闸门设计课程

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— finite element method）分析，较合理。
yk 2H 1.5 [k (k 1)1.5 ] 3 n
潜孔式闸门：
yk
2H 3 nm
[(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
（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。
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。
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

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。
（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：
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
一 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。
（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。
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。
（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）
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的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。
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。
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：
（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的倾角不应小于30。，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。。
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、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。
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。
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
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
二 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、平面钢闸门的承重结构 平面钢闸门的承重结构，一般由钢面板、梁格及纵、 横向联结系组成。

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。
主轨道
混凝土闸墩
（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。
max
M max k p a 2 / t 2 [] 2 1 t / 6
t a kp []
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),
直升式
横拉式
人字门
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
本章主要介绍直升式平面钢闸门。
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。
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。
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。
三 平面钢闸门的结构设计
一 二 三 四 五 钢面板的设计 次梁的设计 主梁的设计 横向连结系和纵向连结系的设计 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。
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 （图8-11），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、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。