水工金属结构设计

9. 金属结构及电气设计

9.1 金属结构

本设计涉及的金属结构包括钢闸门及启闭机。 9.1.1 平面钢闸门设计

设计选用平面钢闸门，平面钢闸门与其他形式闸门相比有以下优点：结构简单，制造与安装容易，而且工作量小；结构刚度大，工作可靠，运行维护费用低，可提到水面以上检修；操作简单、迅速，安全，有互换性；应用范广泛，可在各类水利水电工程及通航枢纽中，用作工作闸门、事故闸门、检修闸门及施工导流闸门。 9.1.1.1 平面钢闸门结构型式及布置

1、闸门尺寸的确定

根据闸孔尺寸为10.0×6.0m，确定闸门两侧止水间距为L1=10.0m，计算跨度为孔口宽度+支撑中心至闸墩侧面的距离的两倍，取为L =10.55m，闸门的高度为孔口高度H=6.0m。

2、主梁的型式

主梁是闸门最主要的承力构件，其数量主要取决于闸门的尺寸和水头的大小。对于闸门跨度L较大，而门高H较小（L≥1.5H）的露顶闸门，主梁数目一般为两根。

本闸门跨度为10.0m，高度为6.0m，10.0/6.0≥1.5，因此确定为双主梁闸门。属于中等跨度闸门，为了便于制造和维护，设计采用实辅式组合粱。

3、主梁的布置

为使两主梁在设计水位时所受的水压力相等，两个主梁的位置对称于水压力合力的作用线，如图9-1所示。

主梁位置还需要满足下列要求：

①主梁的间距应尽量大些，以保证闸门的竖向刚度。

②闸门的上悬臂c不易过长，通常要求c≤0.45H，以保证门顶悬臂部分有足够的刚度。悬臂c值也不宜超过3.5m。

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③主梁间距应满足滚轮行走支承布置的要求。

④工作闸门的下主梁距平面闸槛的高度应不至于产生真空现象，并要求下悬臂a≥0.12H 和 a≥0.4m，

取：a=0.12×6≈0.7m，c=0.45×6=2.7m； 主梁间距：2b=H-c-a=6-2.7-0.7=2.6m；

图9-1 梁格布置尺寸

4、梁格的布置及型式

梁格采用复式布置和等高连接，使水平次梁、竖直次梁和主梁的前翼缘都直接与面板相连，以便于梁系与面板形成强固的整体，面板可与梁系共同受力，形成梁截面

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的一部分，从而减少梁系的用钢量。水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板支承成为连续梁，面板直接支承在梁格的上翼缘上。

水平次梁间距布置上疏下密，使面板需要的厚度大致相等。具体数据见“面板设计”一节。

5、联接系的型式及布置 ①横向联接系

为了简化闸门的制造、横向联接系采用横隔板式，其布置应和梁的设计跨度有关，本闸门根据主梁的跨度决定布置三道横隔板，间距为2.18m、2.18m、2.175m，隔板兼做竖直次梁。

②纵向联接系

纵向联接系设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用简单的斜杆式桁架。 6、边梁和行走支承部分

因闸门的水头和孔口较大，设计时将轮子装设在双腹式边梁的两块腹板之间，即简支式滚轴，以避免边梁受扭。 9.1.1.2 主梁设计

平面闸门的主梁绝大多数采用组合梁。对于主梁跨度较大的露顶闸门，为减小门槽尺寸和节约钢材，采用变截面的主梁型式。设计中主梁采用变截面的组合梁，材料选用A3钢。

图9-2 主梁荷载计算简图

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1、截面选择 ①弯矩与剪力计算

双向水压力作用在下主梁的均布荷载为：q1.94t/m； 因此作用在主梁上的最大剪力和弯矩分别为：

QmaxqL111.94109.70t； 22MmaxqLL1qL1226.92 t·m。

48②截面模量计算

考虑钢闸门自重引起的应力影响，取容许弯应力为[σ]=0.9x1600kg/cm²，则需要的截面抵抗矩为：

Mmax26.92105W1869cm3。

[]0.91600③腹板高度选择

按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为：

hmin0.960.23[]L0.9160010.551000.960.2395.8cm。 6E[f/l]2.1101/600（0.96为考虑截面不对称影响的系数） 仅对主梁自重而言，其经济梁高为：

hjkW1.5186965cm； 1.0注：翼缘截面不改变的焊接梁k=1.5，腹板厚度近似地估计为：

73h31000710mm； 10001000由于钢闸门中的横向隔板重量随主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比hj小，但不小于hmin因此确定高度为100cm。

