滑動式平面鋼閘門結構設計實例

王濤

【摘 要】平面鋼閘門是水閘的重要組成部分之一，其結構強度、剛度以及穩定性將直接影響到整個水閘的安全控制運用。以典型平面鋼閘門為例，通過合理地布置主梁、次梁等梁格結構維持面板的經濟厚度，以實際水頭與淤沙高度計算相應的壓力荷載，基于實際受力情況選定滑塊支撐形式及其規格與尺寸，進而按照相應規范進行閘門的防腐處理。經計算，主梁、次梁以及邊梁等構件強度均能夠滿足要求，閘門布置經濟合理。

【關鍵詞】鋼閘門；水閘；強度；應力

0 引言

水閘是修建在河道或渠道上利用閘門控制流量和調節水位的低水頭水工建筑物，閘門關閉時可以攔洪、擋潮，閘門開啟時可以宣泄洪水或向下游渠道供水，應用十分廣泛[1]。近年來，隨著水利水電工程的不斷發展，水工鋼閘門的結構型式越來越細化，弧形閘門、扇型閘門等新型閘門結構不斷出現，但是，目前應用最多的依然是平面鋼閘門，其結構構造簡單，運行可靠，閘室相對其他閘門型式可布置成短閘室結構，同時，由于鋼結構較好的可靠性和穩定性，平面鋼閘門基本上沒有需要特別維護的部件。平面鋼閘門是水閘的重要組成部分之一，其結構強度、剛度以及穩定性將直接影響到整個水閘的安全控制運用，同時，鋼閘門在水工建筑物總造價中所占比重較大，一般約占10%～30%左右，因此，其結構設計是一項重要的工作。

基于上述考慮，以典型平面鋼閘門為例，通過合理地布置主梁、次梁等梁格結構維持面板的經濟厚度，以實際水頭與淤沙高度計算相應的壓力荷載，基于實際受力情況選定滑塊支撐形式及其規格與尺寸，進而按照相應規范進行閘門的防腐處理，閘門布置力求經濟合理。

1 結構布置與荷載

本次設計的平面鋼閘門應用于黃河引黃閘的除險加固工程，涵閘結構為三聯7孔箱式鋼筋混凝土涵閘結構，設計引水流量為100m3/s，加大引水流量為115m3/s，底板高程30.1m，設計引水位33.1m，設計防洪水位42.5m，洞身斷面為矩形，寬3m，高4m。

1.1 結構布置

平面鋼閘門的結構型式采用潛孔式平面直升閘門，門高4.64m，寬3.60m。閘前水頭相對于閘門較高，布置4根主梁，主梁采用實腹式。因閘門孔口尺寸小，門頂與門底的水壓強差值相對較小，故主梁按等間距布置。梁系采用復式布置和齊平連接，水平次梁支承在縱梁上，并穿過縱梁腹板，縱梁在主梁處斷開，并支承在主梁上。基于黃河的一系列特點，門前泥沙淤積嚴重，設計采用滑塊式行走支承。

1.2 荷載計算

閘門所受荷載主要為水壓力和淤沙壓力，面板所受荷載首先傳遞給水平及豎直次梁，進而通過豎向連接系傳遞給主梁，主梁荷載通過邊梁上的支撐行走裝置傳遞到埋件與土建結構。本次設計采用齊平連接，水平、豎直次梁承受的水壓力面積，按角平分線及其交點的連線所包括的范圍進行計算。

根據流體力學相關公式計算閘門頂部與底部的水壓力與淤沙壓力[2]，荷載疊加后，門底處總壓力為185.23kN/m2，門頂處總壓力為117.22 kN/m2。

2 強度計算

面板：主梁、水平次梁與豎直次梁將閘門面板分隔為7對區格，分別計算各區格中心的水壓力，底區格水壓力180.97kN/m2，頂區格水壓力124kN/m2，面板厚度利用《水利水電工程鋼閘門設計規范》中的公式進行計算[3]，可知區格VI所需面板厚度最大為δ=11.42mm，考慮到黃河泥沙含量較大，泥沙對鋼閘門沖蝕磨損作用明顯，此次鋼閘門面板厚度應增加適當裕度，取用14mm。

