1、河海大学钢结构课件,第八章 平面钢闸门,第一节 概述,一、水工钢结构的主要种类,1.钢闸门,用来关闭、开启或局部开启水工建筑物 中过水孔口的活动结构；,2.拦污栅,河海大学钢结构课件,一、水工钢结构的主要种类,3.升船机,河海大学钢结构课件,一、水工钢结构的主要种类,4.压力管道,河海大学钢结构课件,一、水工钢结构的主要种类,5.海上平台,河海大学钢结构课件,二、闸门的类型,1.按闸门的工作性质分,工作闸门,事故闸门,施工期导流闸门,检修闸门,2.按闸门设置的部位分,(1) 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。,(2) 潜孔式闸门,
2、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。,河海大学钢结构课件,二、闸门的类型,3.按闸门的结构型式和构造特征分,(1) 平面形门叶钢闸门,挡水面板形状为平面钢闸门。 根据门叶结构的运移方式又可分为：直升式、升卧式、横拉式、绕竖轴转动的平面形闸门（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）。,(2) 弧形闸门,挡水面板形状为圆弧形的钢闸门。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。,河海大学钢结构课件,二、闸门
3、的类型,人字形,河海大学钢结构课件,二、闸门的类型,三峡永久船闸,河海大学钢结构课件,二、闸门的类型,三峡永久船闸施工,河海大学钢结构课件,二、闸门的类型,三峡永久船闸施工,河海大学钢结构课件,二、闸门的类型,弧形钢闸门,河海大学钢结构课件,二、闸门的类型,弧形钢闸门,河海大学钢结构课件,二、闸门的类型,弧形钢闸门,河海大学钢结构课件,二、闸门的类型,弧形钢闸门,河海大学钢结构课件,二、闸门的类型,弧形钢闸门,河海大学钢结构课件,三、闸门的型式和孔口尺寸,四、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。,
4、2.闸门结构的计算方法,(1) 按平面体系设计法,采用手算，简单易行，但不太精确。,(2) 按空间体系设计法,可采用有限元法（FEM）分析，较合理。,河海大学钢结构课件,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,1.门叶结构的组成,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。,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。,河海大学钢结构课件,一、平面钢闸门的组成,1.门叶结构的组成,(1) 平面钢闸门的承重结构,用来挡水，直
5、接承受水压并传给梁格，通常设在闸门的上游面，可以避免梁格和行走支承浸没于水中而积聚污物和减小因门底过水而产生的振动。,面板,由互相正交的梁系所组成，用来支承面板并将面板传来的水压力传给支承边梁，再通过行走支承把闸门上的水压力传给闸墩。,梁格,河海大学钢结构课件,一、平面钢闸门的组成,1.门叶结构的组成,(1) 平面钢闸门的承重结构,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。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。主要有实腹隔板式和桁架式。,横向联结系,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
6、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）。,纵向联结系,河海大学钢结构课件,一、平面钢闸门的组成,(2) 行走支承,行走支承又称支承移动部件，既能将闸门所受的全部水平荷载传递给闸墩，又应保证闸门能沿门槽上下顺利移动。,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,(4) 吊具,防止闸门漏水固定在门叶周边的部件,系用来连接闸门启闭机的牵引构件,1.门叶结构的组成,河海大学钢结构课件,一、平面钢闸门的组成,2.埋固构件,平面闸门的固定埋设部件
7、一般包括： 主轮或主滑道的轨道，简称主轨； 侧轮和反轮的轨道，简称侧轨和反轨； 止水埋件，顶止水埋件简称门楣，底止水埋件简称底坎； 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。,应熟悉闸门结构的传力路径，掌握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。,河海大学钢结构课件,一、平面钢闸门的组成,2.埋固构件,水平水压力,面板,水平次梁,竖立次梁,主梁,边梁,边梁,主轮,主轨道,闸吨,闸门挡水时所受的水压力在闸门上的传力路径,河海大学钢结构课件,一、平面钢闸门的组成,3.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