④腹板厚度计算

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3Qmax9.7103按剪切强度要求：1.50.15cm；

2[]h0950100按局部稳定要求：⑤翼缘截面选择

每个翼缘需要截面积为：

A1W118691h01.01002.02cm2； h061006A2.02h0h00.07cm，~40~20cm之间，需要t1b1302.55h0h~01.0~0.72cm，选用δ=1.0cm。 100140下翼缘选用b1=30cm，在

选用t=2cm，符合钢板规格。

下翼缘截面积：A1下30260cm2，上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连接，选用t=2cm，b1=14cm。

面板兼做主梁上翼缘的有效宽度取为：Bb16014600.862cm； 上翼缘截面积：A1上142620.877.59cm2。 弯应力强度验算：

主梁跨中截面的几何特性图如下：

图9-3 主梁跨中截面

截面形心矩：y1Ay'11578.2448.7cm； A237.6精彩文档

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截面惯性矩：I=444507cm4 截面抵抗矩：上翼缘顶边WmaxI4445079122cm3； y148.7I4445077928cm3； y2104.848.7下翼缘底边Wmin弯应力：maxMmax26.92105340kg/cm2<0.9[σ]=1440kg/cm²。 Wmin7928表9-1 主梁截面几何特性表 截面 部位 截面长截面厚面积A(cm²) 面板 部分 上翼缘板 腹板部分 下翼缘板 合计 62 14 100 30 0.8 2 1 2 49.6 28 100 60 237.6 （cm） （cm） 各形心离面板表面距离 y´（cm） 0.4 1.8 52.8 103.8 19.84 50.4 5280 6228 11578.24 48.7 Ay´(cm³) 各形心离 截面形 中和轴距心距 离 （cm） -48.3 -46.9 4.1 55.1 115855 61668 1657 181963 361142 y1（cm） y=y´-y1Ay²(cm³) 整体稳定性与挠度验算：

因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按规范规定可不必验算整体稳定性，又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。

2、截面优化

因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度（节省钢材），有必要将主梁支承端腹板高度减小为h0d=0.6h0=0.6x100=60cm。

梁高开始改变的位置取在临近支承端的腹板及翼缘都分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，可按工字型截面来验算主梁支承端的剪切强度。

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图9-4 主梁变截面位置图

按照剪切强度验算：

Qmax9.71031.17d1.17189.2kg/cm2<[τ]=950kg/cm²；

h0601故支承端的腹板可不必加厚。 支承端截面的几何特性：

表9-2 支承端截面的几何特性表

各形心截面 部位 长 截面 厚 截面面积A(cm²) 离面板表面 距离y´ （cm） 面板部分 上翼缘板 腹板部分 下翼缘板 合计 2 4 0 0 0.8 2 1 2 49.6 28 60 60 197.6 0.4 1.8 32.8 63.8 19.84 50.4 1968 3828 6.24 29.7 -29.3 -27.9 3.1 34.1 42545 21776 581 69820 134722 Ay´ (cm³) 截面形心距 各形心离 中和轴距离 Ay² (cm³) （cm） （cm） y1（cm） y=y´-y1（cm）

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图9-5 主梁支承端截面

5866.24截面形心矩：y1= 29.7cm；

197.6截面惯性矩：I=134722cm；

截面下半部对中和轴的面积矩：S2595cm3； 剪应力：QmaxS165kg/cm<[τ]=950kg/cm²。 I04

3、翼缘焊缝

翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算，最大剪力Qmax=9.7t，截面惯性矩I0=152754cm4。

上翼缘对中和轴的面积矩：S149.629.32827.92334cm3； 下翼缘对中和轴的面积矩：S26034.12047cm3；

QS19.71032334需要hf0.03cm；

1.4I0[lh]1.41527541150全梁上、下翼缘焊缝都采用hf=6mm。 4、腹板的加劲肋和局部稳定性验算 加劲肋的布置：因为hfh0100100>80，故须设置横加劲肋，以保证腹板的1.0局部稳定性。按照规范TJ17-74规定，横加劲肋间距a应满足：

