水工平面钢闸门设计教学课件

平面钢闸门一概述二平面钢闸门的组成和结构布置三平面钢闸门的结构设计四平面钢闸门的零部件设计五平面钢闸门的埋设部件六水工钢闸门课程设计

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。一概述

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：

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。

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：

⑴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、绕竖轴转动的立轴式弧形闸门等。

本章主要介绍直升式平面钢闸门。横轴式竖轴式二、闸门型式的选择和孔口尺寸的确定

闸门型式的选择(1)闸门应满足建筑物的各项运行要求；(2)闸门的材料应符合当时当地的供应条件；(3)闸门的水力条件要好，泄流能力要满足要求，无振无蚀(4)闸门的结构要简单，便于制造安装；(5)闸门的启闭力要小，操作要简便灵活，(6)闭门要便于检修维护；(7)闸门的止水性能要好，漏水量要小；(8)闸门的重量要轻，造价要低等。

孔口尺寸的确定：主要是满足使用要求三、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—finiteelementmethod）分析，较合理。

平面钢闸门的工程实例平面链轮轮式钢闸闸门人字形钢钢闸门弧形钢闸闸门二平面钢闸闸门的组组成和结结构布置置一、平面面钢闸门门的组成成门叶结构构:用来封闭闭和开启启孔口的的活动挡挡水结构构埋固构件件:埋置在土土建结构构中，把把门叶的的荷载传传递给土土建结构构启闭机械械:控制门叶叶在孔口口中的位位置（一）门门叶结构构的组成成:承重结构构、行走支承承、止水、吊具1、平面钢钢闸门的的承重结结构平面钢闸闸门的承承重结构构，一般般由钢面面板、梁梁格及纵纵、横向向联结系系组成。。⑴面板是用来挡挡水，直直接承受受水压并并传给梁梁格。面面板通常常设在闸闸门的上上游面，，这样可可以避免免梁格和和行走支支承浸没没于水中中而积聚聚污物，，也可以以减小因因门底过过水而产产生的振振动。⑵梁格由互相正正交的梁梁系（主主梁、边边梁、水平次梁梁、竖立立次梁等等）所组组成，用用来支承承面板并并将面板板传来的的全部水水压力传传给支承承边梁，，然后通通过设置置在边梁梁上的行行走支承承把闸门门上的水水压力传传给闸墩墩。⑶横向联结结系（又又称竖向向联结系系）布置在垂垂直于闸闸门跨度度方向的的竖直平平面内，，以保证证闸门横横截面的的刚度，，使门门顶和门门底不致致产生过过大的变变形。其其主要承承受由顶顶梁、底底梁和水水平次梁梁传来的的水压力力并传给给主梁。。其形式式主要有有实腹隔隔板式和和桁架式式。⑷纵向联联结系（（又称门门背联结结系或起起重桁架架）布置在闸闸门下游游面主梁梁（或主主桁架））的下翼翼缘（或或下弦杆杆）之间间的纵向向竖直平平面内，，承受闸闸门部分分自重和和其它竖竖向荷载载，并可可增强闸闸门纵向向竖平面面的刚度度；当闸闸门受双双向水头头时还能能保证主主梁的整整体稳定定性。2、行走支支承（又又称支承承移动部部件）应保证既既能将闸闸门所受受的全部部水平荷荷载安全全地传递递给闸墩墩，又应应保证闸闸门能沿沿门槽上上下顺利利移动，，并减小小闸门移移动时的的摩擦阻阻力。行走支承承包括主主行走支支承（主主轮或主主滑块））、侧向向支承（（侧轮））及反向向支承（（反轮））装置三三部分。。3、止水为了防止止闸门漏漏水而固固定在门门叶周边边的橡胶胶止水。。4、吊具用来连接接闸门启启闭机的的牵引构构件。（二）埋埋固构构件⑴主轮轮或主滑滑道的轨轨道，简简称主轨轨；⑵侧轮轮和反轮轮的轨道道，简称称侧轨和和反轨；；⑶止水水埋件，，顶止水水埋件简简称门楣楣，底止止水埋件件简称底底坎；⑷门槽槽护角、、护面和和底槛，，用以保保护混凝凝土不受受漂浮物物的撞击击、泥砂砂磨损和和气蚀剥剥落。水平水压力面板

