第七章 船闸的闸门和阀门

1、主横梁 2、竖立次梁 3、斜接柱 4、门轴柱 5、背斜杆
一、门扇的基本尺度
1、门扇长度 门扇的计算长 度 是门扇支垫块 的支承面到两扇门 互相支承的斜接面 的距离。其值可按 下式计算：
ln Bk 2c 2 cos
ln
式中： B k ——闸首口门宽度，m； c ——由门扇支垫块与枕垫块支承面至门龛外缘的距离，m， 一般取为 c ( 0 . 05 ~ 0 . 07 ) B k ；
常用闸、阀门型式： 人字门； 平板门（升降、横拉式）； 三角门； 反向弧形阀门； 门上小门等。
1 、人字闸门
平面形状：分平面和拱形人字门； 门扇结构和梁格布置：分为横梁式和立柱式。 横梁式受力明确，结构刚度大，制造安装方便，应 用广泛。
2、平面闸门
（1） 升降式 根据不同水位差和闸首布置情况，闸门可以布 置成下降式或提升式。
图7-4
主横梁的布置可按下述步骤进行： （1）沿门高绘出水压力图形及其累积曲线； （2）将累积曲线的底横坐标（即闸门所受的总水压 力），划分为（n-1）等分，这些等分点在累积曲线上 对应的纵坐标点即为主横梁位置； 如果求得的主横梁的间距过大或过小，可增加或减小 n值，反复进行直到符合梁格布置要求为止。
η ——考虑整体弯、压应力影响的系数，其值可查有关规范。
3、主横梁设计
在横梁式人字闸门中，主横梁为一偏心受压构件 （图7-5），作用在主横梁上的荷载，除由面板传来的 水压力以外，还有次梁传来的集中力。在设计中，通 常将次梁传来的集中荷载和面板传来的均布荷载合并 为均布力q计算。
图7-5
主横梁受力（1）——承受的均布荷载：
计算背斜杆假定： （1）背斜杆DB按上端支承在顶横梁上，下端支承在底枢上 的简支梁计算； （2）另一背斜杆的上端为A,下端支点为E，背斜杆AC按一 带的悬臂梁计算。悬臂端承受有斜接柱CD与底横梁BC 传来的荷载； （3）作用在门扇上的全部荷载平均分配给两组背斜杆，各 承受总荷载的一半。
图7-8 背斜杆计算图示
4、转轴中心的确定
人字闸门顶枢与底 枢中心连接线在平面 上的投影位置，称为 闸门转动轴的中心。
确定转轴中心位置的原则是： 闸门关闭时，支垫块与枕垫块有良好的接触条件， 以传递主横梁的反力； 闸门开启时，能立即脱开，以减少摩擦阻力，并保 证门扇完全隐入门龛内，且留有10cm～20cm的富 裕量。
2、面板的设计
计算闸门面板时，可将面板作为矩形薄板的局部弯 曲应力（即面板受水压力后产生应力）与面板参予主 （次）梁翼缘工作的整体弯应力相叠加。对于人字闸 门尚应再同面板与主、次梁共同承受的整体轴向压应 力相叠加。 钢面板的局部弯曲应力，应根据支承边界情况，按 承受均布荷载的四边固定（或三边固定一边简支）的 弹性簿板进行计算。初选面板厚度δ时，可按下式计算：
a
K y q
[ ]
（7-4）
式中：δ ——面板厚度，mm； ky——弹性簿板支承长边中点的弯应力系数，其值可查 有关规范；
α——弹塑性调整系数，b/a＞3时，α＝1.5 ；
b/a≤3时，α＝1.65。 q——面板计算区格中心的水压力强度，N/mm2 ； a、b ——面板计算区格短边和长边的长度，mm； [σ]——钢材料的容许弯应力，N/mm2；
（图7－17）斜接柱侧止水
（2）底止水
门底止水多采用橡皮止水。利用固定橡皮止水钢板 上的椭园孔，调整止水位置，利用橡皮衬垫调整止水 高度。
3、门扇高度
门扇高度是指闸门面 板底至顶的距离，其值 可按下式计算：
h H hk k m
（7-2）
式中： H——上游设计最高水位与上游最低通航水位之间的
水位差（上闸首闸门），m； hk——门槛水深， m； k——闸门面板顶在上游设计最高水位上的超高，一般 取为（0.2～0.5）m； m——闸门面板底与门槛顶的距离，通常取（0.15～ 0.25）m，当闸门关闭，门底止水位于门槛侧面时取正 值，在门槛顶面时取负值。
6、支、枕垫块（块式）
7、顶枢和底枢
为人字门上下端 的支承装置枢，作 用是保证门扇能绕 垂直轴转动； 三角形顶枢图
活 动 式 底 枢 图
(1)
活 动 式 底 枢 图
(2)
8、止水装置
人字闸门的止水:
侧止水、底止水，侧止水（即门轴柱处侧止水和
斜接柱）。
图7-16
门轴柱处侧止水
（1）门侧止水
q=Υhb 式中：H——上、下游水位差，cm； b——主横梁的间距，cm； Υ ——水的重度。 （7-5）

