閘門設計

1、平面鋼閘門,一 概述二 平面鋼閘門的組成和結構布置三 平面鋼閘門的結構設計四 平面鋼閘門的零部件設計五 平面鋼閘門的埋設部件六 水工鋼閘門課程設計,,閘門——水工建筑物的重要組成部分之一，它的作用是用于封閉水工建筑物的孔口，并能夠按照需要全部或者局部開放這些孔口，以調(diào)節(jié)上下游水位，泄放流量，放運船只，排除沉沙，冰塊及其他漂浮物。,一 概述,,一 閘門的類型 閘門的類型較多，一般可按閘門的工作性質(zhì)、設置部位及結構形式等加以

2、分類。,1 按閘門的工作性質(zhì)可分為：,工作閘門：正常運行時使用的閘門，一般在動水條 件下操作。 事故閘門：在發(fā)生事故時，能夠在動水中關閉，事 故消除后在靜水中開啟。 檢修閘門：用于檢修期間擋水的閘門，在靜水中啟閉。 施工期導流閘門：用于封閉施工導流孔的閘門，一般 在動水中關閉。,,2、按閘門設置的部位可分為： ⑴ 露頂式閘門：設置在開敞式泄水孔口

3、，當閘門關閉孔口擋水時，其門葉頂部高于擋水水位，并需設置三邊止水。 ⑵ 潛孔式閘門：設置在潛沒式泄水孔口，當閘門關閉孔口擋水式，其門葉頂部低于擋水水位，需要設置頂部、兩側(cè)和底緣四邊止水。,露頂式閘門,潛孔式閘門,3、按閘門的結構型式和構造特征可分為： ⑴平面門葉鋼閘門：系指擋水面板形狀為平面的一類鋼閘門。 根據(jù)門葉結構的運移方式又可分為：直升式平面閘門、升臥式平面閘門、橫拉式平面閘門（船閘中采用）、繞豎軸轉(zhuǎn)動的平面形閘門（如船閘中

4、的人字門和一字門）及繞橫軸轉(zhuǎn)動的平面形閘門（如翻版閘門、舌瓣閘門和蓋板閘門）等。,直升式,橫拉式,人字門,⑵弧形閘門：系指擋水面板形狀為圓弧形的一類鋼閘門。又可分為繞橫軸轉(zhuǎn)動的弧形閘門、繞豎軸轉(zhuǎn)動的立軸式弧形閘門等。,本章主要介紹直升式平面鋼閘門。,橫軸式,豎軸式,二、閘門型式的選擇和孔口尺寸的確定,閘門型式的選擇,(1)閘門應滿足建筑物的各項運行要求；(2)閘門的材料應符合當時當?shù)氐墓獥l件；(3)閘門的水力條件要好，泄流能力要滿

5、足要求，無振無蝕(4)閘門的結構要簡單，便于制造安裝；(5)閘門的啟閉力要小，操作要簡便靈活，(6)閉門要便于檢修維護；(7)閘門的止水性能要好，漏水量要??；(8)閘門的重量要輕，造價要低等。,孔口尺寸的確定：主要是滿足使用要求,三、閘門結構設計的基本要求 1、閘門結構的計算方法 《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》（SL74-95）規(guī)定鋼閘門結構采用容許應力法進行結構驗算2、結構分析方法 ⑴ 按平面

6、體系設計法：可采用手算，簡單易行，但不太精確。 ⑵按空間體系設計法：可采用有限元法（FEM—finite element method）分析，較合理。,平面鋼閘門的工程實例,,,,平面鏈輪式鋼閘門,人字形鋼閘門,弧形鋼閘門,二 平面鋼閘門的組成和結構布置,一、平面鋼閘門的組成,門葉結構: 用來封閉和開啟孔口的活動擋水結構 埋固構件: 埋置在土建結構中，把門葉的荷載傳遞給土建結構 啟閉機械: 控制門葉在孔口中的位置,（一）門

