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水工钢组织第七章平面钢闸门

  

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  第七章 平面钢闸门 第一节 概述 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 闸门的类型 闸门的类型较多,一般可按闸门的工作性质、设臵部位及 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、按闸门设臵的部位可分为: ⑴ 露顶式闸门:设臵在开敞式泄水孔口,当闸门关闭孔口挡水时, 其门叶顶部高于挡水水位,并需设臵三边止水。 ⑵ 潜孔式闸门:设臵在潜没式泄水孔口,当闸门关闭孔口挡水式, 其门叶顶部低于挡水水位,需要设臵顶部、两侧和底缘四边止水。 潜孔式闸门 露顶式闸门 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。 横轴式 竖轴式 (3)人字形闸门:人字形闸门是一种钢筋混凝土半固定式蓄水 闸门,由于支架为人字形状,故称人字闸。 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—finite element method)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 弧形钢闸门 拱形闸门 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 ? 门叶结构: 用来封闭和开启孔口 的活动挡水结构 ? 埋固构件: 埋臵在土建结构中, 把门叶的荷载传递给土建结构 ? 启闭机械: 控制门叶在孔口中的 位臵 (一)门叶结构的组成: 承重结构、行走支承、止水、吊具 1、平面钢闸门的门叶结构 平面钢闸门的门叶结构,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(主梁、边梁、水平次梁、竖立次梁等)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,然后通过设臵在边梁 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) 布臵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) 布臵在闸门下游面主梁(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。 2、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)装臵三部分。 行走支承的类型 (a)滑道式 (b)滚轮式 3、止水 为了防止闸门漏水而固定在门叶周边的橡胶止水。 4、吊具 用来连接闸门启闭机的牵引构件。 (二) 埋固构件 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。 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 闸门的传力路径 (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 布臵内容:确定闸门上需要设臵的构件、每种构件需要的 数目以及每个构件的所在位臵。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)主梁的布臵 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、主梁的位臵 ⑴ 主梁宜按等荷载要求布臵,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臵的要求; ⑷ 底主梁到底止水距离应符合底缘布臵的要求。 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。,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。。 闸门底部边缘的布置要求 双主梁式闸门的主梁位臵应对称于静水压力合力P的作用线, 在满足上述底缘布臵要求的前提下,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。 双主梁闸门的主梁布置图 多主梁式闸门的主梁位臵: 按主梁的数目分成面积相等的 几等份,然后将主梁布臵在各等分面积的形心处。 露顶门: yk ? 2H 1.5 [k ? (k ? 1)1.5 ] 3 n 潜孔式闸门: yk ? 2H 3 n?m [(k ? m)1.5 ? (k ? m ? 1)1.5 ] 式中 na 2 a---水面至门顶止水的距离; m ? H 2 ? a 2 主梁的位置 (a)露顶闸门 (b)潜孔闸门 (二)梁格的布置型式 梁格的布臵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。 ⑴简式梁格 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 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)梁格连接型式 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。 梁格的连接形式 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 ?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,也便于设臵滚轮和吊轴,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 1 钢面板的设计 二 次梁的设计 三 主梁的设计 四 横向连结系和纵向连结系的设计 五 边梁的设计 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,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, 面板仍然能继续承受荷载。 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。 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,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。 四边固定支撑面板 M max 2 2 ? max ? ? k ? p ? a / t ? ?[?] 2 1? t / 6 kp t ?a? ?[?] 四边固定支承面板 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) 板的边界条件: 对于普通式和复式梁格支承的面板 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,最终应使各 区格之间板厚大致相等。钢面板宜选用较薄的钢板,一般不应小于 6mm,通常可取(8-16)mm。 梁格的布置图 (a)简式 (b)普通式 (c)复式 (二)面板参加主(次)梁整体弯曲时的强度计算 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,只需按下 式验算面板A点在上游面的折算应力: 2 ? zh ? ? 2 ? ( ? ? ? ) ? ? my (? mx ? ? 0 x ) ? 1.1?[?] my mx 0x 式中 σmy= ky · p a2/ t2 ;σmx=μ·σmy; μ=0.3 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,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: 2 ? zh ? ? 