平面钢闸门

平面钢闸门概述一、闸门的类型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：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：指挡水面板形状为圆弧形的一类钢闸门。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人字形钢闸门的工程实例弧形钢闸门的工程实例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。门叶结构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、门叶承重结构包括钢面板、梁格及纵、横向联结系。⑴面板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梁格支承面板并将面板传来的全部水压力传给支承边梁正交的梁系（水平次梁（包括顶、底次梁）、竖立次梁、主梁和边梁等）⑶横向联结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。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纵向联结系布置在闸门下游面主梁的下翼缘（或下弦杆）之间的纵向平面内。承受闸门部分自重和其它竖向荷载，并可增强闸门纵向平面的刚度。2、行走支承将闸门所受的全部荷载传递给闸墩，且保证闸门能沿门槽上下顺利移动。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。埋固构件包括：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》二、平面钢闸门的结构布置主梁的布置1、主梁的数目主梁的数目主要取决于闸门的尺寸和水头的大小。主梁的数目可为双主梁式和多主梁。建议：当闸门的跨高比L/H≥1.2时，采用双主梁；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底主梁到底止水距离应符合底缘布置的要求。⑶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；•底主梁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。其上游倾角不应小于45。，宜采用60。。•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，两主梁的间距b宜尽量大些。•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）有对于潜孔式闸门（图8-5b）有式中a---水面至门顶止水的距离。])1k(k[n3H2y5.15.1k])1mk()mk[(mn3H2y5.15.1k222aHnam三、梁格的布置型式闸门的梁格布置可分为以下三种型式。⑴简式梁格不设次梁，面板直接支承在主梁上。⑵普通式梁格由水平主梁、竖立次梁和边梁组成。⑶复式梁格由水平主梁、竖立次梁、水平次梁和边梁组成。四、梁格连接型式梁格的连接型式有三种型式。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，而竖立次梁降低到水平次梁下游。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。五、边梁的布置•边梁的截面型式有单腹式和双腹式两种。单腹式边梁构造简单，便于与主梁相连接，但抗扭刚度差。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。双腹式边梁广泛用于定轮闸门中。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：钢面板是支承在梁格上的弹性薄板，承受静水压力。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fA=fy时，面板的承载能力还远远没有耗尽。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[σ]乘以大于1的弹塑性调整系数α予以提高。初选面板厚度t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。][t/apk6/t1M222maxmax][kpat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;——弹塑性调整系数,当b/a≤3时,=1.5;当b/a＞3时,=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：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，按三边固定另一边（顶或底边）简支的矩形板计算。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。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，面板随主（次）梁受整体弯曲的作用，面板为双向受力状态。需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：式中σmy=ky·pa2/t2，σmx=μ·σmy，μ=0.3。][1.1)()(x0mxmy2x0mx2myzh⑵当面板的边长比b/a≤1.5或面板长边方向与主梁垂直时，面板在B点下游面的应力值（σmx+σ0xB）较大，应按下式验算B点的折算应力强度：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/Wξ1---面板兼作主（次）梁前翼缘工作的有效宽度系数，见表][1.1)()(xB0mxmy2xB0mx2myzh面板与梁格的连接计算当水压力作用下，面板弯曲，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。Nt=0.07tσmax（N/mm）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T=V.S/2I因此，面板与梁格连接角焊缝的焊脚尺寸hf可近似按下式计算：[τfw]-----角焊缝的容许剪应力。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。])[7.0/(TNhwf22tf二、次梁设计次梁的荷载与计算简图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（N/mm）竖立次梁则承受水平次梁支座反力传来的集中力R。paaq2下上2、梁格为齐平连接时次梁的荷载和计算简图水平次梁的计算简图：⑴当水平次梁为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；⑵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。竖立次梁为支承在主梁上的简支梁。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。次梁的截面设计次梁一般受荷不大，常按轧成梁设计。计算步骤如下：⑴按上述次梁的计算简图计算次梁的最大内力Mmax、V。⑵按梁的弯应力强度条件求所需的截面模量Wreq=Mmax/[σ]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。⑶截面验算]w[EI100qlw][tISV][WM4maxwminmax面板参加次梁工作的有效宽度B可按下面两式计算的较小值取用：①考虑面板兼作梁受压翼缘而不至失稳而限制的有效宽度：ylftbB235302②考虑面板沿宽度上应力分布不均而折算的有效宽度B=ξ1.b或B=ξ2.b式中b=（b1+b2）/2ξ1、ξ2--有效宽度系数，ξ1用于正弯矩区，ξ2用于负弯矩区。三、主梁设计主梁的形式主梁可采用实腹式或桁架式。(1)跨度小水头低的闸门，可采用型钢梁；(2)中等跨度的闸门（5~10m）,常采用实腹式组合梁，为缩小门槽宽度和节约钢材，常采用变高度的主梁;(3)大跨度的闸门，则宜采用桁架式主梁，以节约钢材。主梁的荷载和计算简图主梁为支承在闸门边梁上的单跨简支梁。当主梁按等荷载原则布置时，每根主梁所受的均布荷载q=P/n（kN/m）P—闸门单位跨度上作用的总水压力（kN/m）n-----主梁的数目。主梁的计算跨度L为闸门行走支承中心线之间的距离，即L=L0+2dL0----闸门的孔口宽度，d=（0.15~0.4）m主梁的荷载跨度等于两侧止水间的距离。当侧止水布置在闸门的下游面而面板设在上游面时，闸门侧向水压力将对主梁产生轴向压力N。当主梁采用桁架式时，可将水压力化为节点荷载P=qb（b为桁架的节间长度），但对于直接与面板相连的上弦杆，应考虑面板传来的水压力对上弦杆引起的局部弯曲而按压弯构件选择截面。qLylf235t302bB主梁设计特点⑴若主梁下翼缘兼作纵向联结系的弦杆，则需承受一部分闸门自重产生的应力。故按主梁的水平水压力荷载产生的内力选择截面时，可按0.9[σ]计算。⑵当主梁直接与面板相连时，部分面板可兼作主梁上（前）翼缘的一部分参加其抗弯工作。面板的有效宽度取下列两式的较小值：B=ξ1b式中bl-为主梁的上翼缘宽度，b--为每根主梁承受荷载面的宽度。四、横向联结系和纵向联结系的设计横向联结系横向联结系：承受水平次梁（包括顶、底梁）传来的水压力，并将其传给主梁。横向联结系的布置：应对称于闸门