平面鋼閘門(mén)課程

平面鋼閘門(mén)課程第1頁(yè)/共57頁(yè)3、按閘門(mén)的結(jié)構(gòu)型式和構(gòu)造特征可分為：⑴平面形門(mén)葉鋼閘門(mén)：指擋水面板形狀為平面的一類(lèi)鋼閘門(mén)。

根據(jù)門(mén)葉結(jié)構(gòu)的運(yùn)移方式又可分為：直升式平面閘門(mén)、升臥式平面閘門(mén)、橫拉式平面閘門(mén)（船閘中采用）、繞豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)的平面形閘門(mén)（如船閘中的人字門(mén)和一字門(mén)）及繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)的平面形閘門(mén)（如翻版閘門(mén)、舌瓣閘門(mén)和蓋板閘門(mén)）等。⑵弧形閘門(mén)：指擋水面板形狀為圓弧形的一類(lèi)鋼閘門(mén)?？煞譃槔@橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)的弧形閘門(mén)（如正向弧形閘門(mén)、反向弧形閘門(mén)和下沉式弧形閘門(mén)）和繞豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)的立軸式弧形閘門(mén)（如船閘中的三角門(mén)）等。本章主要介紹直升式平面鋼閘門(mén)。第2頁(yè)/共57頁(yè)二、閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

1、閘門(mén)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法

《水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL74-95）規(guī)定鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)采用容許應(yīng)力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

2、結(jié)構(gòu)分析方法⑴按平面體系設(shè)計(jì)法：可采用手算，簡(jiǎn)單易行，但不太精確。⑵按空間體系設(shè)計(jì)法：可采用有限元法（FEM）分析，較合理。第3頁(yè)/共57頁(yè)

平面鋼閘門(mén)的工程實(shí)例第4頁(yè)/共57頁(yè)

人字形鋼閘門(mén)的工程實(shí)例第5頁(yè)/共57頁(yè)弧形鋼閘門(mén)的工程實(shí)例第6頁(yè)/共57頁(yè)平面鋼閘門(mén)的組成和結(jié)構(gòu)布置

一、平面鋼閘門(mén)的組成

平面鋼閘門(mén)是由活動(dòng)的門(mén)葉結(jié)構(gòu)、埋固構(gòu)件和啟閉機(jī)械三部分組成。門(mén)葉結(jié)構(gòu)門(mén)葉結(jié)構(gòu)是用來(lái)封閉和開(kāi)啟孔口的活動(dòng)擋水結(jié)構(gòu)。由門(mén)葉承重結(jié)構(gòu)、行走支承以及止水和吊具等組成。

1、門(mén)葉承重結(jié)構(gòu)包括鋼面板、梁格及縱、橫向聯(lián)結(jié)系。

⑴面板直接承受水壓并傳給梁格。

面板通常設(shè)在閘門(mén)的上游面，這樣可以避免梁格和行走支承浸沒(méi)于水中而積聚污物，也可以減小因門(mén)底過(guò)水而產(chǎn)生的振動(dòng)。

⑵梁格支承面板并將面板傳來(lái)的全部水壓力傳給支承邊梁

正交的梁系（水平次梁（包括頂、底次梁）、豎立次梁、主梁和邊梁等）第7頁(yè)/共57頁(yè)第8頁(yè)/共57頁(yè)第9頁(yè)/共57頁(yè)

⑶橫向聯(lián)結(jié)垂直于閘門(mén)跨度方向的豎直平面內(nèi)，以保證閘門(mén)橫截面的剛度。其主要承受由頂梁、底梁和水平次梁傳來(lái)的水壓力并傳給主梁。其形式主要有實(shí)腹隔板式和桁架式。

⑷縱向聯(lián)結(jié)系布置在閘門(mén)下游面主梁的下翼緣（或下弦桿）之間的縱向平面內(nèi)。承受閘門(mén)部分自重和其它豎向荷載，并可增強(qiáng)閘門(mén)縱向平面的剛度。

2、行走支承將閘門(mén)所受的全部荷載傳遞給閘墩，且保證閘門(mén)能沿門(mén)槽上下順利移動(dòng)。行走支承包括主行走支承（主輪或主滑塊）、側(cè)向支承（側(cè)輪）及反向支承（反輪）裝置三部分。