2 ? ( ? ? ? ) ? ? my (? mx ? ? 0 xB ) ? 1.1?[?] my mx 0 xB (三)面板与梁格的连接计算 1)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 式中 σmax ---厚度为t的面板中的最大弯应力, σmax 可取[σ]。 2)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: VS T? 2I 2 w hf ? N2 t ? T /(0.7[ ? f ]) 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。 二、次梁设计 (一)次梁的荷载与计算简图 竖直次梁 —— 简支在主梁上的简支梁; 水平次梁 —— 支承在竖立次梁上的连续梁。 水平次梁的计算简图: ⑴当水平次梁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。 竖立次梁的计算简图: 为支承在主梁以及顶梁、底梁上的简支梁。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。 q上 ? a上 p上 (N / mm) q下 ? a下 p下 (N / mm) 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,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) 竖立次梁则承受水平次梁支座反力传来的集中力R。 降低连接时次梁的计算简图 2、梁格为齐平连接时次梁的荷载和计算简图 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。 梁格为齐平连接时次梁的荷载和计算简图 梁格为齐平连接时次梁的荷载和计算简图 (二)次梁的截面设计 次梁一般受荷不大,常采用轧成型钢。 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 W=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 M max ?? ? [ ?] Wmin V ?S ?? ? [ ?] I? tw w max ql 4 ?? ? [w ] 100EI 次梁截面形式及面板兼作梁翼的有效宽度 (a)水平次梁 (b)竖直次梁 计算截面取值: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: 235 fy B ? b l ? 2 ? 30t 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: 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)/2 ξ1、 ξ2 --有效宽度系数, ξ1用于正弯矩区, ξ2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,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(5-10m)常采用实腹式组合梁; ? 对于大跨度的闸门,则宜采用桁架式主梁。 主梁的荷载及计算简图 (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。主梁承受面板传来的分布水 压力和竖直次梁传来的集中荷载。 ? 对实腹式梁,可近似换算为均布荷载。 ? 当主梁按等荷载原则布臵时,每根主梁所受的均布荷载集度为: ? 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 ? ? L0----闸门的孔口宽度, L=L0+2d d=(0.15~0.4)m 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)主梁设计的特点 ⑴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[σ]计算。 W ? M max / 0.9?? ? hmin [? ]L ? 0.96 ? 0.23 w E[ ] L 2 5 hec ? 3.1 W tw ? A1 ? h / 3.5( m m) W 1 ? t w h0 h0 6 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。 B ? b l ? 2 ? 30 t 235 f y ⑶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(竖向联结系) 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。 布置:应对称与闸门的中心线道,数目 宜取奇数,间距不宜超过4~5米,并通常按等间距布臵。 横向隔板的计算简图 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。 实腹式隔板的计算简图如图8-18(a)所示,通常可按图8-18 (b)所示简化计算。 横隔板的构造 横隔板的计算简图 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8-12mm,前翼缘可利用面板兼作而不必另行设臵;后翼缘 可采用扁钢,宽度(100-200)mm,厚度取(10-12) mm。为减轻门 重,可在隔板中间弯应力较小区域开孔,但孔边需用扁钢镶固(图 (b))。 横隔板的构造 横向桁架是支承在主梁上的双悬臂桁架,其计算简图如图 8-20所示。上弦杆为闸门的竖立次梁,一般为压弯构件,腹 杆及下弦杆为轴心受力构件。 竖向桁架计算简图 (二)纵向联结系 纵向联结系位于闸门各主梁后翼缘之间的竖平面内。其主 要作用是: 承受闸门上的竖向力(闸门的自重、门顶的水柱重以 及门底的下吸力等); ? 保证闸门在竖向平面内的刚度; ? 与主梁和面板构成封闭的空间体系以承受偶然的作用 力对闸门引起扭矩。 ? 纵向连接系计算简图 纵向联结系多为桁架式(图8-21)。可按支承在闸门两侧边梁上的 简支平面(当主梁高度改变时为折面)桁架计算。 闸门的自重G可根据闸门的重心位臵按杠杆原理分配给上下游面的面 板和纵向联结系。然后再将分配来的竖向荷载( G1=G×c1/h)均匀地 分到桁架节点上P1=G1/n。从而计算各个杆件内力并选择杆件截面。 纵向连接系计算简图 五、边梁设计 支承边梁是位于闸门两边并支承在滑块或 滚轮等行走支承上的竖向梁。其主要承受由 主梁等水平梁传来的水压力产生的弯矩,以 及由纵向联结系和吊耳传来的门重和启闭力 等竖向力产生的拉力或压力。 边梁的工作状态为:当闸门关闭挡水时为 压弯构件;当闸门开启时为拉弯构件。 边梁的截面尺寸通常按构造要求确定,然后进行强 度计算。如图所示,边梁的截面高度与主梁的端部 截面高度相同,腹板厚度为8-14mm,翼缘厚度应比 腹板加厚2-6mm;单腹式边梁的下翼缘一般由布臵 滑块或滚轮的要求决定,不宜小于 200-300mm;双 腹式边梁常用两块下翼缘,每条下翼缘可分别采用 宽度为100-200mm的扁钢做成。两块腹板之间的距 离不宜太小,以便于腹板施焊和安装滚轮,不应小 于300-400mm。 第四节 一、行走支承 (一)胶木滑道 平面钢闸门的零部件设计 (二)滚轮支承 悬臂轮 简支轮 偏心轴 (三)平面钢闸门的导向装置------侧轮和反轮 平面闸门的侧轮及反轮 二、 止水装置 顶止水 橡皮止水构造 (a)条形底止水 (b)P形侧止水 吊耳的构造 轨道形式 滚轮的轨道受力图 止水座形式 (a)侧止水底座 (b)底止水 底座

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