1、第七章 平面鋼閘門第一節 概 述一、閘門的作用 閘門是水工建筑物的重要組成部分之一，它可用來關閉、開啟或局部開啟水工建筑物的過水孔口，其主要作用是調節上下游水位和流量，獲得防洪、供水、灌溉和發電等效益。二、閘門的類型 閘門的類型較多，一般可按閘門的工作性質、設置部位及結構形式等加以分類。1、按閘門的工作性質分 工作閘門、事故閘門、檢修閘門和施工期導流閘門。 工作閘門也稱主要閘門，能在動水中啟閉。 (2) 事故閘門多設于深孔工作閘門前，用于建筑物或設備出現事故時，能在動水中關閉而在靜水中開啟；兼作檢修閘門時，也稱事故檢修閘門；需要在限定時間內緊急關閉的事故閘門，稱為快速閘門。 (3) 檢修閘門設

2、于工作閘門前。用于建筑物或工作閘門等檢修時短期擋水，一般在靜水中啟閉。 2、按閘門設置的部位分 露頂式閘門：設置在開敞式泄水孔口，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。 潛孔式閘門：設置在潛沒式泄水孔口，當閘門關閉孔口擋水時，其門葉頂部低于擋水水位，需要設置頂部、兩側和底緣四邊止水。 3、按閘門的結構型式和構造特征分 平面鋼閘門：系指擋水面板形狀為平面的一類鋼閘門。最為常用，較易滿足建筑物的布置要求。 根據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）、繞豎軸轉動的平面形閘門（如船閘中的人字門和一字門）及繞橫軸轉動的平面形閘門

3、（如翻版閘門）等。 弧形閘門：系指擋水面板形狀為圓弧形的一類鋼閘門。應用也十分廣泛，它將一塊弧形門葉用支臂鉸支于鉸座上，通常弧面中心即為鉸心，所以水壓力總是通過鉸心的，運行阻力矩較小。三、閘門的選擇 選擇閘門形式需要考慮其在水工建筑物中的位置、尺寸、設計水頭、運用條件、制造能力和安裝技術水平等因素，要求做到泄流時水流條件好、止水嚴密、啟閉力小、操作簡便靈活、檢修維護方便等。平面閘門和弧形閘門是最常用的門型。在工作閘門中，大型露頂式閘門和高水頭潛孔式閘門多用弧形閘門，船閘上多用人字閘門和橫拉閘門，檢修閘門和事故閘門一般都用平面閘門。制造門葉的材料近代多用鋼材，而鋼筋混凝土多用做需要借自重關閉施工

4、導流底孔的封堵閘門。 本章主要介紹直升式平面鋼閘門。四、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范（SL74-95）規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 按平面體系設計法：可采用手算，簡單易行，但不太精確。 按空間體系設計法：可采用有限元法（FEM）分析，較合理。平面鋼閘門的工程實例 人字形鋼閘門的工程實例弧形鋼閘門的工程實例柴河水庫弧形鋼閘門清河水庫弧形鋼閘門都江堰飛沙堰鋼閘門魚嘴寶瓶口都江堰飛沙堰鋼閘門第二節 平面鋼閘門的組成和結構布置一、平面鋼閘門的組成 平面鋼閘門是由活動的門葉結構、埋固構件和啟閉機械三部分組成。(一) 門葉結構的

5、組成 門葉結構是用來封閉和開啟孔口的活動擋水結構。由門葉承重結構、行走支承以及止水和吊具等組成。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、橫向聯結系組成。 門葉結構的立體示意圖 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生的振動。 梁 格：由互相正交的梁系（水平次梁（包括頂、底次梁）、豎直次梁、主梁和邊梁等）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上的行走支承把閘門上的水壓力傳給閘墩。 橫向聯結系（又稱豎向聯結系）布置在垂直于閘門

6、跨度方向的豎直平面內，以保證閘門橫截面的剛度 ，使門頂和門底不致產生過大的變形。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。 縱向聯結系（又稱門背聯結系或起重桁架）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，承受閘門部分自重和其它豎向荷載，并可增強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定性（當閘門承受反向水頭時，主梁下翼緣受壓）。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（

7、主輪或主滑塊）、側向支承（側輪）及反向支承（反輪）裝置三部分。門葉結構總圖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。門葉結構總圖(二) 埋固構件 平面閘門的固定埋設部件一般包括： 主輪或主滑道的軌道，簡稱主軌；側輪和反輪的軌道，簡稱側軌和反軌；止水埋件，頂止水埋件簡稱門楣，底止水埋件簡稱底坎；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。 門葉結構總圖閘門擋水時所受的水壓力在閘門上的傳力路徑： 應熟悉閘門結構的傳力路徑，以掌握閘門各種構件的受力情況并能正確確定各承重構件的計算簡圖。 （三）閘門的啟閉機械 常用的閘門