8、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。,河海大学钢结构课件,二、平面钢闸门的结构布置,平面钢闸门结构布置的主要内容是：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。,1.主梁的布置,(1) 主梁的数目,主梁的数目取决于闸门的尺寸和水头的大小，按主梁的数目分为双主梁式和多主梁式。,L/H1.2 时,采用双主梁,L/H1.0 时,在大跨度的露顶式闸门中常采用双主梁,采用多主梁,河海大学钢结构课件,二、平面钢闸门的结构布置,1.主梁的布置,(2) 主梁的位置,、宜按等荷载要求布置，使每根主梁所需的
9、截面 尺寸相同，便于制造；,主梁位置的确定考虑下列因素：,、主梁间距应适应制造、运输和安装的条件；,、主梁间距应满足行走支承布置的要求；,、底主梁到底止水距离应符合底缘布置的要求。,河海大学钢结构课件,二、平面钢闸门的结构布置,1.主梁的布置,(2) 主梁的位置,河海大学钢结构课件,二、平面钢闸门的结构布置,1.主梁的布置,(2) 主梁的位置,实腹式主梁闸门的底主梁下翼缘到底止水边缘连线的倾角 300，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
10、45，宜采用60，见上图8-3。,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。,河海大学钢结构课件,二、平面钢闸门的结构布置,1.主梁的布置,(2) 主梁的位置,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。,河海大学钢结构课件,二、平面钢闸门的结构布置,1.主梁的布置,(2) 主梁的位置,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（
11、见上图8-5a）有,对于潜孔式闸门（见上图8-5b）有,式中 ,河海大学钢结构课件,二、平面钢闸门的结构布置,2.梁格的布置型式,梁格的布置应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。,河海大学钢结构课件,二、平面钢闸门的结构布置,2.梁格的布置型式,(1) 简式梁格,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,(2) 普通式梁格,由水平主梁、竖立次梁和边梁组成,(3) 复式梁格,由水平主梁、竖立次梁、水平次梁和边梁组成,河海大学钢结构课件,二、平面钢闸门的结构布置,3.梁格连接型式,河海大学钢结构
12、课件,二、平面钢闸门的结构布置,3.梁格连接型式,(1) 齐平连接(等高连接),见上图8-7(a)，水平次梁、竖立次梁和主梁的前翼缘表面齐平，直接与面板相连。,(2) 降低连接,见上图8-7(b)，主梁和水平次梁直接与面板相连，竖立次梁离开面板降低到水平次梁下游，水平次梁可以在面板与竖立次梁间穿过而成为连续梁。,(3) 层叠连接,见上图8-7(b)，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。闸门的整体刚度小、抗振性能差，闸门的总厚度大，已很少采用。,河海大学钢结构课件,二、平面钢闸门的结构布置,4.边梁的布置,河海大学钢结构课件,二、平面钢闸门的结构布置,4.边梁的布置,单腹式边
13、梁 构造简单，便于与主梁相连接，抗扭刚度差，主要用于滑道式支承的闸门。,双腹式边梁 抗扭刚度大，便于设置滚轮和吊轴，但构造复杂且用钢量较多。用于定轮闸门中。,河海大学钢结构课件,第三节 平面钢闸门的结构设计,一、面板的设计,面板的工作性能： 根据理论分析和实验研究，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。当该点的应力达到屈服点fy时，远未达到面板的极限承载力，增大荷载，当面板上、下游面逐步达到屈服点时，荷载可继续增大。当增加到设计荷载（A点屈服时）的（3.54.5）倍时，面板跨中才进入弹塑性阶段。表明面板在使用过程中有很大的强度储备。,河海大学钢结构课件,一、面
14、板的设计,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，将面板的容许应力乘以大于1的弹塑性调整系数予以提高。,1.初选面板厚度 t,钢面板在静水压力作用下的应力由两部分组成：一是局部(面板本身) 的弯曲应力； 一是面板兼作主（次）梁翼缘参与梁系弯曲的整体弯曲应力。 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。,河海大学钢结构课件,一、面板的设计,1.初选面板厚度 t,普通式和复式梁格支承的面板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