a2000h0h0

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2500实用标准文案

从剪力最大的区格Ⅰ来考虑，该区格中点截面的腹板高度：

h0x601060h1301579.679.6cm，因0x79.6<80，故在梁高减小的区格Ⅰ

250151.0内可不另设加劲肋。

从梁高与弯矩都较大的区格Ⅱ来考虑：

该区格左边截面的剪力：Q9.71.9452.184.22t；

52.18该截面的弯矩：M9.72.181.942腹板平均剪应力：腹板弯曲压应力：2213.43t·m；

Q42.3kg/cm2； h0My0144.14kg/cm2； I2h1000144.14144.14查表得η=1.0；

1001.0100得出：a20001001001.023425001.0200000

15302500上式中分母为负值，按TJ17-74规定，横加劲肋要按最大间距a=2h0=200cm布置。实际上由于平面钢闸门有横向加劲肋，其间距为260cm，虽然大于2h0，但从上列计算可见，腹板中部区格的剪应力很小，主要受弯应力的作用，且h0/δ=100也不算大（同h0/δ<160相比），显然，腹板有足够的局部稳定性，故在横隔板之间可不再另设横加劲肋。

横加劲肋的尺寸：因横隔板兼做横加劲肋，其尺寸远较一般横加劲肋为大，显然能够满足当a>2h0时须相应增大加劲肋尺寸的要求，故不必计算加劲肋的尺寸。 9.1.1.3 面板设计

面板是闸门结构的重要构件，一般做成平面，钢面板的优点是不透水、经久耐用、面板与梁系连接在一起，使闸门具有很大的刚度。

根据《钢闸门设计规范SDJ13-78》关于面板的计算，先估算面板的厚度，在主梁截面选样之后再验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。

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1、估算面板厚度

表9-3 四边固定矩形弹性薄板受均匀荷载的弯应力系数k（µ=0.3）

验算点 k 验算点 k b/a 1.00 0.308 1.10 0.348 1.20 0.383 1.30 0.412 b/a 1.70 0.479 1.80 0.487 1.90 0.493 2 0.497 2.5 0.500 ∞ 0.500 1.40 0.438 1.50 0.454 1.60 0.468

表9-4 面板厚度计算表

区格 高度 区格 宽度 b/a 四边固定弯应力系数 K 0.45 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 区格中心水压强 P（kg/cm²) 0.073 0.213 0.320 0.409 0.489 0.564 弹塑性调整系数 α 1.65 1.65 1.55 1.55 1.55 1.55 材料抗弯 材料抗弯容许应力 容许应力 [σ]（kg/cm²） 1600.0 [σ] （kg/cm²） 1440.0 面板 厚度 δ （cm） 0.27 0.47 0.58 0.61 0.56 0.43 a（cm） b（cm） 165.0 217.0 1.5 101.0 217.0 2.0 86.0 77.0 69.0 53.0 217.0 2.5 217.0 2.8 217.0 3.1 218.0 4.1 注：面板边长a、b都从面板与连接焊缝算起，主梁上翼缘宽度为14cm。 假定梁格布置的尺寸如图1所示。面板厚度按下式计算,结果见表9-4：

a式中：

kp 0.9[]k—四边固定的矩形薄板在支承长边中点的弯应力系数，可从表9-3查得； α—弹塑性调整系数；

当b/a<3时，α=1.65，则0.0205akp； 当b/a<3时，α=1.65，则0.0212akp；

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根据上述计算，确定面板厚度δ=0.8cm。 2、面板与梁格的连接计算

面板挠曲时产生的横拉力N的计算：面板区格Ⅵ偏于安全的按两端铰接考虑，已知该区格的平均水压强度p=0.564kg/cm²，板跨l=a=53cm，板厚δ=0.8cm，板条的弯曲刚度：

E32.11060.83D98461.54kg·cm²。 221211210.3板条在仅有p作用下的跨中挠度：

5pL400.59cm；

384D则： a1a20.593031.62；

0.82由上式得出 0.62 面板横拉力：

N2DL2213.58kg/cm；

面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：

TQS422.58kg/cm； I0面板与主梁连接的焊缝厚度：

TN220.37cm；

0.7[lh]2hf面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=6mm。 9.1.1.4 水平次梁、顶梁、底梁的设计

1、荷载与内力计算

水平次梁和顶、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力按下式计算：

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q=P（a上+a下）/2

具体计算见表9-5。

表9-5 水平梁荷载计算表

梁号 3（上主梁） 2.52 4 2.52 5 2.52 6（下主梁） 2.52 7（底梁） 0.60 0.4 1.008 0.81 0.705 1.777 0.84 0.825 2.079 0.95 0.895 2.255 梁轴线处水压 强度p（t/m²） 1.62 梁间距a(m) 1.13 (a上+a下)/2 q（t/m²） 1.04 1.685 顶梁荷载按下式计算： 1.5721.5723q1.72 备注 =0.375t/m 由表9-5得出，水平次梁计算荷载按2.255t/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.18m。水平次梁局部弯曲时的边跨中弯矩为：