7、葉結構的組成: 承重結構、行走支承、止水、吊具,1、平面鋼閘門的承重結構 平面鋼閘門的承重結構，一般由鋼面板、梁格及縱、橫向聯(lián)結系組成。,⑴面板 是用來擋水，直接承受水壓并傳給梁格。面板通常設在閘門的上游面，這樣可以避免梁格和行走支承浸沒于水中而積聚污物，也可以減小因門底過水而產(chǎn)生的振動。 ⑵梁格 由互相正交的梁系（主梁、邊梁、水平次梁、豎立次梁等）所組成，用來支承面板并將面板傳來的全部水壓力傳給支承邊梁，然后通過設置在邊梁

8、上的行走支承把閘門上的水壓力傳給閘墩。,,⑶橫向聯(lián)結系（又稱豎向聯(lián)結系） 布置在垂直于閘門跨度方向的豎直平面內(nèi)，以保證閘門橫截面的剛度 ，使門頂和門底不致產(chǎn)生過大的變形。其主要承受由頂梁、底梁和水平次梁傳來的水壓力并傳給主梁。其形式主要有實腹隔板式和桁架式。 ⑷縱向聯(lián)結系（又稱門背聯(lián)結系或起重桁架） 布置在閘門下游面主梁（或主桁架）的下翼緣（或下弦桿）之間的縱向豎直平面內(nèi)，承受閘門部分自重和其它豎向荷載，并可增強

9、閘門縱向豎平面的剛度；當閘門受雙向水頭時還能保證主梁的整體穩(wěn)定性。,,,2、行走支承（又稱支承移動部件） 應保證既能將閘門所受的全部水平荷載安全地傳遞給閘墩，又應保證閘門能沿門槽上下順利移動，并減小閘門移動時的摩擦阻力。 行走支承包括主行走支承（主輪或主滑塊）、側(cè)向支承（側(cè)輪）及反向支承（反輪）裝置三部分。,3、止水 為了防止閘門漏水而固定在門葉周邊的橡膠止水。 4、吊具 用來連接閘門啟閉機的牽引構件。,（二

10、） 埋固構件⑴ 主輪或主滑道的軌道，簡稱主軌；⑵ 側(cè)輪和反輪的軌道，簡稱側(cè)軌和反軌；⑶ 止水埋件，頂止水埋件簡稱門楣，底止水埋件簡稱底坎；⑷ 門槽護角、護面和底檻，用以保護混凝土不受漂浮物的撞擊、泥砂磨損和氣蝕剝落。,（三）閘門的啟閉機械 常用的閘門啟閉機有卷揚式、螺桿式和液壓式三種。它們又可分為固定式和移動式兩類。啟閉機的型號和選用詳見《水電站機電設計手冊》（金屬結構●二）的介紹。,二、平面鋼閘門的結構布置,（一）主梁

11、的布置 1 主梁的數(shù)目 主梁是閘門的主要承重部件。主梁的數(shù)目主要取決于閘門的尺寸和水頭的大小。平面閘門按主梁的數(shù)目可分為雙主梁式和多主梁式。 建議當閘門的跨高比L/H≥1.2時，采用雙主梁； 而當閘門的跨高比L/H≤1.0時，采用多主梁。在大跨度的露頂式閘門中常采用雙主梁。,布置內(nèi)容：確定閘門上需要設置的構件、每種構件需要的數(shù)目以及每個構件的所在位置。應統(tǒng)籌考慮、全面安排并進行必要的方

12、案比較后最終確定。,2、主梁的位置 ⑴ 主梁宜按等荷載要求布置，可使每根主梁所需的截面尺寸 相同，便于制造； ⑵ 主梁間距應適應制造、運輸和安裝的條件； ⑶ 主梁間距應滿足行走支承布置的要求； ⑷ 底主梁到底止水距離應符合底緣布置的要求。,,對于實腹式主梁的工作閘門和事故閘門，一般應使底主梁的下翼緣到底止水邊緣連線的傾角不應小于30。，以免啟門時水流沖擊底主梁和在底主梁下方產(chǎn)生負壓，而導致閘門振動;