8、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 布置內容：確定閘門上需要設置的構件、每種構件需要的數目以及每個構件的所在位置。應統籌考慮、全面安排并進行必要的方案比較后最終確定。(一) 主梁的布置 1. 主梁的數目 主梁是閘門的主要承重部件。主梁的數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目可分為雙主梁式和多主梁式。建議當閘門的跨高比L/H1.5時，采用雙主梁； 而當閘門的跨高比L/H1.0時，采用多主梁。在大跨度的露頂式閘門中常采用雙主梁。 2. 主梁的位置 主梁位置的確

9、定應考慮下列因素： 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； 主梁間距應適應制造、運輸和安裝的條件； 主梁間距應滿足行走支承布置的要求； 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。（如下圖所示），以免啟門時水流沖擊底主梁和在底主梁下方產生負壓，而導致閘門振動。 如圖所示， 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的距離C不宜太大，一般不超過0.45H，且不宜大于3.6m。 多主梁式閘門的

10、主梁位置，可根據各主梁等荷載的原則確定。具體做法有圖解法和數解法兩種。下面按數解法進行介紹。 假定水面至門底的距離為H，主梁的數目為n，第k（k=1，2，n）根主梁至水面的距離為yk，對于露頂門（圖7-5a）有 （7-1） 對于潛孔式閘門（圖7-5b）有 （7-2） 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濟合理性和梁格制造省工等要求，盡量使面板各區格的計算厚度接近相等，并使面板和梁格的總用鋼量最少。閘門的梁格布置可分為以下三種型式。 1.簡式梁格 （圖a）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的邊梁。 2.

11、普通式梁格（圖b） 由水平主梁、豎立次梁和邊梁組成。 3.復式梁格（圖c）由水平主梁、豎立次梁、水平次梁和邊梁組成。 普通式梁格和復式梁格的面板均為四邊支承板。(三) 梁格連接型式如圖7-9所示，梁格的連接型式有如下三種型式。1.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。2.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過而成為連續梁。3.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

12、度，故在平面閘門中現已很少采用。 （四）邊梁的布置 邊梁的截面型式有單腹式（圖7-10a）和雙腹式（圖7-10b）兩種。 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生扭轉的情況是不利的。單腹式邊梁主要用于滑道式支承的閘門。 雙腹式邊梁 抗扭剛度大，也便于設置滾輪和吊軸，但構造復雜且用鋼量較多，截面內部的焊接也較困難。雙腹式邊梁廣泛用于定輪閘門中。 第三節 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（圖7-11），在均布荷載作用下最大彎矩出現在面板支承長邊的中點A處。但是當該點的應力達

13、到所用鋼材的屈服點fy時，面板的承載能力還遠遠沒有耗盡，隨著荷載的增加，支承邊上其它各點的彎矩都隨之增加，而使面板上、下游面逐步達到屈服點，此時，面板仍然能夠承受繼續增大的荷載。試驗表明，當荷載增加到設計荷載（A點屈服時）的（3.54.5）倍時，面板跨中部分才進入彈塑性階段。面板在使用過程中有很大的強度儲備。 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乘以大于1的彈塑性調整系數予以提高。（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

14、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。 初選面板厚度時，由于主（次）梁的截面尚未確定，面板參與主（次）梁的整體彎應力尚未求得，故面板的厚度可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（如圖7-11所示） （7-3）式中:k為彈性薄板支承長邊中點（A點） 的彎應力系數；p為面板計算區格中心 的水壓力強度； 0.9為面板參加主梁工 作需要保留的強度儲備系數; a,b分別為面板計算區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；為彈塑性調整系數,當b/a3時,=1.5； 當b/a3時,=1.4。為鋼材的抗彎容許應力（Mpa） （7-3） 對

15、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板，根據試驗研究，面板的中間區格在水壓力作用下，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、底部區格，因面板在剛度較小的頂梁和底梁處會產生較大的傾角，接近于簡支邊，故頂、底區格按三邊固定另一邊（頂或底邊）簡支的矩形板計算。 鋼面板厚度的計算需與水平次梁間距的布置同時進行。因鋼面板的重量占閘門總重量的比例較大，為節約鋼材，鋼面板宜選用較薄的鋼板，但考慮銹蝕余量要求，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 在初步選定面板厚度，并在主（

16、次）梁截面選定后，考慮到面板為雙向受力狀態。故應按第四強度理論驗算面板的折算應力強度。1. 當面板的邊長比b/a1.5，且長邊b沿主梁軸線方向時（圖7-12），只需按下式驗算面板A點在上游面的折算應力： （7-4）式中: my垂直于主(次)梁軸線方向、面板區格支承長邊中點的局部彎曲應力, ky p a2/ t2 ; mx面板區格沿主(次)梁軸線方向的局部彎曲應力，my， =0.3；0 x與面板驗算點對應的主 (次)梁上翼緣的整體彎曲應力 。2. 當b/a1.5或面板長邊方向與主（次）梁垂直時（圖7-13），面板在B點下游面的應力值（mx+0 xB）較大，這時雖然B點下游面的雙向應力為同號（均受