（2）轴向压力N0 和作用在梁端的水压力 N1，轴向 压力N0可按三铰拱的计算图式求得。当闸门关闭时， 作用在主横梁上的反力RA和RB为：
RA RB ql n 2 sin


（7-6）
1、支承端板，2、加劲板，3、推力隔板， 4、中间隔板，5、上翼缘，6、下翼缘
封闭式
开敞式
门轴柱应进行强度验算，方法视支承条件： （1）采用支、枕垫块的门轴柱——按简支在主横梁上 的偏心受压杆件验算； （2）采用连续支垫时，门轴柱可按连续梁验算整体强 度。 。
5、背斜杆的设计
背斜杆作用：提高门扇的抗扭刚度，减小扭曲变形。
第七章 船闸的闸门和阀门
第一节
荷载
作用在船闸的闸门和阀门上的荷载主要有两大类： 设计荷载 校核荷载
一、设计荷载
（1）闸、阀门自重； （2）门上固定设备的重量； （3）静水荷载（包括浮托力）； （4）动水荷载； （5）风荷载； （6）波浪作用力； （7）工作桥上的荷载； （8）泥沙荷载； （9）启闭力； （10）闸门运转时的水阻力及其它荷载。
2、动水荷载
闸、阀门上的设计动水荷载，在没有实验资料的 情况下，可按下述规定计算： 门上设输水阀门的闸门，局部开启输水的闸门、 门顶过水的闸门以及事故门的设计动水荷载，视级 别、水流条件及门形等因素，取为设计静水荷载乘 以1.0～1.2的动力系数。 廊道输水系统工作阀门的设计动水荷载，取设计 静水荷载乘以压力系数和动力系数（p 152）。
构造要求：
（1）底、顶横梁必须布置在门扇的边缘，构成顶枢梁和底 枢梁。
（2）若顶横梁和第二根主横梁的间距过大，可在其间增加 一根主横梁，这是由于闸门顶部安设有启闭机械的传动拉杆， 并可能承受船舶撞击，通常仍采用和其他主梁相同的截面高 度以加强其刚度。 立柱式人字闸门的竖梁，通常按等间距布置，竖梁间距 一般为1.5m～3.0m。其值与门扇跨度及水头的大小有关。 在确定时，还应考虑次梁布置和面板的厚度。
二、门扇结构主要构件的计算
1、梁格布置 在横梁式人字闸门中，主横梁一般按等荷载原则布 置，其间距应考虑支承运转件布置的要求。主横梁数 可按下式确定：
1 （7-3） 2b 式中： H ——上、下游水位差； h2——在相应的设计水位组合时下游水位以下的门高； b——闸门下部的主横梁间距（水压力确定）。 n H 2 h2
在中、小型船闸，通常采用在门轴柱下游上设置橡 皮止水。当闸门关闭时，由于水压力的作用，橡皮止 贴紧于边墩上的预埋构件（角钢或槽钢）。为了保证 闸门关，闭时不致因门侧止水与边墩抵住而影响门扇 斜接柱的紧密接触，门侧止水应具有活动性。图7-17 的所示为斜接柱处侧止水。 采用连续式支、枕垫块可兼作侧止水（又称钢止 水）。

主横梁一般均采用实腹式工字形截面。 为了减少主横梁所受的弯矩，通常是将主横梁在上 游面作成折线形（图7-6a），并将主梁的截面制作成 不对称，使截面重心偏上游（图7-6b），以加大轴向 力的偏心距。当轴向力N0及轴向水压力N1对截面重心 的偏心距分别为e0、e1时，总的轴向力的偏心距e可按 下式计算：
——闸门关闭时门扇轴线与闸室横轴线交角（°） ，我国所
建 船 闸 一 般 选 用 22 . 5 ， 也 可 采 用 20 ° 或 18 ° 26 ˊ
0
（ arctan 1 / 3 ） ；对于拱形人字闸门可在 25°～30°选用。
2、门扇厚度