13、 當閘門支承在非水平底檻上時，該角度可適當增減，當不能滿足30。要求時，應對門底部采取補氣措施。部分利用水柱閉門的平面閘門，其上游傾角不應小于45。，宜采用60。。,雙主梁式閘門的主梁位置應對稱于靜水壓力合力P的作用線，在滿足上述底緣布置要求的前提下，兩主梁的間距b宜盡量大些，并注意上主梁到門頂?shù)木嚯xC不宜太大，一般不超過0.45H，且不宜大于3.6米。,多主梁式閘門的主梁位置: 按主梁的數(shù)目分成面積相等的幾等份，然后將主梁布置在各等

14、分面積的形心處。露頂門： 潛孔式閘門： 式中 a---水面至門頂止水的距離；,（二）梁格的布置型式梁格的布置應考慮鋼面板厚度的經(jīng)濟合理性和梁格制造省工等要求，盡量使面板各區(qū)格的計算厚度接近相等，并使面板和梁格的總用鋼量最少。⑴簡式梁格

15、 在主梁之間不設次梁，面板直接支承在主梁上，面板上的水壓力直接通過主梁傳給兩側(cè)的邊梁。⑵普通式梁格 由水平主梁、豎立次梁和邊梁組成。 ⑶復式梁格 由水平主梁、豎立次梁、水平次梁和邊梁組成。,（三）梁格連接型式 ⑴齊平連接 即水平次梁、豎立次梁和主梁的前翼緣表面齊平，都直接與面板相連，又稱為等高連接。 ⑵降低連接 即主梁和水平次梁直接與面板相連，而豎立次梁則離開面板降低到水平次梁下游，這樣水平次梁可以在面板與豎立次梁間穿

16、過而成為連續(xù)梁。,⑶層疊連接 即水平次梁和豎立次梁直接與面板相連，主梁放在豎立次梁后面。由于該連接型式使得閘門的整體剛度和抗振性能有所削弱，且增大了閘門的總厚度，故在平面閘門中現(xiàn)已很少采用,（四）邊梁的布置,,單腹式邊梁 構造簡單，便于與主梁相連接，但抗扭剛度差，這對于閘門因彎曲變形、溫度脹縮及其它力作用而在邊梁中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的情況是不利的。單腹式邊梁主要用于滑道式支承的閘門。 雙腹式邊梁的抗扭剛度大，也便于設置滾輪和吊軸，但構造

17、復雜且用鋼量較多，截面內(nèi)部的焊接也較困難。雙腹式邊梁廣泛用于定輪閘門中。,一 鋼面板的設計 次梁的設計 主梁的設計 橫向連結系和縱向連結系的設計 邊梁的設計,三 平面鋼閘門的結構設計,一、鋼面板的設計 面板的工作情況及承載能力： 對于四邊固定支承的面板，在均布荷載作用下最大彎矩出現(xiàn)在面板支承長邊的中點A處。但是當該點的應力達到所用鋼材的屈服點fy時，面板仍然能繼續(xù)承受荷載。,試驗表明，當荷載增加到設計荷載（A點屈服時）的

18、（3.5~4.5）倍時，面板跨中部分才進入彈塑性階段。,因此，在強度計算中，容許面板在高峰應力（點A）附近的局部小范圍進入彈塑性階段工作，故可將面板的容許應力[σ]乘以大于1的彈塑性調(diào)整系數(shù)α予以提高。,（一）初選面板厚度 t 鋼面板是支承在梁格上的彈性薄板，在靜水壓力作用下，面板的應力由兩部分組成：一是局部彎曲應力，即矩形薄板本身的彎曲應力；二是整體彎曲應力，即面板兼作主（次）梁翼緣參與梁系彎曲的整體彎應力。 初

19、選面板厚度時，先按面板支承長邊中點A的最大局部彎曲應力強度條件初步計算。,式中，k— 彈性薄板支承長邊 中點（A點）的彎應力系數(shù)。 p –—面板計算區(qū)格中心的水壓力強度p=γhg=0.0098h (MPa); h — 區(qū)格中心的水頭,(m),a, b —面板計算區(qū)格的短邊和長邊的長度(mm), 從面板與主 (次)梁的連接焊縫算起; α —彈塑性

