水工金属结构.ppt

第三章 水工金属结构 熟练掌握水工金属结构布置、选型和闸门的主要构造设计。熟练掌握钢闸门的受力条件、运用方式。熟练掌握闸门构件的强度、刚度及稳定计算。掌握闸门构件及连接件的材料和容许应力。掌握闸门表面的防腐蚀和防冰冻工程措施。了解闸门的制造、安装及验收等有关技术要求。了解启闭机制造、安装及验收等有关技术要求。考 试 大 纲第三章 水工金属结构第第一一节节 水工金属结构布置、选型水工金属结构布置、选型一、一、闸门的分类闸门的分类 (一一)闸门按工作性质分类闸门按工作性质分类（1 1）工作闸门：承担主要工作并能在动水中启闭）工作闸门：承担主要工作并能在动水中启闭的闸门。的闸门。（2 2）事故闸门：发生事故时，能在动水中关闭的）事故闸门：发生事故时，能在动水中关闭的闸门。当需快速关闭时，也称为快速闸门。这闸门。当需快速关闭时，也称为快速闸门。这种闸门宜在静水中开启；种闸门宜在静水中开启；（3 3）检修闸门：检修时用以挡水的闸门，这种闸）检修闸门：检修时用以挡水的闸门，这种闸门，宜在静水中启闭。门，宜在静水中启闭。(二二)闸门按其结构型式和动作特征分类闸门按其结构型式和动作特征分类 （1 1）平面闸门）平面闸门 （2 2）弧形闸门）弧形闸门 （3 3）叠梁闸门）叠梁闸门 （4 4）浮箱闸门）浮箱闸门 （5 5）转动式闸门）转动式闸门 (6)(6)扇形闸门扇形闸门 （7 7）圆辊闸门）圆辊闸门 (8)(8)圆筒闸门圆筒闸门 （9 9）人字闸门）人字闸门 二、闸门的布置与选型二、闸门的布置与选型 闸门应布置在水流较平顺的部位，应尽量避免门闸门应布置在水流较平顺的部位，应尽量避免门前横向流和漩涡、门后淹没出流和回流等对闸门运行前横向流和漩涡、门后淹没出流和回流等对闸门运行的不利影响。闸门布置在进口时，尚应避免闸孔和门的不利影响。闸门布置在进口时，尚应避免闸孔和门槽顶部同时过水。槽顶部同时过水。闸门型式的选择，应根据下列因素综合考虑确定：闸门型式的选择，应根据下列因素综合考虑确定：(1)(1)水利枢纽对闸门运行的要求；水利枢纽对闸门运行的要求；(2)(2)闸门在水工建筑物中的位置、孔口尺寸、上下游水闸门在水工建筑物中的位置、孔口尺寸、上下游水 位和操作水头；位和操作水头；(3)(3)泥沙和漂浮物的情况；泥沙和漂浮物的情况；(4)(4)启闭机的型式、启闭力和挂脱钩方式；启闭机的型式、启闭力和挂脱钩方式；(5)(5)制造、运输、安装、维修和材料供应等条件；制造、运输、安装、维修和材料供应等条件；(6)(6)技术经济指标等。技术经济指标等。（一）表孔溢洪道闸门的布置与选型（一）表孔溢洪道闸门的布置与选型 表孔溢洪道工作闸门的型式在我国应用最表孔溢洪道工作闸门的型式在我国应用最多的是弧形闸门和平面闸门。溢洪道工作闸门多的是弧形闸门和平面闸门。溢洪道工作闸门的上游侧，宜设置检修闸门，其型式通常为平的上游侧，宜设置检修闸门，其型式通常为平面滑动闸门。面滑动闸门。工作闸门的底槛位置，宜位于溢流堰顶略偏工作闸门的底槛位置，宜位于溢流堰顶略偏下游处。工作闸门之前设有检修闸门时，两门下游处。