3、止水系為了防止閘門(mén)漏水而固定在門(mén)葉周邊的橡膠止水。

4、吊具系用來(lái)連接閘門(mén)啟閉機(jī)的牽引構(gòu)件。第10頁(yè)/共57頁(yè)

埋固構(gòu)件包括：⑴主輪或主滑道的軌道，簡(jiǎn)稱(chēng)主軌；⑵側(cè)輪和反輪的軌道，簡(jiǎn)稱(chēng)側(cè)軌和反軌；⑶止水埋件，頂止水埋件簡(jiǎn)稱(chēng)門(mén)楣，底止水埋件簡(jiǎn)稱(chēng)底坎；⑷門(mén)槽護(hù)角、護(hù)面和底檻，用以保護(hù)混凝土不受漂浮物的撞擊、泥砂磨損和氣蝕剝落。閘門(mén)的啟閉機(jī)械常用的閘門(mén)啟閉機(jī)有卷?yè)P(yáng)式、螺桿式和液壓式三種。它們又可分為固定式和移動(dòng)式兩類(lèi)。啟閉機(jī)的型號(hào)和選用詳見(jiàn)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第11頁(yè)/共57頁(yè)二、平面鋼閘門(mén)的結(jié)構(gòu)布置

主梁的布置

1、主梁的數(shù)目主梁的數(shù)目主要取決于閘門(mén)的尺寸和水頭的大小。主梁的數(shù)目可為雙主梁式和多主梁。建議：當(dāng)閘門(mén)的跨高比L/H≥1.2時(shí)，采用雙主梁；當(dāng)閘門(mén)的跨高比L/H≤1.0時(shí)，采用多主梁。在大跨度的露頂式閘門(mén)中常采用雙主梁。

2、主梁的位置⑴主梁宜按等荷載要求布置，可使每根主梁所需的截面尺寸相同，便于制造；⑵底主梁到底止水距離應(yīng)符合底緣布置的要求。⑶主梁間距應(yīng)適應(yīng)制造、運(yùn)輸和安裝的條件；⑶主梁間距應(yīng)滿足行走支承布置的要求；第12頁(yè)/共57頁(yè)

底主梁的下翼緣到底止水邊緣連線的傾角不應(yīng)小于30。，以免啟門(mén)時(shí)水流沖擊底主梁和在底主梁下方產(chǎn)生負(fù)壓，而導(dǎo)致閘門(mén)振動(dòng)。其上游傾角不應(yīng)小于45。，宜采用60。。雙主梁式閘門(mén)的主梁位置應(yīng)對(duì)稱(chēng)于靜水壓力合力P的作用線，兩主梁的間距b宜盡量大些。上主梁到門(mén)頂?shù)木嚯xC不宜太大，一般不超過(guò)0.45H，且不宜大于3.6米。第13頁(yè)/共57頁(yè)

多主梁式閘門(mén)的主梁位置，可根據(jù)各主梁等荷載的原則確定。具體做法有圖解法和數(shù)解法兩種。下面按數(shù)解法進(jìn)行介紹。假定水面至門(mén)底的距離為H，主梁的數(shù)目為n，第k（k=1，2，…，n）根主梁至水面的距離為yk，對(duì)于露頂門(mén)（圖8-5a）有

對(duì)于潛孔式閘門(mén)（圖8-5b）有

式中a---水面至門(mén)頂止水的距離。第14頁(yè)/共57頁(yè)三、梁格的布置型式閘門(mén)的梁格布置可分為以下三種型式。⑴簡(jiǎn)式梁格不設(shè)次梁，面板直接支承在主梁上。⑵普通式梁格由水平主梁、豎立次梁和邊梁組成。⑶復(fù)式梁格由水平主梁、豎立次梁、水平次梁和邊梁組成。

第15頁(yè)/共57頁(yè)四、梁格連接型式

梁格的連接型式有三種型式。

⑴齊平連接即水平次梁、豎立次梁和主梁的前翼緣表面齊平，都直接與面板相連，又稱(chēng)為等高連接。

⑵降低連接即主梁和水平次梁直接與面板相連，而豎立次梁降低到水平次梁下游。⑶層疊連接即水平次梁和豎立次梁直接與面板相連，主梁放在豎立次梁后面。由于該連接型式使得閘門(mén)的整體剛度和抗振性能有所削弱，且增大了閘門(mén)的總厚度，故在平面閘門(mén)中現(xiàn)已很少采用。第16頁(yè)/共57頁(yè)五、邊梁的布置邊梁的截面型式有單腹式和雙腹式兩種。