主梁：主梁采用實腹式組合梁，主梁位置按等間距布置，底主梁所受荷載最大，取其進行內力計算。作用在各梁上的荷載作用寬度可按上下梁格寬度的均值進行計算，底主梁所受均布荷載為85.14kN/m。主梁長3.39m，側止水間距距離為3.052m。經計算，主梁最大彎矩為300.26kNm，最大剪力241.04kN，兩端支座反力241.04kN。綜合以上計算結果，初選主梁腹板為445×20mm鋼板，翼緣板為250×30mm鋼板。確定主梁尺寸后，計算主梁最大彎應力為75.28N/mm2<0.9[σ]，主梁端部剪應力為28.3N/mm2<0.9[τ]=85.5N/mm2，滿足要求。主梁上翼緣直接利用面板，按規范可不必驗算其整體穩定性。梁高大于按剛度要求的最小梁高，故能滿足撓度要求。腹板局部穩定符合h0/tw<80（235/σs）0.5，不需設置橫向加勁肋。

水平次梁：水平次梁是支承在縱梁上的兩跨連續梁，截面型式選用H型鋼，跨度為1.695m。由于作用在底次梁上的荷載最大，為104.43kN/m，取底次梁進行計算。經計算，底次梁最大彎矩為36.43kNm，最大剪力109.07kN，兩端支座反力65.44kN，中間支座反力218.14kN。綜合以上計算結果，次梁初選HW200×200標準H型鋼。經驗算水平次梁最大彎應力為48.71N/mm2<0.9[σ]，各次梁撓度驗算均小于L/250。底梁選用20mm厚，160mm寬鋼板，經驗算最大彎應力為107.3N/mm2<0.9[σ]，底梁撓度驗算小于L/250，滿足要求。

豎直次梁：豎直次梁主要承受水平次梁、底梁傳來的集中荷載，由于縱梁在主梁處截斷，按簡支梁計算。縱梁腹板選用445×20mm鋼板，上翼緣利用面板，下翼緣采用220×30mm鋼板。經計算，豎直次梁最大彎矩為67.62kNm，最大剪力109.07kN，兩端支座反力109.07kN。經計算最大彎應力為15.47N/mm2<0.9[σ]，最大剪應力τ=9.2N/mm2<0.9[τ]，滿足要求。

邊梁：邊梁采用單腹式，所受的水平荷載主要是主梁傳來的支座反力及水平次梁、底梁傳來的水平荷載。經計算，邊梁最大彎矩為166.5kN·m，最大剪力282.03kN，兩端支座反力分別為397.77kN與680.64kN，最大軸向力為滑塊產生的摩擦力119.33kN。邊梁采用鋼板焊接制成，其中腹板為445×20mm，翼緣為350×30mm。經計算，邊梁最大彎應力為44.45N/mm2<0.9[σ]，最大剪力為54.23N/mm2<0.9[τ]，最大折算應力為68.39N/mm2<0.9[σ]，滿足要求。

3 結論

通過上述分析與計算，可得如下結論：

第一，平面鋼閘門梁系采用復式布置和齊平連接，結構形式簡單，同時可更好地將閘門面板所承受的水壓力與淤沙壓力傳遞至土建部分。

第二，考慮到黃河泥沙含量較大，泥沙對鋼閘門沖蝕磨損作用明顯，鋼閘門面板設計時，厚度可適當增加裕度。

第三，經計算，根據所設計的荷載傳遞路徑，主梁、次梁、邊梁等構件的結構強度均能滿足要求，彎應力與剪應力均小于規范允許值。

【參考文獻】

[1]任德林.水工建筑物[M].河海大學出版社，1990.

[2]SL265-2016，水閘設計規范[S].

[3]SL74-2013，水利水電工程鋼閘門設計規范[S].

[責任編輯：張濤]endprint