M次中´= 0.077ql20.83t·m；

支座的负弯矩为：

M次B´= 0.107ql21.15 t·m；

2、截面选择 截面模量为：

M1.15105W71.9cm3；

[]1600考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选[18a，查表得：

A=25.69cm²，Wx=141.4cm³，Ix=1272.7cm4，b1=6.8cm，d=0.7cm

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图9-6 水平次梁计入部分面板的联合作用后的组合截面

面板作为次梁翼缘计算宽度按下式计算，并取其中的最小值。 B对于l0/b=174.4/82.5=2.114，查表得ζ1=0.718，则

B0.71882.559.2cm。

对于l0/b=104/82.5=1.057，查表得ζ1=0.313，则B25.8cm。 对第一跨中选用B=54.8cm，则水平次梁组合截面面积：

A=25.69+54.8×0.8=69.53cm²。

组合截面形心到槽钢中心线的距离：

e54.80.89.45.93cm。

69.53跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：

I次中=2712.18cm4；

Wmin2712.18182.03cm3。 14.9对支座段选用B=30cm，则组合截面面积：A25.69300.849.71cm2；

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组合截面形心到槽钢中心线的距离：e支座组合截面的惯性矩及截面模量：

300.89.44.54cm。

49.71I次B= 2379.61cm4；

Wmin2379.61176.27cm3。 13.53、水平次梁的强度验算

由于支座B弯矩最大，而截面模量较小，当不考虑水平次梁与主梁的整体弯曲时，只需要验算支座B截面的弯曲强度，即：

1.15105652.41kg/cm2<[σ]=1600kg/cm²； σ次= M次B´/Wmin=

176.27说明水平次梁选用[18a满足要求。

如果考虑横向隔板的牵制使水平次梁与主梁共同工作而发生的整体弯曲，仅由整体弯曲在水平次梁内引起的弯矩按下式计算：

M\"次=M主I次/(I主+n次I次/n主)。

对应于水平次梁边跨中点及第二支座B处的主梁截面中—中及B—B，这两个截面的惯性矩和弯矩分别为：

1.94101.940.81521.099.93t·m； I主中=289200cm，M主中=

224

1.94101.941.90522.1817.63t·m； I主B=467980cm，M主B=

224

根据梁格的布置，已知水平次梁数目n次=4，主梁数目n主=2，计算得出：

2712.180.09 t·m；

42892002712.1822379.61M\"次主= 17.630.09 t·m；

44445072379.612M\"次中= 9.93水平次梁在第一跨中和第二支座B截面内的总弯矩分别为：

M次中=M´M次B=M´

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次中

+ M\"次中=0.83+0.09=0.92 t·m；

次B

+ M\"次B=1.15-0.09=1.06 t·m；

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按M次再次验算截面强度与前次进行比较。

0.92105503.7kg/cm2； 跨中截面弯应力：σ次中= M次中/Wmin=

182.031.06105601.4kg/cm2。 支座B截面弯应力：σ次B= M次B/Wmin=

176.27

图9-7 主梁的变截面梁段

从以上验算结果，其弯应力均小于前次未考虑水平次梁与主梁整体弯曲时的弯应力值652.4kg/cm²。

轧成梁的剪应力一般很小，可不必验算。 4、水平次梁局部弯曲的挠度验算

受均匀荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在边跨，由于水平次梁在B支座截面内的弯矩已经计算出，即M次B=2.22 t·m，则边跨挠度可近似的按下式计算：

f/l=5ql3/EI次－M次BI/16EI次

0.0028[f/l]1/2500.004；

故水平次梁选用[18a满足刚度和强度的要求。 9.1.1.5 横隔板设计

横隔板兼做竖直次梁，主要承受水平次梁、顶梁、底梁传来的集中荷载和面板传来的分布荷载，它支承在主梁上，计算时可作为承受三角形分布水压力而支承在主梁上的双悬臂梁。作用在每片横隔板悬臂段的最大负弯矩：

2.722.7M2.187.15t·m。

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横隔板的腹板选用与主梁腹板同高，采用1000×8mm，翼缘利用面板，后翼缘采用扁钢200×8mm。