單腹式邊梁構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于與主梁相連接，但抗扭剛度差。單腹式邊梁主要用于滑道式支承的閘門(mén)。

雙腹式邊梁的抗扭剛度大，也便于設(shè)置滾輪和吊軸，但構(gòu)造復(fù)雜且用鋼量較多。雙腹式邊梁廣泛用于定輪閘門(mén)中。第17頁(yè)/共57頁(yè)平面鋼閘門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、鋼面板的設(shè)計(jì)

面板的工作情況及承載能力：

鋼面板是支承在梁格上的彈性薄板，承受靜水壓力。對(duì)于四邊固定支承的面板，在均布荷載作用下最大彎矩出現(xiàn)在面板支承長(zhǎng)邊的中點(diǎn)A處。但是當(dāng)fA=

fy時(shí)，面板的承載能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有耗盡。試驗(yàn)表明，當(dāng)荷載增加到設(shè)計(jì)荷載（A點(diǎn)屈服時(shí)）的（3.5~4.5）倍時(shí)，面板跨中部分才進(jìn)入彈塑性階段。因此，在強(qiáng)度計(jì)算中，容許面板在高峰應(yīng)力（點(diǎn)A）附近的局部小范圍進(jìn)入彈塑性階段工作，故可將面板的容許應(yīng)力[σ]乘以大于1的彈塑性調(diào)整系數(shù)α予以提高。第18頁(yè)/共57頁(yè)初選面板厚度t靜水壓力作用下，面板的應(yīng)力由兩部分組成：一是局部彎曲應(yīng)力，即矩形薄板本身的彎曲應(yīng)力；二是整體彎曲應(yīng)力，即面板兼作主（次）梁翼緣參與梁系彎曲的整體彎應(yīng)力。初選面板厚度時(shí)，由于主（次）梁的截面尚未確定，面板參與主（次）梁的整體彎應(yīng)力尚未求得，故面板的厚度可先按面板支承長(zhǎng)邊中點(diǎn)A的最大局部彎曲應(yīng)力強(qiáng)度條件初步計(jì)算。第19頁(yè)/共57頁(yè)

式中，k—彈性薄板支承長(zhǎng)邊中點(diǎn)（A點(diǎn)）的彎應(yīng)力系數(shù)。

p–面板計(jì)算區(qū)格中心的水壓力強(qiáng)度p=γhg=0.0098h(MPa);h—區(qū)格中心的水頭,(m)a,b—面板計(jì)算區(qū)格的短邊和長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度(mm),從面板與主(次)梁的連接焊縫算起;

——彈塑性調(diào)整系數(shù),當(dāng)b/a≤3時(shí),=1.5;當(dāng)b/a＞3時(shí),=1.4。

[σ]---鋼材的抗彎容許應(yīng)力（Mpa）第20頁(yè)/共57頁(yè)

對(duì)于普通式和復(fù)式梁格支承的面板：中間區(qū)格可當(dāng)作四邊固定板計(jì)算；對(duì)于頂、底梁截面比較小的頂、底部區(qū)格，按三邊固定另一邊（頂或底邊）簡(jiǎn)支的矩形板計(jì)算。因鋼面板的重量占閘門(mén)總重量的比例較大，為節(jié)約鋼材，鋼面板宜選用較薄的鋼板，但考慮銹蝕余量要求，一般不應(yīng)小于6mm，通?？扇。?~16）mm。面板參加主（次）梁整體彎曲時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算在初步選定面板厚度，并在主（次）梁截面選定后，面板隨主（次）梁受整體彎曲的作用，面板為雙向受力狀態(tài)。需驗(yàn)算面板的折算應(yīng)力強(qiáng)度。第21頁(yè)/共57頁(yè)

⑴當(dāng)面板的邊長(zhǎng)比b/a＞1.5，且長(zhǎng)邊b沿主梁軸線方向時(shí)（圖8-10（b）），只需按下式驗(yàn)算面板A點(diǎn)在上游面的折算應(yīng)力：

式中σmy=ky·pa2/t2

，σmx=μ·σmy，μ=0.3。第22頁(yè)/共57頁(yè)⑵當(dāng)面板的邊長(zhǎng)比b/a≤1.5或面板長(zhǎng)邊方向與主梁垂直時(shí)，面板在B點(diǎn)下游面的應(yīng)力值（σmx+σ0xB）較大，應(yīng)按下式驗(yàn)算B點(diǎn)的折算應(yīng)力強(qiáng)度：