水平次梁竖立次梁主梁边梁主轮（或主滑块）主轨道

（齐平连接时）混凝土闸墩（三）闸闸门的启启闭机械械常用的闸闸门启闭闭机有卷扬式、、螺杆式式和液压式三种。它它们又可可分为固固定式和和移动式式两类。。启闭机机的型号号和选用用详见《水电站机机电设计计手册》（金属结结构●二二）的介介绍。二、平面面钢闸门门的结构构布置（一）主主梁的布布置1主梁的数数目主梁是闸闸门的主主要承重重部件。。主梁的的数目主主要取决决于闸门门的尺寸寸和水头头的大小小。平面面闸门按按主梁的的数目可可分为双双主梁式式和多主主梁式。。建议当闸闸门的跨跨高比L/H≥≥1.2时，采用用双主梁梁；而当闸门门的跨高高比L/H≤≤1.0时，采用用多主梁梁。在大大跨度的的露顶式式闸门中中常采用用双主梁梁。布置内容容：确定闸门门上需要要设置的的构件、、每种构构件需要要的数目目以及每每个构件件的所在在位置。。应统筹筹考虑、、全面安安排并进进行必要要的方案案比较后后最终确确定。2、主梁的的位置⑴主梁梁宜按等等荷载要要求布置置，可使使每根主主梁所需需的截面面尺寸相相同，，便于制制造；⑵主梁梁间距应应适应制制造、运运输和安安装的条条件；⑶主梁梁间距应应满足行行走支承承布置的的要求；；⑷底主主梁到底底止水距距离应符符合底缘缘布置的的要求。。对于实腹腹式主梁梁的工作作闸门和和事故闸闸门，一一般应使使底主梁梁的下翼翼缘到底底止水边边缘连线线的倾角角不应小于于30。，以免启门时水水流冲击击底主梁梁和在底底主梁下下方产生生负压，，而导致闸门门振动;当闸门支支承在非非水平底底槛上时时，该角角度可适适当增减减，当不不能满足足30。要求时，，应对门门底部采采取补气气措施。。部分利利用水柱柱闭门的的平面闸闸门，其其上游倾倾角不应应小于45。，宜采用60。。双主梁式闸门门的主梁位置应应对称于静水压压力合力P的作用线，在满足上述述底缘布置要要求的前提下下，两主梁的的间距b宜尽量大些，，并注意上主主梁到门顶的的距离C不宜太大，一一般不超过0.45H，且不宜大于于3.6米。多主梁式闸门门的主梁位置置:按主梁的数目目分成面积相等的几等份，然然后将主梁布布置在各等分分面积的形心心处。露顶门：潜孔式闸门：：式中a---水面至门顶止止水的距离；；（二）梁格的的布置型式梁格的布置应应考虑钢面板板厚度的经济济合理性和梁梁格制造省工工等要求，尽尽量使面板各各区格的计算算厚度接近相相等，并使面面板和梁格的的总用钢量最最少。⑴简式梁格在主梁之间不不设次梁，面面板直接支承承在主梁上，，面板上的水水压力直接通通过主梁传给给两侧的边梁梁。⑵普通式梁格格由水平主梁、、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。。（三）梁格连连接型式⑴齐平连接即水平次梁、、竖立次梁和和主梁的前翼翼缘表面齐平平，都直接与与面板相连，，又称为等高高连接。⑵降低连接即主梁和水平平次梁直接与与面板相连，，而竖立次梁梁则离开面板板降低到水平平次梁下游，，这样水平次次梁可以在面面板与竖立次次梁间穿过而而成为连续梁梁。⑶层叠连接即水平次梁和和竖立次梁直直接与面板相相连，主梁放放在竖立次梁梁后面。由于该连接型型式使得闸门门的整体刚度度和抗振性能能有所削弱，，且增大了闸闸门的总厚度度，故在平面面闸门中现已已很少采用（四）边梁的的布置单腹式边梁构造简单，便便于与主梁相相连接，但抗抗扭刚度差，，这对于闸门门因弯曲变形形、温度胀缩缩及其它力作作用而在边梁梁中产生扭转转的情况是不不利的。单腹腹式边梁主要要用于滑道式式支承的闸门门。双腹式边梁的抗扭刚度大大，也便于设设置滚轮和吊吊轴，但构造造复杂且用钢钢量较多，截截面内部的焊焊接也较困难难。双腹式边边梁广泛用于于定轮闸门中中。一钢面板板的设计次梁的设计主梁的设计横向连结系和和纵向连结系系的设计边梁的设计三平面钢闸门的的结构设计一、钢面板的的设计面板的工作情情况及承载能能力：对于四边固定定支承的面板板，在均布荷荷载作用下最最大弯矩出现现在面板支承承长边的中点点A处。但是当该该点的应力达达到所用钢材材的屈服点fy时，面板仍然然能继续承受受荷载。