前翼缘可利用的面板宽度按下式计算：

B=ζ2b

式中横隔板间距b=218cm，按l0/b=2×270/218=2.48查表确定有效宽度系数ζ

2

=0.58，故B=ζ2b=0.58×218=126cm。

图9-8 横隔板截面

截面形心到腹板中心线的距离：

e1300.850.4200.850.422.18cm；

1300.8200.81000.8截面惯性矩：

0.81003I0.810022.1820.82072.5820.813028.222

12273130.87cm4；

抗弯截面模量：Wmin273130.873742.54cm3；

72.98M7.15105验算弯应力：191.1kg/cm2<[σ]。

Wmin3742.54由于横隔板截面高度较大，剪切强度更不必验算，横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度hf=6mm。

9.1.1.6 纵向联接系设计

1、荷载与内力计算

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纵向联接系承受闸门的自重，露顶式平面钢闸门门叶自重G按下式计算：

GKzKcKyH1.43B0.880.811.00.136.01.43100.8810.36t；

下游纵向联接系承受0.4G=0.4×10.36=4.14t。 纵向联接系视作简支的平面桁架，节点荷载为：计算杆件内力，如图9-9所示。

4.141.04t。 4

图9-9 纵向联接系计算图

2、斜杆截面计算

斜杆受的最大拉力N=0.51t，但考虑闸门偶然扭曲时可能受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即λ≤[λ]=200。

选用单角钢∠100×8，查表得截面面积A=15.6cm²，回转半径ry0=1.98cm。 斜杆计算长度：l00.92.622.1823.05m； 长细比：l03.05100154<[λ]=200； ry01.9851033kg/cm2<0.85[σ]=1360kg/cm²。 15.6按拉杆验算强度：3、斜杆与节点连接焊缝计算

斜杆角钢直接焊在主梁的下翼缘上，其焊缝的承载能力按把该斜杆当作轴心压杆时的承载能力等强的条件来设计。斜杆的稳定系数根据长细比λ=154查表得 =0.292，则斜杆当作压杆时的承载力：

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NA[]15.60.29216007288.3kg

需要的贴角焊缝总面积：AfNhl7288.36.3cm2； 1150若角钢的肢尖和肢背均取焊缝厚度为hf=6mm，则肢尖处的焊缝长度：

l'f0.3Af0.7hf0.36.34.5cm；

0.70.6采用l'f6cm。 肢背处的焊缝长度：l采用l\"f11cm。 9.1.1.7 边梁设计

边梁的截面型式采用单腹式，截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁端部高度相同，腹板厚度与主梁腹板厚度相同，为了便于安装滚轮，后翼缘宽度不小于30cm。

边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力值降低20%作为考虑受扭影响的安全储备。

\"f0.7Af0.7hf0.76.310.5cm；

0.70.6

图9-10 边梁截面图

1、荷载与内力计算，在闸门两侧边梁上各设2个滚轮。 ①水平荷载

主要是主梁传来的水平荷载，还有顶梁、底梁和各水平次梁端支座传来的水平荷

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载。为了简化计算起见，可假定这些荷载全部作用于主梁端部，所以在每个主梁端部作用于边梁上的荷载为R=9.7t。