20、調(diào)整系數(shù),當b/a≤3時,α=1.5; 當b/a＞3時,α=1.4。 [σ] —鋼材的抗彎容許應力（Mpa）,對于普通式和復式梁格支承的面板的支承情況實際上為雙向連續(xù)板。根據(jù)試驗研究，面板的中間區(qū)格在水壓力作用下，其在各支承邊上的傾角均接近于零，故為簡化計算，中間區(qū)格可當作四邊固定板計算。 對于頂、底梁截面比較小的頂、底部區(qū)格，因面板在剛度較小的頂梁和底梁處會產(chǎn)生較大的傾角，接近于簡支邊，故頂、底區(qū)格按三邊固定另一邊（頂或

21、底邊）簡支的矩形板計算。,板的邊界條件：,鋼面板厚度的計算需與水平次梁間距的布置同時進行，最終應使各區(qū)格之間板厚大致相等。鋼面板宜選用較薄的鋼板，一般不應小于6mm，通?？扇。?-16）mm。,（二）面板參加主（次）梁整體彎曲時的強度計算在主（次）梁截面選定后，考慮到面板本身在局部彎曲的同時還隨主（次）梁受整體彎曲的作用，則面板為雙向受力狀態(tài)。故應按第四強度理論驗算面板的折算應力強度。 ⑴ 當面板的邊長比b/a＞1.

22、5，且長邊b沿主梁軸線方向時，只需按下式驗算面板A點在上游面的折算應力： 式中 σmy= ky ·p a2/ t2 ；σmx=μ·σmy； μ=0.3,⑵當面板的邊長比b/a≤1.5或面板長邊方向與主（次）梁垂直時

23、（圖8-11），面板在B點下游面的應力值（σmx+σ0xB）較大，這時雖然B點下游面的雙向應力為同號（均受壓），但還是可能比A點上游面更早地進入塑性狀態(tài)，故應按下式驗算B點下游面在同號平面（壓）應力狀態(tài)下的折算應力強度：,（三）面板與梁格的連接計算 1）當水壓力作用下面板彎曲時，由于梁格之間相互移近受到約束，在面板與梁格之間的連接角焊縫將產(chǎn)生垂直于焊縫方向的側(cè)拉力。經(jīng)分析計算，每毫米焊縫長度上的側(cè)拉力可按下面的近似公式計算：

24、 式中 σmax ---厚度為t的面板中的最大彎應力， σmax 可取[σ]。,,2）由于面板作為主梁的翼緣，當主梁彎曲時，面板與主梁之間的連接角焊縫還承受沿焊縫長度方向的水平剪力，主梁軸線一側(cè)的角焊縫每單位長度內(nèi)的剪力為：,,,面板與梁格的連接焊縫應采用連續(xù)焊縫，通常hf不宜小于6mm。,二、次梁設計 （一）次梁的荷載與計算簡圖 1、梁格為降低連接時次梁的荷載和計算簡圖 豎立次梁 —— 簡支在

25、主梁上的簡支梁； 水平次梁 —— 支承在豎立次梁上的連續(xù)梁。 水平次梁承受均布水壓力荷載，水壓力荷載作用范圍按面板區(qū)格的中線來劃分，則水平次梁所受的均布荷載為： q=p（a上+a下）/2 （N/mm）,豎立次梁則承受水平次梁支座反力傳來的集中力R。,2、梁格為齊平連接時次梁的荷載和計算簡圖 水平次梁和豎立次梁同時支承著面板。面板傳