工作闸门之前设有检修闸门时，两门槽之间的净距离应能满足启闭机的布置、闸门槽之间的净距离应能满足启闭机的布置、闸门的安装、运行和维修等的要求，一般不宜小于的安装、运行和维修等的要求，一般不宜小于1.5m1.5m。溢洪道工作闸门，其操作设备除应有可靠溢洪道工作闸门，其操作设备除应有可靠的常用电源外，应设有备用动力，以增加安全的常用电源外，应设有备用动力，以增加安全性。性。（二）深孔泄水闸门的布置与选型（二）深孔泄水闸门的布置与选型 为保证工作闸门及泄水孔的安全运行，一为保证工作闸门及泄水孔的安全运行，一般应在泄水孔工作闸门的上游侧设事故闸门。般应在泄水孔工作闸门的上游侧设事故闸门。事故闸门一般均采用平面闸门。事故闸门一般均采用平面闸门。当工作闸门设置于泄水道的进口或中段时，当工作闸门设置于泄水道的进口或中段时，宜增大门后泄水道的断面，并在门后顶部设通宜增大门后泄水道的断面，并在门后顶部设通气孔以充分补气。气孔以充分补气。泄水孔工作闸门的型式应根据闸门的操作泄水孔工作闸门的型式应根据闸门的操作水头、水工布置和运用条件等因素并通过技术水头、水工布置和运用条件等因素并通过技术经济比较确定，可选用平面闸门、弧形闸门、经济比较确定，可选用平面闸门、弧形闸门、锥形阀、高压滑动平面阀门等。锥形阀、高压滑动平面阀门等。（三）引水发电系统闸门的布置与选型（三）引水发电系统闸门的布置与选型 水电站的水道进口，一般均设有拦污栅、检水电站的水道进口，一般均设有拦污栅、检修闸门和事故闸门或快速闸门，而在尾水管出修闸门和事故闸门或快速闸门，而在尾水管出口则设有尾水检修闸门。口则设有尾水检修闸门。（四）船闸闸门的布置与选型（四）船闸闸门的布置与选型 船闸应在上、下闸首设置工作闸门、检修船闸应在上、下闸首设置工作闸门、检修闸门，位于重要水利水电枢纽上的船闸，因闸闸门，位于重要水利水电枢纽上的船闸，因闸门失事可能引起严重后果，应在上闸首设置事门失事可能引起严重后果，应在上闸首设置事故闸门。故闸门。承受单向水头在静水条件下启闭的大中型承受单向水头在静水条件下启闭的大中型工作闸门，宜优先选用人字闸门；承受双向水工作闸门，宜优先选用人字闸门；承受双向水头在静水条件下启闭的工作闸门，宜选用横拉头在静水条件下启闭的工作闸门，宜选用横拉闸门。闸门。三、拦污栅布置三、拦污栅布置 拦污栅一般设置在水电站、排灌站及供水拦污栅一般设置在水电站、排灌站及供水等建筑物的进水口。等建筑物的进水口。在布置拦污栅时，应尽可能地利用水流流在布置拦污栅时，应尽可能地利用水流流向及地形等有利条件，尽量避免污物进入进水向及地形等有利条件，尽量避免污物进入进水口，以减轻对拦污栅的威胁；要求过栅水流平口，以减轻对拦污栅的威胁；要求过栅水流平顺，水头损失小；此外，还应考虑清污方便、顺，水头损失小；此外，还应考虑清污方便、便于安装、检修及更换。便于安装、检修及更换。引水道进口按其在水面下的位置而分为深引水道进口按其在水面下的位置而分为深孔及浅孔两种。孔及浅孔两种。第第二二节节 闸门的荷载及结构布置闸门的荷载及结构布置 作用在闸门上的荷载，按设计条件和校核条作用在闸门上的荷载，按设计条件和校核条件划分为两类，即设计荷载和校核荷载。件划分为两类，即设计荷载和校核荷载。