水工钢结构第七章平面钢闸门

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。
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。
门叶结构: 用来封闭和开启孔口的 活动挡水结构 埋固构件: 埋置在土建结构中，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 置
（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。
z h 2 m ( y m x 0 x ) 2 m ( y m x 0 x ) 1 .1 [ ]
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：
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。
z h 2 m ( y m x 0 x)2 B m ( y m x 0 x)B 1 .1 [ ]
（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：
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：
（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 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
（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
布置内容：确定闸门上需要设置的构件、每种构件需要的 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。
Nt 0.07tmax
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： T VS 2I
hf N2 t T2/(0.7[fw])
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。
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;
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
max 1 M tm 2/6a xkpa2/t2 []
t a kp []
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)
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
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。
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。
• 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。
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
（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。
• 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，然后通过设置在边梁上 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。
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置应对称于静水压力合力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。
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，
双主梁闸门的主梁布置图
多主梁式闸门的主梁位置: 按主梁的数目分成面积相等的几 等份，然后将主梁布置在各等分面积的形心处。
露顶门：
yk
2H[k1.5(k1)1.5] 3n
潜孔式闸门：
y k32 n H m [k (m )1 .5 a---水面至门顶止水的距离；
m na2 H2 a2
（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
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