26、給梁格的水壓力，按梁格夾角的平分線來劃分各梁所負擔的水壓力作用范圍。,水平次梁的計算簡圖：⑴當水平次梁在豎立次梁處斷開后再連接于豎立次梁時，水平次梁為簡支梁；⑵當采用實腹隔板兼作豎立次梁時，水平次梁為連續(xù)穿過實腹隔板預留的切孔并被支承在隔板上的連續(xù)梁。,豎立次梁的計算簡圖： 為支承在主梁以及頂梁、底梁上的簡支梁。作用荷載有三角形分布水壓力荷載q上和q下及水平次梁的支座反力傳來的集中力R。,,（二）次梁的截面設計 次梁

27、一般受荷不大，常采用軋成型鋼。 ⑴按上述次梁的計算簡圖計算次梁的最大內(nèi)力Mmax、V。 ⑵按梁的彎應力強度條件求所需的截面模量 W=Mmax/[σ] 根據(jù)此截面模量和滿足剛度要求的最小梁高hmin，選合適型鋼。 ⑶截面驗算,計算截面取值：當次梁直接焊接于面板時，焊縫兩側(cè)的面板在一定的寬度（有效寬度）內(nèi)可以兼作次梁的翼緣參加次梁的抗彎工作。面板參加次梁工作的有效寬度B可按下面兩式計算的較小值

28、取用： ①考慮面板兼作梁受壓翼緣而不至失穩(wěn)而限制的有效寬度：②考慮面板沿寬度上應力分布不均而折算的有效寬度：,B=ξ1.b 或B=ξ2.b式中 b=（b1+b2）/2ξ1、 ξ2 --有效寬度系數(shù)， ξ1用于正彎矩區(qū)， ξ2用于負彎矩區(qū)?？刹楸?-1。,三、主梁設計 （一）主梁的形式 主梁是平面鋼閘門中的主要受力構件，可采用實腹式或桁架式。,跨度小水頭低的閘門，可采用制造方便的型鋼梁； 對于中等跨度的

29、閘門（5-10m）常采用實腹式組合梁； 對于大跨度的閘門，則宜采用桁架式主梁。,（二）主梁的荷載和計算簡圖 主梁為支承在閘門邊梁上的單跨簡支梁。主梁承受面板傳來的分布水壓力和豎直次梁傳來的集中荷載。 對實腹式梁，可近似換算為均布荷載。當主梁按等荷載原則布置時，每根主梁所受的均布荷載集度為： q=P/n （kN/m） P

30、-----閘門單位跨度上作用的總水壓力（kN/m） n-----主梁的數(shù)目。主梁的計算跨度L為閘門行走支承中心線之間的距離 L=L0+2d L0----閘門的孔口寬度， d=（0.15~0.4）m,當主梁采用桁架式時，可將水壓力化為節(jié)點荷載P=qb（b為桁架的節(jié)間長度），然后求解主桁架在節(jié)點荷載作用下的桿件內(nèi)力并選擇截面。但對于

31、直接與面板相連的上弦桿，應考慮面板傳來的水壓力對上弦桿引起的局部彎曲而按壓彎構件選擇截面。,（三）主梁設計的特點,⑴對于鋼閘門的主梁，考慮到其除承受閘門水平水壓力而產(chǎn)生水平彎曲外，其下翼緣兼作縱向聯(lián)結系的弦桿，還需承受一部分閘門自重產(chǎn)生的應力。故按主梁的水平水壓力荷載產(chǎn)生的內(nèi)力選擇截面時，可按0.9[σ]計算。,,⑵當主梁直接與面板相連時，部分面板可兼作主梁上（前）翼緣的一部分參加其抗彎工作。面板的有效寬度取下列兩式的較小值

32、 B=ξ1b式中 bl -為主梁的上翼緣寬度，b--為每根主梁承受荷載面的寬度。,⑶主梁的剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的驗算見第五章內(nèi)容。,四、橫向聯(lián)結系和縱向聯(lián)結系的設計 （一）橫向聯(lián)結系（豎向聯(lián)結系） 作用：承受水平次梁（包括頂、底梁）傳來的水壓力，并將其傳給主梁。當水位變更等原因而引起各主梁的受力不均時，橫向聯(lián)結系可均衡各主梁的受力并且保證閘

