平面钢闸门的结构设计

一钢面板的设计次梁的设计主梁的设计横向连结系和纵向连结系的设计边梁的设计

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：

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。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。（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，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。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。板的边界条件：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。（二）面板参加主（次）梁整体弯曲时的强度计算在主（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，只需按下式验算面板A点在上游面的折算应力：

式中σmy=ky·pa2/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（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B点下游面在同号平面（压）应力状态下的折算应力强度：

（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：

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：面板与梁格的连接焊缝应采用连续焊缝，通常hf不宜小于6mm。二、次梁设计（一）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竖立次梁

——简支在主梁上的简支梁；水平次梁

——支承在竖立次梁上的连续梁。

水平次梁承受均布水压力荷载，水压力荷载作用范围按面板区格的中线来划分，则水平次梁所受的均布荷载为：

q=p（a上+a下）/2（N/mm）竖立次梁则承受水平次梁支座反力传来的集中力R。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支承着面板。面板传给梁格的水压力，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。水平次梁的计算简图：⑴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；⑵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。

竖立次梁的计算简图：为支承在主梁以及顶梁、底梁上的简支梁。作用荷载有三角形分布水压力荷载q上和q下及水平次梁的支座反力传来的集中力R。（二）次梁的截面设计次梁一般受荷不大，常采用轧成型钢。

⑴按上述次梁的计算简图计算次梁的最大内力Mmax、V。

⑵按梁的弯应力强度条件求所需的截面模量

W=Mmax/[σ]根据此截面模量和满足刚度要求的最小梁高hmin，选合适型钢。

⑶截面验算

计算截面取值：当次梁直接焊接于面板时，焊缝两侧的面板在一定的宽度（有效宽度）内可以兼作次梁的翼缘参加次梁的抗弯工作。面板参加次梁工作的有效宽度B可按下面两式计算的较小值取用：

①考虑面板兼作梁受压翼缘而不至失稳而限制的有效宽度：②考虑面板沿宽度上应力分布不均而折算的有效宽度：B=ξ1.b或B=ξ2.b式中b=（b1+b2）/2ξ1、

ξ2--有效宽度系数，ξ1用于正弯矩区，ξ2用于负弯矩区。可查表8-1。三、主梁设计

（一）主梁的形式

主梁是平面钢闸门中的主要受力构件，可采用实腹式或桁架式。

跨度小水头低的闸门，可采用制造方便的型钢梁；对于中等跨度的闸门（5-10m）常采用实腹式组合梁；对于大跨度的闸门，则宜采用桁架式主梁。（二）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。主梁承受面板传来的分布水压力和竖直次梁传来的集中荷载。

对实腹式梁，可近似换算为均布荷载。当主梁按等荷载原则布置时，每根主梁所受的均布荷载集度为：

q=P/n（kN/m）

P-----闸门单位跨度上作用的总水压力（kN/m）

n-----主梁的数目。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+2dL0----闸门的孔口宽度，d=（0.15~0.4）m

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。

（三）主梁设计的特点⑴对于钢闸门的主梁，考虑到其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。故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[σ]计算。⑵当主梁直接与面板相连时，部分面板可兼作主梁上（前）翼缘的一部分参加其抗弯工作。面板的有效宽度取下列两式的较小值

B=ξ1b式中bl-为主梁的上翼缘宽度，b--为每根主梁承受荷载面的宽度。⑶主梁的刚度、整体稳定和局部稳定的验算见第五章内容。四、横向联结系和纵向联结系的设计

（一）横向联结系（竖向联结系）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，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。布置：应对称与闸门的中心线，一般布置1~3道，数目宜取奇数，间距不宜超过4~5米，并通常按等间距布置。横向联结系的型式：应根据主梁的截面高度、间距和数目而定。主要有实腹隔板式和桁架式两种。实腹式隔板的计算简图如图8-18（a）所示，通常可按图8-18（b）所示简化计算。

横隔板的截面设计：横隔板的应力一般都很小，其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8-12mm，前翼缘可利用面板兼作而不必另行设置；后翼缘可采用扁钢，宽度（100-200）mm，厚度取（10-12）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（图8-19（b））。

横向桁架是支承在主梁上的双悬臂桁架，其计算简图如图8-20所示。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。（二）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。其主要作用是：

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；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（图8-21）。可按支承在闸门两侧边梁上的简支平面（当主梁高度改变时为折面）桁架计算。闸门的自重G可根据闸门的重心位置按杠杆原理分配给上下游面的面板和纵向联结系。然后再将分配来的竖向荷载（G1=G×c1/h）均匀地分到桁架节点上P1=G1/n。从而计算各个杆件内力并选择杆件截面。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。其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。

边梁的工作状态为：当闸门关闭挡水时为压弯构件；当闸门开启时为拉弯构件。边梁的截面尺寸通常按构造要求确定，然后进行强度计算。如图8-8和图8-22，边梁的截面高度