门扇厚度是指主横梁高度，一般根据门扇高度，宽 度及荷载情况，在（1/8～1/10）l n 之间选用。
（2）垂直提升阀门
（3） 横拉闸门
3、 三角闸门
国外三角闸门的挡水面多做成圆弧形，因此亦称扇 形闸门。常用于低水头头部输水的船闸和承受双向水 头的中小型
横梁式人字闸门
横梁式人字闸门的门扇结构——面板、主横梁、
次梁、门轴柱和斜接柱及背斜杆等组成。
主横梁是主要的受力构件，在主横梁间布置竖立次 梁。水压力由面板和次梁传给主横梁，然后由主横梁 通过斜接柱和门轴柱上的支垫块和枕垫块形成三铰拱 而传至闸首边墩。
e N o e 0 N 1 e1 N
（7-9）
图7-6

主横梁所承受的弯矩由两部分组成，即由水压力产生 的弯矩Mp及由轴向力产生的弯矩N· e： （7-10） M M N e
P

（7-11） 在初步估计时，e值可取 e 0 . 45 ~ 0 . 55 h 为，其中，h为 主横梁的高度。求得M及N 后，可按偏心受压构件验 算主横梁强度。
6、支、枕垫块（连续式）
人字闸门的水平支承由斜接柱与门轴柱的支垫 块和枕垫块组成，分连续式（7－9）和块式（7－10） 两种。 连续式——在斜接柱处，支、枕垫块平面接触， 在门轴柱采用弧面接触。特点是结构比较简单。 块式——与主横梁对应布置，支、枕垫块分别 做成弧面和和平面，采用线接触。特点是调整工作 量小，受力明确，但需要设置侧止水。
轴向压力为：
N o R A cos ql n 2 tg
（7-7）
轴向压力 N0 与作用在梁端的水压力 N1 叠加，总轴向力为：
N N o N1 ql n 2 tg q ( t t1 )
（7-8）
式中： N——作用在主横梁上的轴向力； N1——作用在梁端的水压力； q——作用在主横梁上的均布荷载，N/cm； θ ——关门位置时门扇轴线与船闸横轴线的交角， （°） ； t——门扇厚度，cm； t1——门侧止水线至主横梁下翼缘的距离，cm。
3、波浪压力
闸门所受的波浪压力的计算，可参考第六章第一节 的荷载计算（p114）。
4、船舶撞击力
设计船队在2000t以下船闸，闸门设计不考虑船舶 撞击力的作用。经过论证，设置有防撞设备的船闸， 亦可不考虑船舶撞击力的作用。 2000t～4000t的船闸，船舶撞击力可按300kN 计算。
门型选择
二、校核荷载
（1）校核水位下的静水荷载； （2）船舶撞击力； （3）闸（阀）门安装时产生的荷载及试验荷载。
1、静水荷载
工作闸门最大水位组合：上游校核洪水位～下游最低
通航水位。
事故闸门：上游为最高设计水位～闸室无水。 检修闸、阀门：迎水面为检修最高水位～闸室无水。 工作闸门、阀门的校核静水荷载：上游为非常洪水 位或其他最高水位～下游为相应的低水位。
转轴中心o位置确定方法（几何）：
（1）绘出闸门关闭时的门扇轴线、轮廊线以及支垫块与 枕垫块支承面的法线，即反力RA的作用线（与门扇轴线成θ 角）；
（2）绘出闸门全开时的门扇轴线，此轴线的位置可以从 闸墙边缘按门扇完全隐于门龛中并保持10cm～20cm的余 隙而求得； （3）从两个门扇轴线的交点 O上作其相应补角的等分角 线； （4）将反力RA作用线向上游平行移动4cm～10cm与补 角等分角线交于o，则点o即为转轴位置。这样当门扇开启 时，支垫块易于离开枕垫块，而当关门的最后瞬间两者才互 相接触而抵紧。
M
P

1 8
q ln
2
主横梁尚应进行挠度验算，且最大挠度值与主横梁 计算长度之比不应超过1/750～1/600，以满足门扇 的刚度要求。挠度计算公式参见船闸设计规范。
4、斜接柱与门轴柱
作用： （1）连接主横梁和端部，构成门扇的两个边框，使之有 足够的刚度； （2）（斜接柱）传递主横梁反力。 斜接柱与门轴柱的构造形式相同，截面分封闭式和 开敞式两种。 封闭式——优点：抗扭刚度大；缺点：支撑块制造、安 装较困难。适用于支枕块的人字门。 开敞式——优点：支撑块制造、安装较容易；但需与预 应力背斜杆和连续支、枕块配合使用。