17、壓），但仍可能比A點上游面更早地進入塑性狀態，故應按下式驗算B點下游面的折算應力強度： （7-5）式中：0 xB對應于面板驗算點（B點）主梁上翼緣的整體彎曲應力。考慮整體 彎應力沿面板寬度分布不均影響后，可按下式計算： 面板兼作主（次）梁前翼緣工作的有效寬度系數，見表7-1式（7-5）的適用條件為11/3。（三）面板與梁格的連接計算 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生垂直于焊縫方向的側拉力。經分析計算，每mm焊縫長度上的側拉力可按下面的近似公式計算： Nt=0.07tmax （7-6） 式中：max厚度為t的面板中的最大彎應力，max 可

18、取。 此外，由于面板作為主梁的上翼緣，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，主梁軸線一側的角焊縫每單位長度內的剪力為T，則 T=VS/2I 因此，面板與梁格連接角焊縫的焊腳尺寸hf可近似按下式計算： （7-7） 式中：fw 為角焊縫的容許剪應力。 面板與梁格的連接焊縫應采用連續焊縫，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 對于降低連接梁格（如圖7-15），豎直次梁為簡支在主梁上的簡支梁，而水平次梁為支承在豎直次梁上的連續梁。 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格的中線來劃分

19、，則水平次梁所受的均布荷載為 q=p（a上+a下）/2 （7-8）豎直次梁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 如圖7-16為梁格齊平連接，水平次梁和豎直次梁同時支承著面板。面板傳給梁格的水壓力，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： 當水平次梁為在豎直次梁處斷開后再連接于豎立次梁時，水平次梁為簡支梁； 當采用實腹隔板兼作豎直次梁時，水平次梁為連續穿過實腹隔板預留的切孔并被支承在隔板上的連續梁。 水平次梁的荷載集度q同式（7-8），計算簡圖分別如圖7-16（b） 、（d）所示。 豎直次梁為支承在主梁上的簡支梁。作用荷

20、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 次梁一般受荷不大，常按軋成梁設計。計算步驟如下：1. 按上述次梁的計算簡圖計算次梁的最大內力Mmax、V。2. 按梁的彎應力強度條件求所需的截面模量 WMmax/ （7-10） 根據此截面模量和滿足剛度要求的最小梁高hmin，選合適型鋼。3. 截面驗算 當次梁直接焊接于面板時，焊縫兩側的面板在一定的寬度（有效寬度）內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取用： （1）考慮面板兼作梁受壓翼緣時不至失穩而限制的有效寬度： （圖7-17） （7-11）（2）

21、考慮面板沿寬度上應力分布不均而折算的有效寬度（圖7-18） B=1.b 或 B=2.b （7-12） 式中：b=(b1+b2)/2；1、 2 為有效寬度系數， 1用于正彎矩區， 2用于負彎矩區。可查表7-1。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。根據閘門的跨度和水頭大小，主梁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；對于中等跨度的閘門（510m）常采用實腹式組合梁，為縮小門槽寬度和節約鋼材，也常采用變高度的主梁（圖7-20）；對于大跨度的閘門，則宜采用桁架式主梁，以節約鋼材。（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。當主梁

22、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 式中：P為閘門單位跨度上作用的總水壓力（kN/m）； n為主梁的數目。 如圖7-20，主梁的計算跨度L為閘門行走支承中心線之間的距離，即 L=L0+2d 式中： L0為閘門的孔口寬度；d=（0.150.4）m（如圖7-20 ） 如圖7-20，主梁的荷載跨度L1等于兩側止水間的距離。當側止水布置在閘門的下游面而面板設在上游面時，閘門側向水壓力將對主梁產生軸向壓力N。（三）主梁設計特點1.對于鋼閘門的主梁，考慮到其除承受閘門水平水壓力而產生水平彎曲外，其下翼緣兼作縱向聯結系的弦桿，還需承受一部分閘門自重產生的應力。故按主梁的水平水壓

23、力荷載產生的內力選擇截面時，可按0.9計算。2.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： ，B=1b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。3.主梁的剛度、整體穩定和局部穩定的驗算見第四章內容。四、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生的彎矩，以及由縱向聯結系和吊耳傳來的門重和啟閉力等豎向力產生的拉力或壓力。 邊梁的工作條件為：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7-27，邊梁的截面高度與主梁的端部截面高度相同，腹板厚度為814mm，翼緣厚度應比腹板加厚26mm；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200300mm；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100200mm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300400mm。五、橫向聯結系和縱向聯結系的設計（一）橫向聯結系1.橫向聯