②竖向荷载

有闸门自重、滚轮摩阻力、止水摩阻力、起吊力等。作用在一个边梁上的起吊力的大小估计为25t。

③内力计算

为了增加启门时的稳定性，可将上、下两个滚轮的距离布置的大一些，其间距为主梁间距2.3m。

上滚轮所受的压力：R19.7t；下滚轮所受的压力：R29.7t；最大弯矩：

Mmax9.72.612.6t·m；最大剪力：Qmax9.7t。 2在最大弯矩作用截面上的轴向力（等于起吊力减去滚轮的摩阻力）

N259.70.1223.84t。

2、边梁的强度验算

截面面积：A601.02301.4144cm2； 面积矩：Smax1.43030.7130151740cm3；

16032301.430.7297169cm4； 截面惯性矩：I12截面模量：W971693095cm3； 31.4截面边缘最大应力验算：

maxNMmax573kg/cm2<0.8[σ]=0.8×1600=1280kg/cm²； AW腹板与下翼缘连接处折算应力验算：

NMmaxy'555kg/cm2； AWyQSi127.5kg/cm2； Izh232597kg/cm20.8[]1280kg/cm2；

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腹板最大剪应力验算：

QSmax173.6kg/cm20.8[]0.8950760kg/cm2； I以上验算均满足强度要求。 9.1.1.8 行走支承设计

行走支承承担闸门上的全部水压力，然后通过埋设轨道将水压力再传给闸墩或边墩。为防止闸门在运行时前后碰撞、左右歪斜而受卡，以保证闸门在门槽中顺利启闭，还需设置导向装置，即侧轮。目前行走支承装置分为滑动式行走支承与滚动式行走支承两大类。由于滑动式行走支承的摩擦阻力较大，为减小启闭力，可采用滚动式行走支承。滚动式行走支承的型式有滚轮和链轮两种，在同一情况下，滚轮式支承的摩擦阻力仅为胶木滑道的1/2～1/3。

滚轮式支承的型式有简支轮、悬臂轮等，对于一般水头的中、小型工作闸门，多采用简支轴式定轮，其轴安设在边梁双腹板上，可避免轴的弯曲力矩过大的情况发生。

1、简直轮计算

最大轮压：P1.1R1.19.710.67t110kN（式中1.1为动载系数），轮直径：Φ80cm，踏面宽度：b=12cm，轮轴：Φ12cm。

①轮子的接触应力

max0.418PE290MPa； bR轮子材料选用ZG310－570，[σs]=320MPa，则

max3.0s3.0320960MPa；

满足强度要求。 ②轮轴的弯曲应力

轮轴的弯曲应力计算图如下：

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图9-11 轮轴计算简图 （单位：cm）

轴径d=12cm，支承跨距L=26cm，轴套长度l=20cm，则

aLl26203cm； 22弯曲应力：P4al226N/mm； 30.785d轮轴材料选用40Cr（调质处理），[σ]=320MPa。 ③轮轴的剪应力

④轴套的承载应力

8P7N/mm2[]215MPa。 23dcgP110104.6N/mm2[cg]40MPa； dl1220轴套用钢基铜塑复合材料。 ⑤轴承座的局部紧接承压应力

cj2、轨道的计算

P110108.8N/mm2[cj]80MPa。 2d25.212滚轮荷载P=110kN，轨道材料为ZG310－570。 ①轨道底板混凝土承压应力

hP110100.92N/mm2； 3hkBk32020二期混凝土为C25，其[σh]=9N/mm²。

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图9-12 轨道截面尺寸 （单位：cm）

②轨道横截面弯曲应力

3Phk 8Wk2251339142cm4； 其中：Ik3.5207.453.5159.055130.8122Wk9142846cm3； 10.83Phk9.8N/mm2[]140N/mm2； 8Wk③轨道颈部的局部承压应力

cd3hc2212.7N/mm2[]140N/mm2。

9.1.1.9 闸门启门力和吊座计算

1、闸门启门力计算

具体计算见“启闭机选型”一节。 2、吊轴和吊耳板验算

①吊轴采用3号钢，[τ]=650kg/cm²,采用双吊点，每边起吊力为：

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N1.2T40.31.224.2t； 22吊轴每边的剪力：Q需要吊轴截面积：AN24.212.1t； 22Q1210018.6cm2； []650所以吊轴直径：d②吊耳板强度验算

4A418.64.9cm。

按局部紧接承压条件，吊耳板采用A3钢板，其[σcj]=800kg/cm²，需要的厚度

N24.2103为：3.8cm；

d[cj]8800因此在边梁腹板端部的两侧各焊接一块厚度为2cm的加强板。加强板采用圆形，其直径取为3d=3×8=24cm。

N24.2103cj756kg/cm2；

d84吊耳板半径R=12cm，周孔半径r=4cm，[σk]=1200kg/cm²，所以吊耳孔壁拉应力：

12242kcj22945kg/cm20.8[k]960kg/cm2；

124故满足强度要求。 9.1.2 平面钢闸门防腐 9.1.2.1 腐蚀原因类型

平面钢闸门腐蚀主要是化学过程，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 1、化学腐蚀

化学腐蚀是金属表面的原子直接与反应物（如氧﹑水﹑酸）的分子相互作用，遵循化学的多相反应机理。

2、电化学腐蚀

电化学腐蚀机理是：在电解质溶液中，金属表面各个部分的电位不同，构成腐蚀电池，在这种电池中，阳极上的金属溶解成为金属离子进入溶液，放出的电子流到阴

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极消耗掉，整个过程伴随着电流的产生。钢闸门所用钢铁的成分除铁之外, 还含有石墨、渗碳体( Fe3C )以及其它金属和杂质, 它们大多数腐蚀电位比铁高, 这样形成的腐蚀电池的阳极为铁, 而阴极为杂质。由于铁与杂质紧密接触, 遇到含有酸、碱、盐的水溶液、海水或者潮湿的大气构成的电解质溶液，满足形成原电池的三个条件。钢闸门的腐蚀主要以电化学腐蚀为主。