33、門在橫截面的剛度。 布置：應對稱與閘門的中心線，一般布置1~3道，數(shù)目宜取奇數(shù)，間距不宜超過4~5米，并通常按等間距布置。,橫向聯(lián)結系的型式：應根據(jù)主梁的截面高度、間距和數(shù)目而定。主要有實腹隔板式和桁架式兩種。實腹式隔板的計算簡圖如圖8-18（a）所示，通?？砂磮D8-18（b）所示簡化計算。,橫隔板的截面設計：橫隔板的應力一般都很小，其尺寸可按構造要求及穩(wěn)定條件確定，隔板的截面高度與主梁的截面高度相同，其腹板厚度一般采用8-1

34、2mm，前翼緣可利用面板兼作而不必另行設置；后翼緣可采用扁鋼，寬度（100-200）mm，厚度取（10-12） mm。為減輕門重，可在隔板中間彎應力較小區(qū)域開孔，但孔邊需用扁鋼鑲固（圖8-19（b））。,橫向桁架是支承在主梁上的雙懸臂桁架，其計算簡圖如圖8-20所示。上弦桿為閘門的豎立次梁，一般為壓彎構件，腹桿及下弦桿為軸心受力構件。,（二）縱向聯(lián)結系 縱向聯(lián)結系位于閘門各主梁后翼緣之間的豎平面內(nèi)。其主要作用是：,承受閘門上

35、的豎向力（閘門的自重、門頂?shù)乃匾约伴T底的下吸力等）； 保證閘門在豎向平面內(nèi)的剛度； 與主梁和面板構成封閉的空間體系以承受偶然的作用力對閘門引起扭矩。,縱向聯(lián)結系多為桁架式（圖8-21）?？砂粗С性陂l門兩側(cè)邊梁上的簡支平面（當主梁高度改變時為折面）桁架計算。閘門的自重G可根據(jù)閘門的重心位置按杠桿原理分配給上下游面的面板和縱向聯(lián)結系。然后再將分配來的豎向荷載（G1=G×c1/h）均勻地分到桁架節(jié)點上P1=G1/n。從而計

36、算各個桿件內(nèi)力并選擇桿件截面。,五、邊梁設計 支承邊梁是位于閘門兩邊并支承在滑塊或滾輪等行走支承上的豎向梁。其主要承受由主梁等水平梁傳來的水壓力產(chǎn)生的彎矩，以及由縱向聯(lián)結系和吊耳傳來的門重和啟閉力等豎向力產(chǎn)生的拉力或壓力。 邊梁的工作狀態(tài)為：當閘門關閉擋水時為壓彎構件；當閘門開啟時為拉彎構件。,邊梁的截面尺寸通常按構造要求確定，然后進行強度計算。如圖8-8和圖8-22，邊梁的截面高度與主梁的端部截面高度相同，

37、腹板厚度為8~14mm，翼緣厚度應比腹板加厚2~6mm；單腹式邊梁的下翼緣一般由布置滑塊或滾輪的要求決定，不宜小于200~300mm；雙腹式邊梁常用兩塊下翼緣，每條下翼緣可分別采用寬度為100~200mm的扁鋼做成。兩塊腹板之間的距離不宜太小，以便于腹板施焊和安裝滾輪，不應小于300~400mm。,四 平面鋼閘門的零部件設計 一、行走支承 （一）膠木滑道,（二）滾輪支承,二、 止水裝置,,,,基本資料,閘門形式：溢洪道

38、露頂式平面鋼閘門（工作閘門）；（1）孔口凈寬： 8.0m；設計水頭： 8.0m；（2）孔口凈寬： 8.0m；設計水頭： 7.0m；（3）孔口凈寬： 8.0m；設計水頭： 5.0m；（4）孔口凈寬： 10.0m；設計水頭： 7.0m；結構材料：Q235鋼；焊條：E43；混凝土強度等級：C20。,成果要求,課程設計成果統(tǒng)一裝入檔案袋提交：課程設計任務書一份計算說明書一份施工圖繪制：圖幅為A2圖1~2張（附材料表）。,,集