第八章平面钢闸门

1、第一节,第二节,第三节,第四节,第八章,平面钢闸门,概述,平面钢闸门的组成和结构布置,平面钢闸门的结构设计,平面钢闸门的零部件设计,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,按闸门的工作性质可分为,工作闸门,事故闸门,检修闸门,施工期导流闸门,按闸门设置的部位可分为,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,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,按闸门的结构型式和构造特征可分为,平面形门叶钢闸门,

2、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,弧形闸门,系指挡水面板形状为圆弧形的一类,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,又可分为绕横轴转动的弧形闸门,正向弧形闸门,反向弧形闸门,下沉式弧形闸门,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,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

3、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,较合理,FEM,分析,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,返回,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,面板,是用来挡水

4、，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,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,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,纵向联结系,又称门背联结系或起重桁架,布置在

5、,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,反向支承（反轮）装置,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

6、部件一般包括,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,闸门挡水时所受的水压力在闸门上的传力路径,水平水压力,边梁,面板,水平次梁,齐平连接时,竖立次梁,主轨道,主梁,混凝土闸墩,主轮（或主滑块,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,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,

7、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/H1.2,时，采用双主梁；而当闸门的跨高比,L/H1.0,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,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,使底主梁的下翼缘到底止水边缘连线的倾角不应小于

8、,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

9、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,y,k,对,于露顶门（图）有,2,H,1,5,1,5,8-1,y,k,k,k,1,3,n,对于潜孔式闸门（图）有,2,H,1,5,1,5,y,k,k,m,k,m,1,3,n,m,8-2,na,式中,m,2,2,H,a,2,A,水面至门顶止水的距离,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,简式梁格,图,8-6a,在主梁之间不设次梁，面板直接支

10、,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,图,8-6b,由水平主梁、竖立次梁和梁组成,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,如图所示，梁格的连接型式有如下三种型式,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，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,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

11、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,a,和,双,腹式,图,b,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,返回,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,根据理论分析和实验

12、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,f,y,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,3.54.5,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,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

13、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,是局部弯曲应力，即矩形薄板本身的弯曲应力,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,如图所示,max,M,max,2,2,k,p,a,t,2,1,t,6,t,a,kp,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,h,p=hg,0.0098h (MPa,区格中心的水头,m,a,b,

14、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/a3,时,1.5,当,b/a,3,时,1.4,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

15、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,816,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,当面板的边长比,b/a,1.5,且长边,b,沿主梁轴线方向,时,图,b,只需按下式验算面板,A,点在上游面的折算应力,zh,2,my,mx,0,x,my,mx,0,x,1,1,2,t,2,8-4,式中,mx,my,0.3,其余符号极其注解见讲义内容,当面板的边长比,

16、b/a1.5,或面板长边方向与主,次,梁,垂直时,图,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,2,my,k,y,p a,zh,mx,0,xB,my,mx,0,xB,1,1,2,my,2,8-5,式中,0 xB,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,0 xB,1.5,1,0.5,M/W,8-6,1,面板兼作主（次）梁前翼缘工作的有效宽度系,数，见

17、表,8-1,式,8-6,的适用条件为,1,1/3,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,N,t,0.07t,max,N,mm,2,8-7,式中,max,厚度为,t,的面板中的最大弯应力,max,可取,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,则,T=V.S/2I,因此，面板与梁格连接角焊缝的

18、,焊脚尺寸,h,f,可近似按下式计算,h,f,N,T,0,7,2,t,2,w,f,8-8,f,w,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,h,f,不,宜小于,6mm,二、次梁设计,一,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,对于降低连接梁格,如图,竖立次梁为简支在主梁,上的简支梁,而水平次梁为支承在竖立次梁上的连续梁,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,8-9,竖立次梁则承受水平次梁支座反力传来的集中力,R,2,梁格为齐平连接时次梁

19、的荷载和计算简图,如图为梁格齐平连接，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,水平次梁的计算简图,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,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,水平次梁的荷载集度,q,同式,8-9,计算简图分别如,图,d,b,所示,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,二,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,

20、按上述次梁的计算简图计算次梁的最大内力,M,max,V,按梁的弯应力强度条件求所需的截面模量,8-11,根据此截面模量和满足刚度要求的最小梁高,h,min,选合适型钢,M,m,ax,V,S,截面验算,W,m,in,I,t,w,w,m,ax,ql,4,w,100,EI,W,req,M,max,式中符号见教材说明,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,抗弯工作。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,考虑面板兼作梁受压翼缘而不至失稳而限制的有效宽,度,235,B,b,l,2,30,t,f,y,8-15,考虑面板沿宽度

21、上应力分布不均而折算的有效宽度,B,1,b,或,B,2,b,8-16,式中,b=(b,1,b,2,2,1,2,有效宽度系数,1,用于正弯矩区,2,用于负,弯矩区。可查表,8-1,三、主梁设计,一,主梁的形式,主梁是平面钢闸门中的主要受力构件。根据闸门的,跨度和水头大小，主梁可采用实腹式或桁架式。跨度小,水头低的闸门，可采用制造方便的型钢梁；对于中等跨,度的闸门,510m,常采用实腹式组合梁，为缩小门槽宽,度和节约钢材，也常采用变高度的主梁,图,对于大跨,度的闸门，则宜采用桁架式主梁，以节约钢材,二,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

22、受的均布荷载集度为,q=P/n,kN/m,8-17,P,闸门单位跨度上作用的总水压力,kN/m,n,主梁的数目,如图,a,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=L,0,2d,8-18,L,0,闸门的孔口宽度,d=(0.150.4)m,如图,a,如图,8-17,主梁的荷载跨度,L,1,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,然后求解主桁架在节点,荷载作用下的杆件内力并选择截面。但对于直接与面板,相连的上弦杆，应考虑面板传来的水压

23、力对上弦杆引起,的局部弯曲而按压弯构件选择截面,三,主梁设计特点,对于钢闸门的主梁，考虑到其除承受闸门水平水压力,而产生水平弯曲外，其下翼缘兼作纵向联结系的弦杆,还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,计算,有关计算公式如右所示,h,min,L,0,96,0,23,w,E,L,h,ec,3,1,W,2,5,t,w,h,3,5,mm,W,1,A,1,t,w,h,0,h,0,6,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,1,b,B,b,l,2,30,t,235,f,y

24、,式中,b,l,为主梁的上翼缘宽度,b,为每根主梁承受荷载面,的宽度,主梁的刚度、整体稳定和局部稳定的验算见第五章内,容,四、横向联结系和纵向联结系的设计,一,横向联结系,横向联结系,竖向联结系,的作用,承受水平次梁,包括顶,底梁,传来的水压力,并将其传给主梁。当水位变更等原,因而引起各主梁的受力不均时，横向联结系可均衡各主,梁的受力并且保证闸门在横截面的刚度,横向联结系的布置,应对称与闸门的中心线,一般布置,13,道，数目宜取奇数，间距不宜超过,45,米,并通常按,等间距布置,横向联结系的型式,应根据主梁的截面高度、间距和数,目而定。主要有实腹隔板式和桁架式两种。如图,8-19,和,图,8-20,所示,实腹式隔板的计算简图如图,a,所示，通常可按图,b,所示简化计算,横隔板的截面设计,横隔板的应力一般都很小，其尺寸,可按构造要求及稳定条件确定，隔板的截面高度与主梁,的截面高度相同，其腹板厚度一般采用,812mm,前翼,缘可利用面板兼作而不必另行设置,后翼缘可采用扁钢,宽度取,100200)mm,厚度取,1012) mm,为减轻门,