式中σ0xB---對(duì)應(yīng)于面板驗(yàn)算點(diǎn)（B點(diǎn)）主梁前翼緣的整體彎曲應(yīng)力?？紤]整體彎應(yīng)力沿面板寬度分布不均影響后，可按下式計(jì)算：σ0xB=（1.5ξ1-0.5）M/Wξ1---面板兼作主（次）梁前翼緣工作的有效寬度系數(shù)，見(jiàn)表第23頁(yè)/共57頁(yè)面板與梁格的連接計(jì)算

當(dāng)水壓力作用下，面板彎曲，在面板與梁格之間的連接角焊縫將產(chǎn)生垂直于焊縫方向的側(cè)拉力。

Nt=0.07tσmax

（N/mm）式中σmax---厚度為t的面板中的最大彎應(yīng)力，σmax可取[σ]。此外，由于面板作為主梁的翼緣，當(dāng)主梁彎曲時(shí)，面板與主梁之間的連接角焊縫還承受沿焊縫長(zhǎng)度方向的水平剪力T=V.S/2I

因此，面板與梁格連接角焊縫的焊腳尺寸hf可近似按下式計(jì)算：[τfw]-----角焊縫的容許剪應(yīng)力。面板與梁格的連接焊縫應(yīng)采用連續(xù)焊縫，通常hf不宜小于6mm。

第24頁(yè)/共57頁(yè)二、次梁設(shè)計(jì)

次梁的荷載與計(jì)算簡(jiǎn)圖

1、梁格為降低連接時(shí)次梁的荷載和計(jì)算簡(jiǎn)圖第25頁(yè)/共57頁(yè)

水平次梁承受均布水壓力荷載

（N/mm）豎立次梁則承受水平次梁支座反力傳來(lái)的集中力R。2、梁格為齊平連接時(shí)次梁的荷載和計(jì)算簡(jiǎn)圖第26頁(yè)/共57頁(yè)水平次梁的計(jì)算簡(jiǎn)圖：⑴當(dāng)水平次梁為在豎立次梁處斷開(kāi)后再連接于豎立次梁時(shí)，水平次梁為簡(jiǎn)支梁；⑵當(dāng)采用實(shí)腹隔板兼作豎立次梁時(shí)，水平次梁為連續(xù)穿過(guò)實(shí)腹隔板預(yù)留的切孔并被支承在隔板上的連續(xù)梁。豎立次梁為支承在主梁上的簡(jiǎn)支梁。作用荷載有三角形分布水壓力荷載q上和q下及水平次梁的支座反力傳來(lái)的集中力R。第27頁(yè)/共57頁(yè)第28頁(yè)/共57頁(yè)次梁的截面設(shè)計(jì)

次梁一般受荷不大，常按軋成梁設(shè)計(jì)。計(jì)算步驟如下：⑴按上述次梁的計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算次梁的最大內(nèi)力Mmax、V。⑵按梁的彎應(yīng)力強(qiáng)度條件求所需的截面模量

Wreq=Mmax/[σ]根據(jù)此截面模量和滿足剛度要求的最小梁高h(yuǎn)min，選合適型鋼。⑶截面驗(yàn)算第29頁(yè)/共57頁(yè)面板參加次梁工作的有效寬度B可按下面兩式計(jì)算的較小值取用：

①考慮面板兼作梁受壓翼緣而不至失穩(wěn)而限制的有效寬度：第30頁(yè)/共57頁(yè)

②考慮面板沿寬度上應(yīng)力分布不均而折算的有效寬度

B=ξ1.b或B=ξ2.b式中b=（b1+b2）/2ξ1、

ξ2--有效寬度系數(shù)，ξ1用于正彎矩區(qū)，ξ2用于負(fù)彎矩區(qū)。第31頁(yè)/共57頁(yè)三、主梁設(shè)計(jì)主梁的形式主梁可采用實(shí)腹式或桁架式。(1)跨度小水頭低的閘門(mén)，可采用型鋼梁；(2)中等跨度的閘門(mén)（5~10m）,常采用實(shí)腹式組合梁，為縮小門(mén)槽寬度和節(jié)約鋼材，常采用變高度的主梁;(3)大跨度的閘門(mén)，則宜采用桁架式主梁，以節(jié)約鋼材。第32頁(yè)/共57頁(yè)主梁的荷載和計(jì)算簡(jiǎn)圖主梁為支承在閘門(mén)邊梁上的單跨簡(jiǎn)支梁。當(dāng)主梁按等荷載原則布置時(shí)，每根主梁所受的均布荷載