一、闸门荷载一、闸门荷载 （一）设计荷载（一）设计荷载 (1)(1)闸门自重闸门自重(包括加重包括加重)；(2)(2)设计水头下的静水压力；设计水头下的静水压力；(3)(3)设计水头下的动水压力；设计水头下的动水压力；(4)(4)设计水头下的波浪压力；设计水头下的波浪压力；(5)(5)设计水头下的地震动水压力；设计水头下的地震动水压力；(6)(6)设计水头下的水锤压力；设计水头下的水锤压力；(7)(7)泥沙压力；泥沙压力；(8)(8)风压力；风压力；(9)(9)启闭力。启闭力。（二）校核荷载（二）校核荷载 (1)(1)闸门自重闸门自重(包括加重包括加重)；(2)(2)校核水头下的静水压力；校核水头下的静水压力；(3)(3)校核水头下的动水压力；校核水头下的动水压力；(4)(4)校核水头下的波浪压力；校核水头下的波浪压力；(5)(5)校核水头下的地震动水压力；校核水头下的地震动水压力；(6)(6)校核水头下的水锤压力；校核水头下的水锤压力；(7)(7)泥沙压力；泥沙压力；(8)(8)风压力；风压力；(9)(9)冰、漂浮物和推移物的撞击力；冰、漂浮物和推移物的撞击力；(10)(10)温度荷载；温度荷载；(11)(11)启闭力。启闭力。二、闸门主要荷载的计算二、闸门主要荷载的计算（一）静水压力计算（一）静水压力计算（二）动水压力计算（二）动水压力计算（三）波浪压力计算（三）波浪压力计算（四）泥沙压力计算（四）泥沙压力计算（五）漂浮物撞击力计算（五）漂浮物撞击力计算（六）地震力计算（六）地震力计算（七）风荷载计算（七）风荷载计算（八）启闭力计算（八）启闭力计算三、闸门的结构布置三、闸门的结构布置（一）平面闸门（一）平面闸门 1.1.承载结构承载结构 初定面板厚度和主梁数目及其截面尺寸。对工初定面板厚度和主梁数目及其截面尺寸。对工作闸门和事故闸门在布置底主梁的位置时，应符合作闸门和事故闸门在布置底主梁的位置时，应符合底缘布置的要求，下游倾角应不小于底缘布置的要求，下游倾角应不小于3030；对于部；对于部分利用水柱的平面闸门，其上游倾角不应小于分利用水柱的平面闸门，其上游倾角不应小于4545，宜采用，宜采用6060。对露顶式双主梁平面闸门，主梁宜布置在静水对露顶式双主梁平面闸门，主梁宜布置在静水压力线上、下等距离的位置，两主梁间的距离压力线上、下等距离的位置，两主梁间的距离a a值值要尽量大些；上主梁到闸门顶缘的距离要尽量大些；上主梁到闸门顶缘的距离a a。小于。小于0.45H0.45H，且不大于，且不大于3.6m3.6m。对露顶式闸门顶部应有。对露顶式闸门顶部应有0.30.30.5m0.5m的超高。的超高。三、闸门的结构布置三、闸门的结构布置2.2.支承结构和埋件结构支承结构和埋件结构 支承结构就其支承方式可分为滚动支承和滑支承结构就其支承方式可分为滚动支承和滑动支承两类。当采用滑动支承利用水柱压力下动支承两类。当采用滑动支承利用水柱压力下门时，为使闸门井内形成有效的水柱压力，应门时，为使闸门井内形成有效的水柱压力，应该使闸门门叶与上游胸墙之间的缝隙距离该使闸门门叶与上游胸墙之间的缝隙距离（S0S0）和门叶与下游门楣之间的缝隙距离）和门叶与下游门楣之间的缝隙距离（S1S1）比例关系为大于或等于）比例关系为大于或等于5 5倍的关系即倍的关系即S05S1S05S1。