15、力作用下在各支承边上的倾角均接近于零，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，面板在刚度较小的顶梁和底梁处会产生较大的倾角，故顶、底区格按三边固定另一边简支的矩形板计算。面板厚度的计算需与水平次梁间距的布置同时进行。,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，考虑锈蚀余量要求，应6mm，通常可取（816）mm。,河海大学钢结构课件,一、面板的设计,2.面板考虑整体弯曲时的强度计算,面板受到局部弯曲和整体弯曲作用，处于双向受力状态。应按第四强度理论验算面板的强度。,当面板的边长比b/a1.5，且长边b沿主梁轴线方向时,如下图8
16、-10：,河海大学钢结构课件,一、面板的设计,2.面板考虑整体弯曲时的强度计算,面板受到局部弯曲和整体弯曲作用，处于双向受力状态。应按第四强度理论验算面板的强度。,当面板的边长比b/a1.5，且长边b沿主梁轴线方向时,如下图8-10：,只需按下式验算面板A点在上游面的折算应力,河海大学钢结构课件,一、面板的设计,2.面板考虑整体弯曲时的强度计算,(2) 当面板的边长比b/a1.5或面板长边方向与主（次）梁垂直时，如下图8-11：,河海大学钢结构课件,一、面板的设计,2.面板考虑整体弯曲时的强度计算,(2) 当面板的边长比b/a1.5或面板长边方向与主（次）梁垂直时，如下图8-11：,由于面板在
17、B点下游面的应力值（mx+0xB）较大，B点下游面的为同号受压双向应力，可能比A点上游面更早地进入塑性状态，应按下式验算B点下游面的折算应力强度：,河海大学钢结构课件,一、面板的设计,3.面板与梁格的连接焊缝计算,水压力作用下面板弯曲时，梁之间相互移近受到约束，面板与梁的焊缝将产生垂直于焊缝方向的侧拉力。焊缝每毫米长度的侧拉力可按下式计算：,Nt=0.07tmax N /mm,此外，由于面板作为主梁翼缘，当主梁弯曲时面板作为主梁的翼缘与主梁之间的焊缝还承受沿焊缝长度方向的水平剪力，一侧的角焊缝每单位长度内的剪力为T，则：,河海大学钢结构课件,一、面板的设计,3.面板与梁格的连接焊缝计算,面板与
18、梁格连接角焊缝的焊脚尺寸hf可近似按下式计算：,面板与梁格的连接焊缝应采用连续焊缝，一般焊缝焊脚尺寸hf不应小于6mm。,河海大学钢结构课件,二、次梁设计,1.次梁的荷载与计算简图,(1) 梁格为降低连接时次梁的荷载和计算简图,水平次梁为支承在竖立次梁上的连续梁，承受均布水压力，水压力作用范围按面板区格的中线来划分，水平次梁所受的均布荷载为：,河海大学钢结构课件,二、次梁设计,1.次梁的荷载与计算简图,(1) 梁格为降低连接时次梁的荷载和计算简图,水平次梁为支承在竖立次梁上的连续梁，承受均布水压力，水压力作用范围按面板区格的中线来划分，水平次梁所受的均布荷载为：,(N/mm),竖立次梁简支在主
19、梁上，承受水平次梁支座反力R，R为水平次梁边跨内侧支座反力。计算简图如上图8-12(c) 。,河海大学钢结构课件,二、次梁设计,1.次梁的荷载与计算简图,(2) 梁格为齐平连接时次梁的荷载和计算简图,水平次梁和竖立次梁同时承受面板传来的水压力，按梁格夹角的平分线来划分各梁所负担的水压力作用范围。,河海大学钢结构课件,二、次梁设计,1.次梁的荷载与计算简图,(2) 梁格为齐平连接时次梁的荷载和计算简图,计算简图： 、当水平次梁在竖立次梁处断开后再连接于竖立次梁时，水平次梁为简支梁； 、当采用实腹隔板兼作竖立次梁时，水平次梁为连续穿过实腹隔板预留的切孔并被支承在隔板上的连续梁。,竖立次梁为支承在主
20、梁上的简支梁，承受三角形分布水压力q上和q下及水平次梁的支座反力R，其中q上和q下分别为,(N/mm),(N/mm),河海大学钢结构课件,二、次梁设计,2.次梁的截面设计,次梁常采用热轧型钢。计算步骤如下：,(1) 计算次梁的最大内力Mmax、V。,(2) 按梁的弯应力强度条件求所需的截面模量Wreq= Mmax/ 根据此截面模量和刚度要求的hmin，选合适型钢。,(3) 截面验算,剪应力,弯应力,挠度验算,河海大学钢结构课件,二、次梁设计,2.次梁的截面设计,(3) 截面验算,次梁直接与面板焊接时，焊缝两侧的面板在有效宽度B内可以兼作次梁的翼缘参加次梁的抗弯工作。B按下面两式计算的较小值取用
