滑动式平面钢闸门结构设计实例

王涛

【摘 要】平面钢闸门是水闸的重要组成部分之一，其结构强度、刚度以及稳定性将直接影响到整个水闸的安全控制运用。以典型平面钢闸门为例，通过合理地布置主梁、次梁等梁格结构维持面板的经济厚度，以实际水头与淤沙高度计算相应的压力荷载，基于实际受力情况选定滑块支撑形式及其规格与尺寸，进而按照相应规范进行闸门的防腐处理。经计算，主梁、次梁以及边梁等构件强度均能够满足要求，闸门布置经济合理。

【关键词】钢闸门；水闸；强度；应力

0 引言

水闸是修建在河道或渠道上利用闸门控制流量和调节水位的低水头水工建筑物，闸门关闭时可以拦洪、挡潮，闸门开启时可以宣泄洪水或向下游渠道供水，应用十分广泛[1]。近年来，随着水利水电工程的不断发展，水工钢闸门的结构型式越来越细化，弧形闸门、扇型闸门等新型闸门结构不断出现，但是，目前应用最多的依然是平面钢闸门，其结构构造简单，运行可靠，闸室相对其他闸门型式可布置成短闸室结构，同时，由于钢结构较好的可靠性和稳定性，平面钢闸门基本上没有需要特别维护的部件。平面钢闸门是水闸的重要组成部分之一，其结构强度、刚度以及稳定性将直接影响到整个水闸的安全控制运用，同时，钢闸门在水工建筑物总造价中所占比重较大，一般约占10%～30%左右，因此，其结构设计是一项重要的工作。

基于上述考虑，以典型平面钢闸门为例，通过合理地布置主梁、次梁等梁格结构维持面板的经济厚度，以实际水头与淤沙高度计算相应的压力荷载，基于实际受力情况选定滑块支撑形式及其规格与尺寸，进而按照相应规范进行闸门的防腐处理，闸门布置力求经济合理。

1 结构布置与荷载

本次设计的平面钢闸门应用于黄河引黄闸的除险加固工程，涵闸结构为三联7孔箱式钢筋混凝土涵闸结构，设计引水流量为100m3/s，加大引水流量为115m3/s，底板高程30.1m，设计引水位33.1m，设计防洪水位42.5m，洞身断面为矩形，宽3m，高4m。

1.1 结构布置

平面钢闸门的结构型式采用潜孔式平面直升闸门，门高4.64m，宽3.60m。闸前水头相对于闸门较高，布置4根主梁，主梁采用实腹式。因闸门孔口尺寸小，门顶与门底的水压强差值相对较小，故主梁按等间距布置。梁系采用复式布置和齐平连接，水平次梁支承在纵梁上，并穿过纵梁腹板，纵梁在主梁处断开，并支承在主梁上。基于黄河的一系列特点，门前泥沙淤积严重，设计采用滑块式行走支承。

1.2 荷载计算

闸门所受荷载主要为水压力和淤沙压力，面板所受荷载首先传递给水平及竖直次梁，进而通过竖向连接系传递给主梁，主梁荷载通过边梁上的支撑行走装置传递到埋件与土建结构。本次设计采用齐平连接，水平、竖直次梁承受的水压力面积，按角平分线及其交点的连线所包括的范围进行计算。

根据流体力学相关公式计算闸门顶部与底部的水压力与淤沙压力[2]，荷载叠加后，门底处总压力为185.23kN/m2，门顶处总压力为117.22 kN/m2。

2 强度计算

面板：主梁、水平次梁与竖直次梁将闸门面板分隔为7对区格，分别计算各区格中心的水压力，底区格水压力180.97kN/m2，顶区格水压力124kN/m2，面板厚度利用《水利水电工程钢闸门设计规范》中的公式进行计算[3]，可知区格VI所需面板厚度最大为δ=11.42mm，考虑到黄河泥沙含量较大，泥沙对钢闸门冲蚀磨损作用明显，此次钢闸门面板厚度应增加适当裕度，取用14mm。

主梁：主梁采用实腹式组合梁，主梁位置按等间距布置，底主梁所受荷载最大，取其进行内力计算。作用在各梁上的荷载作用宽度可按上下梁格宽度的均值进行计算，底主梁所受均布荷载为85.14kN/m。主梁长3.39m，侧止水间距距离为3.052m。经计算，主梁最大弯矩为300.26kNm，最大剪力241.04kN，两端支座反力241.04kN。综合以上计算结果，初选主梁腹板为445×20mm钢板，翼缘板为250×30mm钢板。确定主梁尺寸后，计算主梁最大弯应力为75.28N/mm2<0.9[σ]，主梁端部剪应力为28.3N/mm2<0.9[τ]=85.5N/mm2，满足要求。主梁上翼缘直接利用面板，按规范可不必验算其整体稳定性。梁高大于按刚度要求的最小梁高，故能满足挠度要求。腹板局部稳定符合h0/tw<80（235/σs）0.5，不需设置横向加劲肋。

水平次梁：水平次梁是支承在纵梁上的两跨连续梁，截面型式选用H型钢，跨度为1.695m。由于作用在底次梁上的荷载最大，为104.43kN/m，取底次梁进行计算。经计算，底次梁最大弯矩为36.43kNm，最大剪力109.07kN，两端支座反力65.44kN，中间支座反力218.14kN。综合以上计算结果，次梁初选HW200×200标准H型钢。经验算水平次梁最大弯应力为48.71N/mm2<0.9[σ]，各次梁挠度验算均小于L/250。底梁选用20mm厚，160mm宽钢板，经验算最大弯应力为107.3N/mm2<0.9[σ]，底梁挠度验算小于L/250，满足要求。

竖直次梁：竖直次梁主要承受水平次梁、底梁传来的集中荷载，由于纵梁在主梁处截断，按简支梁计算。纵梁腹板选用445×20mm钢板，上翼缘利用面板，下翼缘采用220×30mm钢板。经计算，竖直次梁最大弯矩为67.62kNm，最大剪力109.07kN，两端支座反力109.07kN。经计算最大弯应力为15.47N/mm2<0.9[σ]，最大剪应力τ=9.2N/mm2<0.9[τ]，满足要求。

边梁：边梁采用单腹式，所受的水平荷载主要是主梁传来的支座反力及水平次梁、底梁传来的水平荷载。经计算，边梁最大弯矩为166.5kN·m，最大剪力282.03kN，两端支座反力分别为397.77kN与680.64kN，最大轴向力为滑块产生的摩擦力119.33kN。边梁采用钢板焊接制成，其中腹板为445×20mm，翼缘为350×30mm。经计算，边梁最大弯应力为44.45N/mm2<0.9[σ]，最大剪力为54.23N/mm2<0.9[τ]，最大折算应力为68.39N/mm2<0.9[σ]，满足要求。

3 结论

通过上述分析与计算，可得如下结论：

第一，平面钢闸门梁系采用复式布置和齐平连接，结构形式简单，同时可更好地将闸门面板所承受的水压力与淤沙压力传递至土建部分。

第二，考虑到黄河泥沙含量较大，泥沙对钢闸门冲蚀磨损作用明显，钢闸门面板设计时，厚度可适当增加裕度。

第三，经计算，根据所设计的荷载传递路径，主梁、次梁、边梁等构件的结构强度均能满足要求，弯应力与剪应力均小于规范允许值。

【參考文献】

[1]任德林.水工建筑物[M].河海大学出版社，1990.

[2]SL265-2016，水闸设计规范[S].

[3]SL74-2013，水利水电工程钢闸门设计规范[S].

[责任编辑：张涛]endprint