试验表明，当当荷载增加到到设计荷载（（A点屈服时）的的（3.5~4.5）倍时，面板板跨中部分才才进入弹塑性性阶段。因此，在强度度计算中，容容许面板在高高峰应力（点点A）附近的局部部小范围进入入弹塑性阶段段工作，故可可将面板的容容许应力[σ]乘以大于1的弹塑性调整系系数α予以提高。（一）初选面面板厚度t钢面板是支承承在梁格上的的弹性薄板，在静水压力力作用下，面面板的应力由由两部分组成成：一是局部弯曲应力力，即矩形薄板板本身的弯曲曲应力；二是是整体弯曲应力力，即面板兼作作主（次）梁梁翼缘参与梁梁系弯曲的整整体弯应力。。初选面板厚度度时，先按面板支承长边边中点A的最大局部弯曲曲应力强度条件初步步计算。式中，k—弹性薄板支承承长边中点点（A点）的弯应力力系数。p–—面板计算区格格中心的水压压力强度p=γhg=0.0098h(MPa);h—区格中心的水水头,(m)a,b——面板计算区格格的短边和长长边的长度(mm),从面板与主(次)梁的连接焊缝缝算起;α—弹塑性调整系系数,当b/a≤3时,α=1.5;当b/a＞3时,α=1.4。[σ]—钢材的抗弯容容许应力（Mpa）对于普通式和复式式梁格支承的的面板的支承情况实实际上为双向向连续板。根根据试验研究究，面板的中中间区格在水水压力作用下下，其在各支支承边上的倾倾角均接近于于零，故为简简化计算，中中间区格可当当作四边固定板计算。对于顶、底梁梁截面比较小小的顶、底部区格格，因面板在刚刚度较小的顶顶梁和底梁处处会产生较大大的倾角，接接近于简支边边，故顶、底底区格按三边固定另一一边（顶或底底边）简支的矩形板计算算。板的边界条件件：钢面板厚度的的计算需与水水平次梁间距距的布置同时时进行，最终应使各区区格之间板厚厚大致相等。钢面板宜选选用较薄的钢板，一般般不应小于6mm，通常可取（（8-16）mm。（二）面板参参加主（次））梁整体弯曲曲时的强度计计算在主（次）梁梁截面选定后后，考虑到面面板本身在局局部弯曲的同同时还随主（（次）梁受整整体弯曲的作作用，则面板板为双向受力状态态。故应按第四强度理论论验算面板的折算应力强度度。⑴当当面板的边长长比b/a＞1.5，且长边b沿主梁轴线方方向时，只需需按下式验算算面板A点在上游面的的折算应力：式中σmy=ky·pa2/t2；σmx=μ·σmy；μ=0.3⑵当面板的边长长比b/a≤1.5或面板长边方向向与主（次））梁垂直时（图8-11），面板在B点下游面的应力值（σmx+σ0xB）较大，这时时虽然B点下游面的双双向应力为同同号（均受压压），但还是是可能比A点上游面更早早地进入塑性性状态，故应应按下式验算B点下游面在同号平面（（压）应力状状态下的折算算应力强度：：（三）面板与与梁格的连接接计算1）当水压力作作用下面板弯弯曲时，由于于梁格之间相相互移近受到到约束，在面面板与梁格之之间的连接角角焊缝将产生生垂直于焊缝方方向的侧拉力力。经分析计算算，每毫米焊焊缝长度上的的侧拉力可按按下面的近似似公式计算：：式中σmax---厚度为t的面板中的最最大弯应力，，σmax可取[σ]。2）由于面板作作为主梁的翼翼缘，当主梁梁弯曲时，面面板与主梁之之间的连接角角焊缝还承受受沿焊缝长度方方向的水平剪剪力，主梁轴线一一侧的角焊缝缝每单位长度度内的剪力为为：面板与梁格的的连接焊缝应应采用连续焊焊缝，通常hf不宜小于6mm。二、次梁设计计（一）次梁的的荷载与计算算简图1、梁格为降低低连接时次梁梁的荷载和计计算简图竖立次梁——简支在主梁上上的简支梁；；水平次梁——支承在竖立次次梁上的连续续梁。水平次梁承受均布水压力荷荷载，水压力荷载载作用范围按面板板区格的中线来划划分，则水平次梁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支座反力传来的集中力R。2、梁格为齐平连接接时次梁的荷载和和计算简图水平次梁和竖立次次梁同时支承着面面板。面板传给梁梁格的水压力，按按梁格夹角的平分分线来划分各梁所所负担的水压力作作用范围。水平次梁的计算简简图：⑴当水平次梁在竖竖立次梁处断开后后再连接于竖立次次梁时，水平次梁梁为简支梁；⑵当采用实腹隔板板兼作竖立次梁时时，水平次梁为连连续穿过实腹隔板板预留的切孔并被被支承在隔板上的的连续梁。