此外，外界环境因素，如水温、pH 值、水质污染、水阻率、流速、钢闸门在水中的不同位置、生物附着情况及钢闸门表面防腐涂层状况等, 也对钢闸门的腐蚀产生很大影响。

9.1.2.2 常用防腐蚀方法

目前，较常见的钢闸门防腐蚀方法有涂料保护法、金属热喷涂保护、喷涂聚脲弹性体保护、电化学保护法等。

1、涂料保护

涂料防腐是用环氧类、树脂类或者氯化橡胶类等高性能涂料涂敷在钢件表面，使闸门表面与水或其它引起腐蚀的介质隔离，达到防腐的目的。防腐蚀涂层系统由与基体金属附着良好的底漆和具有耐候、耐水性的面漆组成，中间漆选用能增加与底漆、面漆之间结合力且有一定耐蚀性能的涂料。这种方法在国内应用最为广泛。

2、金属热喷涂

金属热喷涂保护系统包括金属喷涂层和涂料封闭层。目前应用广泛的金属热喷涂材料有锌、铝、锌铝合金和铝镁合金。该措施对于钢闸门具有隔绝封闭电解液和电化学的双重保护作用：一是象涂料保护那样把钢闸门基体与水或其它引起腐蚀的介质隔离开来，避免形成原电池腐蚀；二是从理论上讲，金属喷涂层不可避免存在细微孔隙，使得钢闸门基体与水溶液接触，如果涂料封闭层发生破损，由于喷涂金属电位比铁电位更低，这样就形成了腐蚀电池，喷涂金属失去电子成为阳极，而铁则为阴极受到保护，起到牺牲阳极保护阴极的作用。

3、喷涂聚脲弹性体

聚脲弹性体技术是为适应苛刻腐蚀环境和环保需求而研制、开发的一种新型无溶剂、无污染的防腐保护措施。聚脲弹性体为A、B两组份，通过一定压力下撞击混合

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喷涂在钢件表面，使钢件表面与腐蚀性介质隔离，从而实现防腐的目的。聚脲弹性体具有优异的防腐蚀性能；具有高附着力，同钢铁基体附着力为普通涂料的2-3倍；具有较高的强度和柔韧性，喷涂层抗外力破坏能力强；具有优异的耐水性能及耐老化性能，可以保证有20-30年甚至更长的使用寿命。

4、阴极保护

阴极保护的原理是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。分为牺牲阳极保护法和外加电流保护法。

① 牺牲阳极保护

将电位更负的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的相同电位下，同时金属变成离子而牺牲。

② 外加电流保护

利用外加直流电，负极接在被保护金属上成为阴极，正极接辅助阳极。由于金属结构受条件限制，用该方法在管理上尚有困难。 9.1.2.3 防腐方案选择

1、防腐方案经济技术分析 ① 涂料保护

涂料保护法是传统的防腐措施，工艺简单，施工费用低廉，但保护年限相对较短，在正确使用涂料防腐条件下，目前全国腐蚀学会论证结论为5～10年（一般不超过10年）。因此，对于运行环境好、检修方便、保护年限要求不高的金属结构，优先考虑涂料保护法。另外，具备检修条件的金属结构设备，也可选择这种防腐措施。

② 金属热喷涂

金属热喷涂防腐工艺相对涂料防腐，工艺稍显复杂，一次投资较大，但其运行管理费用相对较低，并可延长设备使用年限，推迟设备更新改造资金投入。金属热喷涂和涂料的复合保护系统能发挥最佳协同效应, 防护寿命可达20年以上。该方法适合应用于经常处于水下或干湿交替等环境恶劣，且不易检修或检修对发电、泄洪或航运

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等有较大影响的金属结构。

③ 喷涂聚脲弹性体

聚脲弹性体对沿海挡潮闸钢闸门防腐蚀具有独特的技术优势，与涂层保护、喷金属防腐蚀技术相比，具有附着力高、固化快、施工工效高、防腐效果好、使用寿命长、适于全年施工等优点，其一次投入较大，但年保护费用比涂料保护和喷金属防腐蚀低，具有明显的经济优势。

