平面鋼閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計

一鋼面板的設(shè)計次梁的設(shè)計主梁的設(shè)計橫向連結(jié)系和縱向連結(jié)系的設(shè)計邊梁的設(shè)計

第三節(jié)平面鋼閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計一、鋼面板的設(shè)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(dāng)該點的應(yīng)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(dāng)荷載增加到設(shè)計荷載（A點屈服時）的（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(yīng)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(yīng)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(yīng)力由兩部分組成：一是局部彎曲應(yīng)力，即矩形薄板本身的彎曲應(yīng)力；二是整體彎曲應(yīng)力，即面板兼作主（次）梁翼緣參與梁系彎曲的整體彎應(yīng)力。

初選面板厚度時，先按面板支承長邊中點A的最大局部彎曲應(yīng)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(yīng)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—彈塑性調(diào)整系數(shù),當(dāng)b/a≤3時,α=1.5;當(dāng)b/a＞3時,α=1.4。

[σ]—鋼材的抗彎容許應(yīng)力（Mpa）

對于普通式和復(fù)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)按第四強度理論驗算面板的折算應(yīng)力強度。

⑴當(dāng)面板的邊長比b/a＞1.5，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(yīng)力：

式中σmy=ky·pa2/t2

；σmx=μ·σmy；μ=0.3

⑵當(dāng)面板的邊長比b/a≤1.5或面板長邊方向與主（次）梁垂直時（圖8-11），面板在B點下游面的應(yīng)力值（σmx+σ0xB）較大，這時雖然B點下游面的雙向應(yīng)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(yīng)按下式驗算B點下游面在同號平面（壓）應(yīng)力狀態(tài)下的折算應(yīng)力強度：

（三）面板與梁格的連接計算

1）當(dāng)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：

式中σmax---厚度為t的面板中的最大彎應(yīng)力，σmax可取[σ]。2）由于面板作為主梁的翼緣，當(dāng)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(yīng)采用連續(xù)焊縫，通常hf不宜小于6mm。二、次梁設(shè)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。面板傳給梁格的水壓力，按梁格夾角的平分線來劃分各梁所負擔(dān)的水壓力作用范圍。水平次梁的計算簡圖：⑴當(dāng)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(dāng)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(yù)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(shè)計次梁一般受荷不大，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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(shè)計

（一）主梁的形式

主梁是平面鋼閘門中的主要受力構(gòu)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(dāng)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-----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+2dL0----閘門的孔口寬度，d=（0.15~0.4）m

當(dāng)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。但對于直接與面板相連的上弦桿，應(yīng)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(gòu)件選擇截面。

（三）主梁設(shè)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(jié)系的弦桿，還需承受一部分閘門自重產(chǎn)生的應(yīng)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(dāng)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=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(jié)系和縱向聯(lián)結(jié)系的設(shè)計

（一）橫向聯(lián)結(jié)系（豎向聯(lián)結(jié)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(dāng)水位變更等原因而引起各主梁的受力不均時，橫向聯(lián)結(jié)系可均衡各主梁的受力并且保證閘門在橫截面的剛度。布置：應(yīng)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(jié)系的型式：應(yīng)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，通常可按圖8-18（b）所示簡化計算。

橫隔板的截面設(shè)計：橫隔板的應(yīng)力一般都很小，其尺寸可按構(gòu)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8-12mm，前翼緣可利用面板兼作而不必另行設(shè)置；后翼緣可采用扁鋼，寬度（100-200）mm，厚度?。?0-12）mm。為減輕門重，可在隔板中間彎應(yīng)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(gòu)件，腹桿及下弦桿為軸心受力構(gòu)件。（二）縱向聯(lián)結(jié)系縱向聯(lián)結(jié)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(gòu)成封閉的空間體系以承受偶然的作用力對閘門引起扭矩?？v向聯(lián)結(jié)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(dāng)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(jié)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。從而計算各個桿件內(nèi)力并選擇桿件截面。五、邊梁設(shè)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(jié)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(dāng)閘門關(guān)閉擋水時為壓彎構(gòu)件；當(dāng)閘門開啟時為拉彎構(gòu)件。邊梁的截面尺寸通常按構(gòu)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