主轨高度应根据使用条件可按（主轨高度应根据使用条件可按（1.5 1.5 2.02.0）的孔口高度选用。它们的门槽型式也应）的孔口高度选用。它们的门槽型式也应根据使用条件可选用根据使用条件可选用型或型或型门槽，以利于型门槽，以利于减轻或防止气蚀的发生。减轻或防止气蚀的发生。三、闸门的结构布置三、闸门的结构布置（二）弧形闸门（二）弧形闸门 1.1.承载结构承载结构 主横梁弧形闸门其梁系均为同一层布置，弧形闸主横梁弧形闸门其梁系均为同一层布置，弧形闸门基本上都是双主横梁的结构。主横梁式弧形闸门门基本上都是双主横梁的结构。主横梁式弧形闸门的主框架型式有（的主框架型式有（a a）、（）、（b b）、（）、（c c）三种型式。当）三种型式。当支承条件许可时，宜采用（支承条件许可时，宜采用（a a）型，当支承在侧墙上）型，当支承在侧墙上时，应采用（时，应采用（b b）型，）型，（b b）型框架两侧的斜柱，称）型框架两侧的斜柱，称为谓的斜支臂。而（为谓的斜支臂。而（a a）型的则称为直支臂。）型的则称为直支臂。2.2.支承结构支承结构 支铰主要由活动铰座、固定铰座和铰轴组成。支铰主要由活动铰座、固定铰座和铰轴组成。（三）止水结构（三）止水结构 闸门上所采用的止水均为软止水，一般所用均为闸门上所采用的止水均为软止水，一般所用均为橡皮止水。橡皮止水。第三节 闸门闸门构件及连接件的材料和容许应力（一）闸门承重结构的钢材（一）闸门承重结构的钢材 闸门承重结构的钢材可选用平炉或氧气转炉闸门承重结构的钢材可选用平炉或氧气转炉Q235Q235、Q345Q345、16Mnq16Mnq等，并应分别符合等，并应分别符合碳素结构钢碳素结构钢（GB700GB700）、）、低合金结构钢低合金结构钢（GB1591GB1591）和）和桥梁桥梁建筑用热轧碳素钢建筑用热轧碳素钢（GB714GB714）中规定的质量要求。）中规定的质量要求。（二）闸门支承结构（主轮和主轨）的铸造钢件（二）闸门支承结构（主轮和主轨）的铸造钢件（三）闸门的吊杆轴、连接轴、主轮轴、支铰轴（三）闸门的吊杆轴、连接轴、主轮轴、支铰轴（四）闸门支承滑道和止水座板所使用的不锈钢（四）闸门支承滑道和止水座板所使用的不锈钢（五）闸门止水结构的型号和材料（五）闸门止水结构的型号和材料 第四节 闸门构件的强度、刚度及稳定计算一、闸门面板设计一、闸门面板设计 （一）面板厚度计算（一）面板厚度计算 （二）面板（二）面板参加主参加主(次次)梁整体弯曲梁整体弯曲计算计算二、次梁设计计算二、次梁设计计算 （一）（一）次梁的荷载与次梁的荷载与计算简图计算简图 （二）（二）次梁的截面设计次梁的截面设计三、主梁设计计算三、主梁设计计算 （一）（一）主梁的形式主梁的形式 （二）（二）主梁的荷载主梁的荷载 （三）（三）主梁设计特点主梁设计特点四、边梁设计四、边梁设计第五节 闸门表面防腐蚀和防冰冻一、表面防腐蚀一、表面防腐蚀 闸门表面防腐蚀有不同的方式（如阴极保护、闸门表面防腐蚀有不同的方式（如阴极保护、表面涂装涂料和喷涂金属等）。表面涂装涂料和喷涂金属等）。二、闸门防冰冻二、闸门防冰冻 （一）闸门的防冰（一）闸门的防冰 （二）闸门的防冻（二）闸门的防冻第六节 启闭机 一、启闭机的类型一、启闭机的类型 分为机械传动和液压传动。