水工钢结构 第八章 平面钢闸门

（二）面板参加主（次）梁整体弯曲时的强度计算 面板参加主（ 在初步选定面板厚度，并在主（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（图810（b）），只需按下式验算面板A点在上游面 点在上游面的折算应力： 点在上游面 （8-4） σ zh = σ 2 + (σ mx − σ 0 x ) 2 − σ my (σ mx − σ 0 x ) ≤ 1.1α[σ] my 式中 σmy= ky ·p a2/ t2 解见讲义内容。 σmx=µ·σmy，µ=0.3；其余符号极其注
k
3 n
对于潜孔式闸门（图8-5b）有
yk = 2H 3 n+m [(k + m)1.5 − (k + m − 1)1.5 ]
பைடு நூலகம்
（8-2）
式中
m=
na H2 − a2
2
a---水面至门顶止水的距离。
（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。闸门的梁格布置可分为以下三种型式。 ⑴简式梁格 （图8-6a）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（图8-6b） 由水平主梁、竖立次梁和边梁组成。 普通式梁格 ⑶复式梁格（图8-6c）由水平主梁、竖立次梁、水平次梁和边 复式梁格 梁组成。 普通式梁格和复式梁格的面板均为四边支承板。
第八章 平面钢闸门
第一节
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、事故闸门、检修闸门和施工期导流闸门。 2、按闸门设置的部位可分为： ⑴ 露顶式闸门：设置在开敞式泄水孔口，当闸门关闭孔口挡 水时，其门叶顶部高于挡水水位，并需设置三边止水。 ⑵ 潜孔式闸门：设置在潜没式泄水孔口，当闸门关闭孔口挡 水式，其门叶顶部低于挡水水位，需要设置顶部、两侧和底缘 四边止水。 3、按闸门的结构型式和构造特征可分为： ⑴平面形门叶钢闸门：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
概述
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。 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（如正向弧形闸门、反向弧形闸门和下沉式弧形闸门）和 绕竖轴转动的立轴式弧形闸门（如船闸中的三角门）等。
（二） 埋固构件
平面闸门的固定埋设部件一般包括：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。 闸门挡水时所受的水压力在闸门上的传力路径： 闸门挡水时所受的水压力在闸门上的传力路径： 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
2、行走支承
平面钢闸门的行走支承（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）装置三部分。 3、止水 系为了防止闸门漏水而固定在门叶周边的橡胶止水。 4、吊具 系用来连接闸门启闭机的牵引构件。
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。（图8-3、图 8-4），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。（见图8-3）。 如图8-4， 双主梁式闸门的主梁位置应对称于静水压力合 P 力P的作用线，在满足上述底缘布置要求的前提下，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。
⑶横向联结系（又称竖向联结系） 布置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） 布置在闸门 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（当闸门承受反向水头时，主梁下翼缘受压）。
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 点下游面 验算B点下游面 验算 点下游面在同号平 面（压）应力状态下的折算应力强度： （8-5） σ = σ 2 + (σ + σ ) 2 − σ (σ + σ ) ≤ 1.1α[σ]
σ max M max = = k ⋅ p ⋅ a 2 / t 2 ≤ α[σ] 1× t 2 / 6
t ≥a⋅ kp α[σ]
（8-3）
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） 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。 钢面板厚度的计算需与水平次梁间距的布置同时进行。 因钢面板的重量占闸门总重量的比例较大，为节约钢材，钢面 板宜选用较薄的钢板，但考虑锈蚀余量要求，一般不应小于 6mm，通常可取（8~16）mm。
平面钢闸门的工程实例
平面链轮式钢闸门
人字形钢闸门的工程实例
弧形钢闸门的工程实例
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
平面钢闸门是由活动的门叶结构、埋固构件和启闭机械三 部分组成。 （一）门叶结构的组成 门叶结构是用来封闭和开启孔口的活动挡水结构。由门叶承 重结构、行走支承以及止水和吊具等组成。 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。 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（水平次梁（包括顶、底次梁）、 竖立次梁、主梁和边梁等）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，然后通过设置在边梁上的行走 支承把闸门上的水压力传给闸墩。
（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，由于 主（次）梁的截面尚未确定，面板参与主（次）梁的整体弯 应力尚未求得，故面板的厚度可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（如图8-9所示）
第三节 平面钢闸门的结构设计
一、钢面板的设计
面板的工作情况及承载能力： 面板的工作情况及承载能力： 对于四边固定支承的面板（图8-9），根据理论分析和实验 研究，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，面板的承载 能力还远远没有耗尽，随着荷载的增加，支承边上其它各点的 弯矩都随之增加，而使面板上、下游面逐步达到屈服点，此时， 面板仍然能够承受继续增大的荷载。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。这说明面板在 使用过程中有很大的强度储备。 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。
（四）边梁的布置
边梁的截面型式有单腹式（图8-8a）和双腹式（图8-8b）两种。 单腹式边梁构造简单， 单腹式边梁 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 双腹式边梁 度大，也便于设置滚轮 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。
应熟悉闸门结构的传力路径， 应熟悉闸门结构的传力路径，以掌握闸门各种构件的 受力情况并能正确确定各承重构件的计算简图。 受力情况并能正确确定各承重构件的计算简图。 （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。
本章主要介绍直升式平面钢闸门。 二、闸门的型式和孔口尺寸 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）分析，较合理。
多主梁式闸门的主梁位置，可根据各主梁等荷载的原则确 定。具体做法有图解法和数解法两种。下面按数解法进行介绍。 假定水面至门底的距离为H，主梁的数目为n，第k（k=1， 2，…，n）根主梁至水面的距离为yk，对于露顶门（图8-5a） 2 H 1. 5 有 （8-1） y = [k − (k − 1)1.5 ]
二、平面钢闸门的结构布置
布置内容：确定闸门上需要设置的构件、每种构件需要的 布置内容： 数目以及每个构件的所在位置。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）主梁的布置 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、主梁的位置 主梁位置的确定应考虑下列因素： ⑴主梁宜按等荷载要求布置，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置的要求； ⑷ 底主梁到底止水距离应符合底缘布置的要求。
（三）梁格连接型式 如图8-7所示，梁格的连接型式有如下三种型式。 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。 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。