第八章平面钢闸门

第八章平面钢闸门第一节概述一、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、事故闸门、检修闸门和施工期导流闸门。2、按闸门设置的部位可分为：⑴露顶式闸门：设置在开敞式泄水孔口，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。⑵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。3、按闸门的结构型式和构造特征可分为：⑴平面形门叶钢闸门：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。⑵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门（如正向弧形闸门、反向弧形闸门和下沉式弧形闸门）和绕竖轴转动的立轴式弧形闸门（如船闸中的三角门）等。本章主要介绍直升式平面钢闸门。二、闸门的型式和孔口尺寸三、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⑴按平面体系设计法：可采用手算，简单易行，但不太精确。⑵按空间体系设计法：可采用有限元法（FEM）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的工程实例弧形钢闸门的工程实例第二节平面钢闸门的组成和结构布置一、平面钢闸门的组成平面钢闸门是由活动的门叶结构、埋固构件和启闭机械三部分组成。（一）门叶结构的组成门叶结构是用来封闭和开启孔口的活动挡水结构。由门叶承重结构、行走支承以及止水和吊具等组成。1、平面钢闸门的承重结构平面钢闸门的承重结构，一般由钢面板、梁格及纵、横向联结系组成。⑴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。⑵梁格由互相正交的梁系（水平次梁（包括顶、底次梁）、竖立次梁、主梁和边梁等）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。⑶横向联结系（又称竖向联结系）布置在垂直于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。⑷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（当闸门承受反向水头时，主梁下翼缘受压）。2、行走支承平面钢闸门的行走支承（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（反轮）装置三部分。3、止水系为了防止闸门漏水而固定在门叶周边的橡胶止水。4、吊具系用来连接闸门启闭机的牵引构件。（二）埋固构件平面闸门的固定埋设部件一般包括：⑴主轮或主滑道的轨道，简称主轨；⑵侧轮和反轮的轨道，简称侧轨和反轨；⑶止水埋件，顶止水埋件简称门楣，底止水埋件简称底坎；⑷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。闸门挡水时所受的水压力在闸门上的传力路径：水平次梁水平水压力面板（齐平连接时）竖立次梁主梁边梁主轮（或主滑块）主轨道混凝土闸墩应熟悉闸门结构的传力路径，以掌握闸门各种构件的受力情况并能正确确定各承重构件的计算简图。（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、主梁的位置主梁位置的确定应考虑下列因素：⑴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；⑵主梁间距应适应制造、运输和安装的条件；⑶主梁间距应满足行走支承布置的要求；⑷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，一般应使底主梁的下翼缘到底止水边缘连线的倾角不应小于30。（图8-3、图8-4），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。（见图8-3）。如图8-4，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。多主梁式闸门的主梁位置，可根据各主梁等荷载的原则确定。具体做法有图解法和数解法两种。下面按数解法进行介绍。假定水面至门底的距离为H，主梁的数目为n，第k（k=1，2，…，n）根主梁至水面的距离为yk，对于露顶门（图8-5a）有（8-1）对于潜孔式闸门（图8-5b）有（8-2）式中a---水面至门顶止水的距离。])1k(k[n3H2y5.15.1k])1mk()mk[(mn3H2y5.15.1k222aHnam（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。闸门的梁格布置可分为以下三种型式。⑴简式梁格（图8-6a）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。⑵普通式梁格（图8-6b）由水平主梁、竖立次梁和边梁组成。⑶复式梁格（图8-6c）由水平主梁、竖立次梁、水平次梁和边梁组成。普通式梁格和复式梁格的面板均为四边支承板。（三）梁格连接型式如图8-7所示，梁格的连接型式有如下三种型式。⑴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。⑵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，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。⑶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）边梁的布置边梁的截面型式有单腹式（图8-8a）和双腹式（图8-8b）两种。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。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（图8-9），根据理论分析和实验研究，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，面板的承载能力还远远没有耗尽，随着荷载的增加，支承边上其它各点的弯矩都随之增加，而使面板上、下游面逐步达到屈服点，此时，面板仍然能够承受继续增大的荷载。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。这说明面板在使用过程中有很大的强度储备。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[σ]乘以大于1的弹塑性调整系数α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，由于主（次）梁的截面尚未确定，面板参与主（次）梁的整体弯应力尚未求得，故面板的厚度可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（如图8-9所示）][t/apk6/t1M222maxmax][kpat（8-3）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=γhg=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;α---弹塑性调整系数,当b/a≤3时,α=1.5;当b/a＞3时,α=1.4。[σ]---钢材的抗弯容许应力（Mpa）对于普通式和复式梁格支承的面板的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，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。钢面板厚度的计算需与水平次梁间距的布置同时进行。因钢面板的重量占闸门总重量的比例较大，为节约钢材，钢面板宜选用较薄的钢板，但考虑锈蚀余量要求，一般不应小于6mm，通常可取（8~16）mm。（二）面板参加主（次）梁整体弯曲时的强度计算在初步选定面板厚度，并在主（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。故应按第四强度理论验算面板的折算应力强度。⑴当面板的边长比b/a＞1.5，且长边b沿主梁轴线方向时（图8-10（b）），只需按下式验算面板A点在上游面的折算应力：（8-4）式中σmy=ky·pa2/t2σmx=μ·σmy，μ=0.3；其余符号极其注解见讲义内容。][1.1)()(x0mxmy2x0mx2myzh⑵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（图8-11），面板在B点下游面的应力值（σmx+σ0xB）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：（8-5）式中σ0xB---对应于面板验算点（B点）主梁前翼缘的整体弯曲应力。考虑整体弯应力沿面板宽度分布不均影响后，可按下式计算：σ0xB=（1.5ξ1-0.5）M/W（8-6）ξ1---面板兼作主（次）梁前翼缘工作的有效宽度系数，见表][1.1)()(xB0mxmy2xB0mx2myzh（8-1）。式（8-6）的适用条件为ξ1≥1/3；其它符号及意义见讲义具体解释。（三）面板与梁格的连接计算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。经分析计算，每毫米焊缝长度上的侧拉力可按下面的近似公式计算：Nt=0.07tσmax（N/mm2）（8-7）式中σmax---厚度为t的面板中的最大弯应力，σmax可取[σ]。此外，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T，