第七章平面钢闸门 闸门----水工建筑物的重要组成局部之一，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。 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 部位及构造形式等加以分类。 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。 露顶式闸门 潜孔式闸门 3、按闸门的构造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。 根据门叶构造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、闸门构造设计的根本要求 1、闸门构造的计算方法 ?水利水电工程钢闸门设计标准?〔SL74-95〕规 定钢闸门构造采用容许应力法进展构造验算 2、构造分析方法 ⑴按平面体系设计法：可采用手算，简单易行，但不 太准确。 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 第二节平面钢闸门的组成和构造布置 一、平面钢闸门的组成 门叶构造:用来封闭和开启孔口 的活动挡水构造 埋固构件:埋臵在土建构造中， 把门叶的荷载传递给土建构造 启闭机械:控制门叶在孔口中的 位臵 〔一〕门叶构造的组成:承重构造、行走支承、止水、吊具 1、平面钢闸门的门叶构造 平面钢闸门的门叶构造，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，这样可以防止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，承受闸门局部自重和 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 载平安地传递给闸墩，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〕装置三局部。 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。 行走支承的类型 (a)滑道式(b)滚轮式 〔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 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 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?〔金属构造●二〕的 介绍。 二、平面钢闸门的构造布置 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 进展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 一样，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。局部利用水柱闭 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： 潜孔式闸门： 式中a---水面至门顶止水的距离； ])1k(k[ n3 H2 y 5.15.1 k  ])1mk()mk[( mn3 H2 y 5.15.1 k   22 2 aH na m   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。 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外表齐平， 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，而竖立次梁那 么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。 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 第三节 平面钢闸门的构造设计 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 到达所用钢材的屈服点fy时，面板仍然能继续承受荷载。 试验说明，当荷载增加到设计荷载 〔A点屈服时〕的〔3.5~4.5〕倍时， 面板跨中局部才进入弹塑性阶段。 因此，在强度计算中，容许面板在顶峰应力〔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， 面板的应力由两局部组成：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 ] [ t / a p k 6 / t 1 M 2 2 2 max max          ] [ kp a t     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〕 四边固定支承面板 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。 板的边界条件： 钢面板厚度的计算需与水平次梁间距的布置同时进展，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，那么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，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： 式中 σmy= ky ·p a2/ t2 ；σmx=μ·σmy；μ= ] [ 1 . 1 ) ( ) ( x 0 mx my 2 x 0 mx 2 my zh               ⑵当面板的边长比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： ] [ 1 . 1 ) ( ) ( xB 0 mx my 2 xB 0 mx 2 my zh             〔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： 式中σmax ---厚度为t的面板中的最大弯应力，σmax 可取[σ]。 max 07 . 0  t N t  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： I VS T 2  ]) [ 7 . 0 /( T N h w f 2 2 t 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。 ) / N ) / N mm p a q mm p a q （ （ 下 下 下 上 上 上   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，那么水平次梁所受的均布荷载为： q=p〔a上+a下〕/2 〔N/mm〕 竖立次梁那么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，选适宜型钢。 ] w [ EI 100 ql w ] [ t I S V ] [ W M 4 max w min max              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 ⑶截面验算 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： 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： y l f 235 t 30 2 b B   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，那么宜采用桁架式主梁。 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。 • 当主梁按等荷载原那么布置时，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 • L=L0+2d • L0----闸门的孔口宽度， 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，还需承受一局部闸门自 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。 0 0 1 5 2 min 6 1 ) ( 5 . 3 / 1 . 3 ] [ ] [ 23 . 0 96 . 0 h t h W A mm h t W h L w E L h w w ec          9 . 0 / max M W ⑵当主梁直接与面板相连时，局部面板可兼作主梁上〔前〕翼 缘的一局部参加其抗弯工作。面板的有效宽度取以下两式的较 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。 y l f 235 t 30 2 b B   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。 横向隔板的计算简图 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一样，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置；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，然后进展强 度计算。如下图，边梁的截面高度与主梁的端部截 面高度一样，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 平面钢闸门的零部件设计 一、行走支承 〔一〕胶木滑道 〔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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