21、：,、考虑面板兼作梁受压翼缘而不至失稳而限制的有效宽度：,河海大学钢结构课件,二、次梁设计,2.次梁的截面设计,(3) 截面验算,、考虑面板沿宽度上应力分布不均而折算的有效宽度：,B =1b 或B =2b,河海大学钢结构课件,三、主梁设计,1.主梁的形式,根据闸门的跨度和水头大小，主梁可采用实腹式或桁架式。跨度小水头低的闸门，可采用型钢梁；中等跨度的闸门（510m）常采用实腹式组合梁，为缩小门槽宽度和节约钢材，也常采用变高度的主梁；对于大跨度的闸门，则宜采用桁架式主梁，以节约钢材。,河海大学钢结构课件,三、主梁设计,2.主梁的荷载和计算简图,主梁为支承在闸门边梁上的单跨简支梁。当主梁按等荷载
22、原则布置时，每根主梁所受的均布荷载集度为：,q = P/n,(KN/m),河海大学钢结构课件,三、主梁设计,2.主梁的荷载和计算简图,主梁的计算跨度L为闸门行走支承中心线之间的距离，L=L0+2d。主梁的荷载跨度L1等于两侧止水间的距离。当侧止水布置在闸门的下游面而面板设在上游面时，闸门侧向水压力将对主梁产生轴向压力N。,当主梁采用桁架式时，可将水压力化为节点荷载P=qb（b为桁架的节间长度），然后求解主桁架在节点荷载作用下的杆件内力并选择截面。但对于直接与面板相连的上弦杆，应考虑面板传来的水压力对上弦杆引起的局部弯曲而按压弯构件选择截面。,河海大学钢结构课件,三、主梁设计,3.主梁设计特点,
23、(1) 主梁除承受闸门水平水压力而产生水平弯曲外，其下翼缘兼作纵向联结系的弦 杆，还需承受一部分闸门自重产生的应力。按主梁的水平水压力荷载产生的内力选择截面时，可按0.9计算。,河海大学钢结构课件,三、主梁设计,3.主梁设计特点,(2) 当主梁直接与面板相连时，面板可兼作主梁上（前）翼缘参加。面板的有效宽度取下列两式的较小值：,B=1b,(3) 主梁的刚度、整体稳定和局部稳定的验算见第五章内容。,河海大学钢结构课件,四、横向联结系和纵向联结系的设计,1.横向联结系,横向联结系（竖向联结系）的作用：承受水平次梁（包括顶、底梁）传来的水压力，并将其传给主梁。当水位变更等原因而引起各主梁的受力不均时
24、，横向联结系可均衡各主梁的受力并且保证闸门在横截面的刚度。,横向联结系的布置，对称于闸门中心线，布置13道，数目取奇数，间距45米，按等间距布置。,横向联结系的型式：根据主梁的截面高度、间距和数目采用实腹隔板式或桁架式。实腹式隔板的计算简图如图。,河海大学钢结构课件,四、横向联结系和纵向联结系的设计,1.横向联结系,河海大学钢结构课件,四、横向联结系和纵向联结系的设计,1.横向联结系,河海大学钢结构课件,四、横向联结系和纵向联结系的设计,1.横向联结系,横隔板的截面设计：横隔板的尺寸可按构造要求及稳定条件确定，隔板的截面高度与主梁的截面高度相同，其腹板厚度一般采用812mm，前翼缘可利用面板兼
25、作而不必另行设置；后翼缘可采用扁钢，宽度取（100200）mm，厚度取（1012） mm。为减轻门重，可在隔板中间弯应力较小区域开孔，但孔边需用扁钢镶固。,横向桁架是支承在主梁上的双悬臂桁架，上弦杆为闸门的竖立次梁，一般为压弯构件，腹杆及下弦杆为轴心受力构件。可分别按第四、六章内容计算。,河海大学钢结构课件,四、横向联结系和纵向联结系的设计,2.纵向联结系,纵向联结系，位于闸门各主梁后翼缘之间的竖平面内，承受闸门上的竖向力（闸门的自重、门顶的水柱重以及门底的下吸力等），保证闸门在竖向平面内的刚度，并与主梁和面板构成封闭的空间体系以承受偶然的作用力对闸门引起扭矩。,纵向联结系多为桁架式。按支承在
26、边梁上的简支桁架计算。闸门的自重G可根据闸门的重心位置分配给上下游面的面板和纵向联结系。将分配来的竖向荷载（G1=Gc1/h）均匀地分到桁架节点上P1=G1/n。,河海大学钢结构课件,四、横向联结系和纵向联结系的设计,2.纵向联结系,河海大学钢结构课件,五、边梁设计,支承边梁是位于闸门两边并支承在滑块或滚轮等行走支承上的竖向梁。主要承受由主梁等水平梁传来的水压力产生的弯矩，以及由纵向联结系和吊耳传来的门重和启闭力等竖向力产生的拉力或压力。,边梁的工作条件为： 当闸门关闭挡水时为压弯 构件；当闸门开启时为拉 弯构件。,河海大学钢结构课件,五、边梁设计,边梁的截面尺寸通常按构造要求确定，然后进行强
27、度计算。如图8-8和图8-22，边梁的截面高度与主梁的端部截面高度相同，腹板厚度为814mm，翼缘厚度应比腹板加厚26mm；单腹式边梁的下翼缘一般由布置滑块或滚轮的要求决定，不宜小于200300mm；双腹式边梁常用两块下翼缘，每条下翼缘可分别采用宽度为100200mm的扁钢做成。两块腹板之间的距离不宜太小，以便于腹板施焊和安装滚轮，不应小于300400mm。,河海大学钢结构课件,第四节 平面钢闸门的零部件设计,一、行走支承,1.胶木滑道,河海大学钢结构课件,一、行走支承,2.滚轮支承,河海大学钢结构课件,一、行走支承,2.滚轮支承,河海大学钢结构课件,一、行走支承,2.滚轮支承,河海大学钢结构课件,一、行走支承,3.平面钢闸门的导向装置-侧轮和反轮,河海大学钢结构课件,二、止水装置,河海大学钢结构课件,二、止水装置,河海大学钢结构课件,二、止水装置,