竖立次梁的计算简简图：为支承在主梁以及及顶梁、底梁上的简支梁。作用荷载有三角角形分布水压力荷荷载q上和q下及水平次梁的支座座反力传来的集中中力R。（二）次梁的截面面设计次梁一般受荷不大大，常采用轧成型型钢。⑴按上述次梁的计计算简图计算次梁梁的最大内力Mmax、V。⑵按梁的弯应力强强度条件求所需的的截面模量W=Mmax/[σ]根据此截面模量和和满足刚度要求的的最小梁高hmin，选合适型钢。⑶截面验算计算截面取值：当次梁直接焊接于于面板时，焊缝两两侧的面板在一定定的宽度（有效宽宽度）内可以兼作作次梁的翼缘参加加次梁的抗弯工作作。面板参加次梁梁工作的有效宽度度B可按下面两式计算算的较小值取用：：①考虑面板兼作梁梁受压翼缘而不至至失稳而限制的有有效宽度：②考虑面板沿宽度度上应力分布不均均而折算的有效宽宽度：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。可可查表8-1。三、主梁设计（一）主梁的形式式主梁是平面钢闸门门中的主要受力构构件，可采用实腹腹式或桁架式。跨度小水头低的闸闸门，可采用制造造方便的型钢梁；对于中等跨度的闸闸门（5-10m）常采用实腹式组合梁；对于大跨度的闸门门，则宜采用桁架式主梁。（二）主梁的荷载载和计算简图主梁为支承在闸门门边梁上的单跨简支梁。主梁承受面板传传来的分布水压力和竖直次梁传来的的集中荷载。对实腹式梁，可近近似换算为均布荷荷载。当主梁按等荷载原原则布置时，每根根主梁所受的均布布荷载集度为：q=P/n（kN/m）P-----闸门单位跨度上作作用的总水压力（（kN/m）n-----主梁的数目。主梁的计算跨度L为闸门行走支承中中心线之间的距离离L=L0+2dL0----闸门的孔口宽度，，d=（0.15~0.4）m当主梁采用桁架式式时，可将水压力力化为节点荷载P=qb（b为桁架的节间长度度），然后求解主主桁架在节点荷载载作用下的杆件内内力并选择截面。。但对于直接与面面板相连的上弦杆杆，应考虑面板传传来的水压力对上上弦杆引起的局部部弯曲而按压弯构构件选择截面。（三）主梁设计的的特点⑴对于钢闸门的主梁梁，考虑到其除承承受闸门水平水压压力而产生水平弯弯曲外，其下翼缘缘兼作纵向联结系系的弦杆，还需承承受一部分闸门自自重产生的应力。。故按主梁的水平平水压力荷载产生生的内力选择截面面时，可按0.9[σ]计算。⑵当主梁直接与面板板相连时，部分面面板可兼作主梁上上（前）翼缘的一一部分参加其抗弯弯工作。面板的有有效宽度取下列两两式的较小值B=ξ1b式中bl-为主梁的上翼缘宽宽度，b--为每根主梁承受荷荷载面的宽度。⑶主梁的刚度、整体体稳定和局部稳定定的验算见第五章章内容。四、横向联结系和和纵向联结系的设设计（一）横向联结系系（竖向联结系））作用：承受水平次梁（包包括顶、底梁）传传来的水压力，并并将其传给主梁。。当水位变更等原原因而引起各主梁梁的受力不均时，，横向联结系可均均衡各主梁的受力力并且保证闸门在在横截面的刚度。。布置：应对称与闸门的中中心线，一般布置置1~3道，数目宜取奇数数，间距不宜超过过4~5米，并通常按等间间距布置。横向联结系的型式式：应根据主梁的截面面高度、间距和数数目而定。主要有有实腹隔板式和桁桁架式两种。实腹式隔板的计算算简图如图8-18（a）所示，通常可按按图8-18（b）所示简化计算。。横隔板的截面设计计：横隔板的应力一般般都很小，其尺寸寸可按构造要求及及稳定条件确定，，隔板的截面高度度与主梁的截面高高度相同，其腹板板厚度一般采用8-12mm，前翼缘可利用面面板兼作而不必另另行设置；后翼缘缘可采用扁钢，宽宽度（100-200）mm，厚度取（10-12）mm。为减轻门重，可可在隔板中间弯应应力较小区域开孔孔，但孔边需用扁扁钢镶固（图8-19（b））。横向桁架是支承在主梁上的的双悬臂桁架，其其计算简图如图8-20所示。上弦杆为闸闸门的竖立次梁，，一般为压弯构件件，腹杆及下弦杆杆为轴心受力构件件。（二）纵向联结系系纵向联结系位于闸闸门各主梁后翼缘缘之间的竖平面内内。其主要作用是是：承受闸门上的竖向向力