 二 次梁设计 一 次梁的荷载与计算简图 竖直次梁 简支在主梁上的简支梁 水平次梁 支承在竖立次梁上的连续梁 水平次梁的计算简图 当水平次梁在竖立次梁处断开后再连接于竖立次梁时 水平次梁为简支梁 当采用实腹隔板兼作竖立次梁时 水平次梁为连续穿过实腹隔板预留的切孔并被支承在隔板上的连续梁 竖立
16、次梁的计算简图 为支承在主梁以及顶梁 底梁上的简支梁 作用荷载有三角形分布水压力荷载q上和q下及水平次梁的支座反力传来的集中力R 1 梁格为降低连接时次梁的荷载和计算简图水平次梁承受均布水压力荷载 水压力荷载作用范围按面板区格的中线来划分 则水平次梁所受的均布荷载为 q p a上 a下 2 N mm 竖立次梁则承受水平次梁支座反力传来的集中力R 降低连接时次梁的计算简图 2 梁格为齐平连接时次梁的荷载和计算简图水平次梁和竖立次梁同时支承着面板 面板传给梁格的水压力 按梁格夹角的平分线来划分各梁所负担的水压力作用范围 梁格为齐平连接时次梁的荷载和计算简图 梁格为齐平连接时次梁的荷载和计算简图 二 次梁的截面设计次梁一般受荷不大 常采用轧成型钢 按上述次梁的计算简图计算次梁的最大内力Mmax V 按梁的弯应力强度条件求所需的截面模量W Mmax 根据此截面模量和满足刚度要求的最小梁高hmin 选合适型钢 次梁截面形式及面板兼作梁翼的有效宽度 a 水平次梁 b 竖直次梁 截面验算 计算截面取值 当次梁直接焊接于面板时 焊缝两侧的面板在一定的宽度 有效宽度 内可以兼作次梁的翼缘参加次梁的抗弯工