q=P/n（kN/m）

第33頁(yè)/共57頁(yè)P(yáng)—閘門(mén)單位跨度上作用的總水壓力（kN/m）

n-----主梁的數(shù)目。主梁的計(jì)算跨度L為閘門(mén)行走支承中心線之間的距離，即L=L0+2dL0----閘門(mén)的孔口寬度，d=（0.15~0.4）m第34頁(yè)/共57頁(yè)主梁的荷載跨度等于兩側(cè)止水間的距離。當(dāng)側(cè)止水布置在閘門(mén)的下游面而面板設(shè)在上游面時(shí)，閘門(mén)側(cè)向水壓力將對(duì)主梁產(chǎn)生軸向壓力N。當(dāng)主梁采用桁架式時(shí)，可將水壓力化為節(jié)點(diǎn)荷載P=qb（b為桁架的節(jié)間長(zhǎng)度），但對(duì)于直接與面板相連的上弦桿，應(yīng)考慮面板傳來(lái)的水壓力對(duì)上弦桿引起的局部彎曲而按壓彎構(gòu)件選擇截面。第35頁(yè)/共57頁(yè)主梁設(shè)計(jì)特點(diǎn)

⑴若主梁下翼緣兼作縱向聯(lián)結(jié)系的弦桿，則需承受一部分閘門(mén)自重產(chǎn)生的應(yīng)力。故按主梁的水平水壓力荷載產(chǎn)生的內(nèi)力選擇截面時(shí)，可按0.9[σ]計(jì)算。⑵當(dāng)主梁直接與面板相連時(shí)，部分面板可兼作主梁上（前）翼緣的一部分參加其抗彎工作。面板的有效寬度取下列兩式的較小值：

B=ξ1b式中

bl-為主梁的上翼緣寬度，b--為每根主梁承受荷載面的寬度。第36頁(yè)/共57頁(yè)四、橫向聯(lián)結(jié)系和縱向聯(lián)結(jié)系的設(shè)計(jì)

橫向聯(lián)結(jié)系

橫向聯(lián)結(jié)系：承受水平次梁（包括頂、底梁）傳來(lái)的水壓力，并將其傳給主梁。橫向聯(lián)結(jié)系的布置：應(yīng)對(duì)稱(chēng)于閘門(mén)的中心線，一般布置1~3道，數(shù)目宜取奇數(shù)，間距不宜超過(guò)4~5米，通常按等間距布置。橫向聯(lián)結(jié)系的型式：有實(shí)腹隔板式和桁架式兩種。第37頁(yè)/共57頁(yè)橫隔板的截面設(shè)計(jì)：橫隔板的應(yīng)力一般都很小，其尺寸可按構(gòu)造要求及穩(wěn)定條件確定。隔板的截面高度與主梁的截面高度相同，其腹板厚度一般采用8~12mm，前翼緣可利用面板兼作，后翼緣可采用扁鋼，寬度?。?00~200）mm，厚度?。?0~12）mm。為減輕門(mén)重，可在隔板中間彎應(yīng)力較小區(qū)域開(kāi)孔，但孔邊需用扁鋼鑲固。第38頁(yè)/共57頁(yè)

橫向桁架是支承在主梁上的雙懸臂桁架，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖8-20所示。上弦桿為閘門(mén)的豎立次梁，一般為壓彎構(gòu)件，腹桿及下弦桿為軸心受力構(gòu)件。第39頁(yè)/共57頁(yè)縱向聯(lián)結(jié)系

縱向聯(lián)結(jié)系作用是：承受閘門(mén)上的豎向力（閘門(mén)的自重、門(mén)頂?shù)乃匾约伴T(mén)底的下吸力等）；保證閘門(mén)在豎向平面內(nèi)的剛度；并與主梁和面板構(gòu)成封閉的空間體系以承受偶然的作用力對(duì)閘門(mén)引起扭矩。

縱向聯(lián)結(jié)系的型式：桁架式，簡(jiǎn)支于閘門(mén)兩側(cè)邊梁上?？v向聯(lián)結(jié)系的截面設(shè)計(jì)：將閘