④ 阴极保护

该方法适用于常年在富含电解质水溶液中运行的钢构件，对于常暴露在大气中或者干湿交替环境中的构件，防腐效果不如涂料保护及金属热喷涂。根据阴极保护在三峡工程金属结构中的应用研究得知，涂层加阴极保护可使金属结构的保护寿命达30年左右，是目前对构件保护年限比较长的一种防腐措施。

2、防腐方案选择

本设计中钢闸门双向挡水，并且一面为海水，结合上述分析选择喷涂聚脲弹性体的防腐蚀方案。具体做法如下：

① 首先使用干燥、无油的压缩空气除尽金属表面浮灰，按钢材表面除锈等级标准片检查喷砂质量，喷砂除锈表面清洁度达到Sa2.5级后，涂刷一道界面剂封闭；

② 聚脲弹性体喷涂应在界面剂施工后24小时内进行，工艺流程为配料、加热、送气、喷涂。一次喷涂完成后，对喷涂层检查并测量喷涂厚度，对漏喷及厚度未达到规定厚度的局部区域在6小时内二次喷涂，在门叶海水一侧焊接锌块，进行牺牲阳极保护；

③ 整体组装后所有螺栓处用AC—15铬粉氯化橡胶防锈漆涂两道；

④ 轮轴：轴径Φ190与Φ220间长360mm的轴段进行镀铬处理，第一层为乳白铬，厚度为0.05mm，第二层为硬铬，厚度为0.05mm；

⑤ 门槽埋件外露面涂PWE2－2水工防腐涂料四道，在轨道下部设阴极保护。 9.1.3 启闭机

常用的启闭机有固定卷扬式及液压式两种。 9.1.3.1 启闭机的一般技术要求

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启闭机装在最高水位以上，以防止启闭机被淹没，便于闸门、门槽及启闭机部件等正常检修。固定式启闭机可以设置在机房内，其平面尺寸除机器靠机房一侧留有必要的检修、安装空间外，其余与墙壁之间留有人行通道，其跨度不小于0.8m。启闭机起吊平面闸门时的起吊中心线与闸门起吊中心线一致。双吊点闸门的启闭机，设置同步装置。在启闭过程中，不因各部分误差影响闸门运行。 9.1.3.2 启闭机选型

启闭机与闸门的启门力有关，闸门启门力按下式计算：

T1.1G1.2TzdTzsPX；

又：闸门自重G=10.36t； 滚轮摩阻力系数：f静水总压力：P总11200.1410.0235； 40021222.622.30.12.310.5510973t； 2滚轮摩阻力：TzdfP0.023597322.9t；

橡皮止水与钢板间的摩擦系数f=0.65，橡皮止水受压宽度取b=6cm，每边侧止水受水压长度H=6m，侧止水平均压强p=1.89t/m²。

止水摩阻力：Tzs2fbHp0.9t；

底止水橡皮采用T110—16型，其规格为宽1.6cm，长11cm，底止水长10.55m，根据规范SDJ13—78，启门时闸门底缘平均下吸强度一般按2t/m²计算，因此对应的下吸力为：

PX210.550.0160.34t；

综上所述，闸门启门力为：

T1.1G1.2TzdTzsPX40.3t。

本设计采用平面钢闸门，通过上述计算，得出闸门的启门力为40.3t，即403kN，闸门采用双吊点起吊，每边起吊力201.5kN，以此作为启闭机选型的依据之一。

选用250KN双吊点卷扬式启闭机及YZ200L－8型功率为15KW的配套电动机置于

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闸房内。启闭机启门力为500kN，启门高度为8m，速度为2.13m/min，卷筒直径为500mm，减速器型号为Z2－42.5，速比为50.94，制动器型号为YWZ－300/45，力矩为630N·m，动滑轮倍率为2，开式齿轮速比为5.12，重量4.6t（不包括钢丝绳、中间轴的重量），启闭机共五台。

9.1.4 检修闸门及启闭设备

为方便挡潮闸在工作运行过程中对钢闸门检修，在主闸门上下游设检修门槽，检修闸门采用叠梁式钢闸门，每个叠梁式钢闸门分5块，能满足1孔闸门检修。上游闸门安装利用吊车完成起吊，下游闸门安装利用电动葫芦完成起吊。排架梁设牛腿，牛腿上设行车梁，电动葫芦安装在行车梁上，电动葫芦启闭力为2×5t。

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