机械传动启闭机包括分为机械传动和液压传动。机械传动启闭机包括固定卷扬式启闭机、螺杆式启闭机、单向门式和双固定卷扬式启闭机、螺杆式启闭机、单向门式和双向门式启闭机、台车式和桥式启闭机；而液压传动向门式启闭机、台车式和桥式启闭机；而液压传动启闭机至今在国内尚限于固定启闭机。启闭机至今在国内尚限于固定启闭机。二、启闭机的基本参数二、启闭机的基本参数 启闭力（启闭力（kNkN）扬程（扬程（m m）启闭速度（启闭速度（m/minm/min）移动速度（移动速度（m/minm/min）跨度（跨度（m m）吊点距（吊点距（m m）第六节 启闭机 三、工作级别三、工作级别 启闭机的工作级别系指主起升机构的工作级别按机启闭机的工作级别系指主起升机构的工作级别按机械的设计寿命和荷载状态划分为械的设计寿命和荷载状态划分为4 4级。级。四、安全保护装置四、安全保护装置五、荷载五、荷载六、结构六、结构七、选型设计原则和要求七、选型设计原则和要求 1 1泄水系统工作闸门的启闭机一般选用固定式启闭泄水系统工作闸门的启闭机一般选用固定式启闭机和一门一机布置，但若闸门操作运行方式和启闭机和一门一机布置，但若闸门操作运行方式和启闭时间允许时，也可选用移动式启闭机。时间允许时，也可选用移动式启闭机。第六节 启闭机2 2多孔泄洪系统的事故闸门和检修闸门的启闭机，多孔泄洪系统的事故闸门和检修闸门的启闭机，一般选用移动式启闭机。一般选用移动式启闭机。3 3施工导流封孔闸门的启闭机，其启闭力应考虑在施工导流封孔闸门的启闭机，其启闭力应考虑在一定水位下有启门的可能，同时应有准确的指示装一定水位下有启门的可能，同时应有准确的指示装置，以显示闸门是否到达底槛。置，以显示闸门是否到达底槛。4 4挡潮闸、水闸工作闸门的启闭机，一般采用一门挡潮闸、水闸工作闸门的启闭机，一般采用一门一机以便迅速启闭闸门。一机以便迅速启闭闸门。5 5电站机组进水口和泵站出口快速闸门的启闭机选电站机组进水口和泵站出口快速闸门的启闭机选型，应根据工程布置、闸门的启闭荷载等进行全面型，应根据工程布置、闸门的启闭荷载等进行全面的技术经济比较，选用卷扬式或液压式快速闸门启的技术经济比较，选用卷扬式或液压式快速闸门启闭机。闭机。第六节 启闭机6 6当多机组电站进水口设有检修闸门时，一般当多机组电站进水口设有检修闸门时，一般选用移动式启闭机，并尽量与溢洪、泄水系选用移动式启闭机，并尽量与溢洪、泄水系统检修闸门的启闭机协调共用。统检修闸门的启闭机协调共用。7 7启闭机应安装在最高水位以上，防止启闭机启闭机应安装在最高水位以上，防止启闭机被淹，并应便于闸门、门槽及启闭机部件等被淹，并应便于闸门、门槽及启闭机部件等正常检修。正常检修。8 8对用以操作泄洪及其它应急闸门的启闭机，对用以操作泄洪及其它应急闸门的启闭机，必须设置可靠的备用电源。必须设置可靠的备用电源。9 9快速闸门启闭机应能在快速闸门启闭机应能在2min2min钟关闭孔口并应钟关闭孔口并应设有减速装置，使闸门接近底槛时的下降速设有减速装置，使闸门接近底槛时的下降速度不大于度不大于5m/min5m/min。第七节 金属结构制造、安装及试验