闸门启闭机门体布置和结构、零部件设计计算

闸门启闭机门体布置和结构、零部件设计计算

闸门的选型与布置方案确定后，就可以对所采用的闸门进行门体布置，然后才进行结构和零部件的设计计算。

门体布置就是根据闸门的形式、孔口尺寸和材料等情况来选择合理的门叶结构、零部件的形式和布置。门体布置应注意闸门的构造简单、安全可靠、节约材料以及便于制造、运输、安装与运行维护等方面的要求。闸门材料与零部件的种类应尽量少，尽可能采用标准化定型产品，尽可能采用普通钢材，以便于保证供货，也便于检修与维护。门体布置时需考虑运输条件，闸门应便于划分运输单元，应避免运输时尺寸超限、超重等情况。另外，与水工建筑物的配合也不容忽视。

门叶结构形式应考虑构件的布置和连接形式。钢闸门一般考虑采用焊接结构。门叶结构因闸门形式不同而不同。

对于动水启闭的大、中型平面闸门和弧形闸门底缘形式的布置也需予以重视。因为这些闸门的底缘形式对闸门泄流时的水力学因素比较敏感。若底缘形式布置不当容易产生闸门的振动，或者是增加闸门的动水压力。

闸门零部件中的支承部分应特别注意，例如平面闸门，因为滑动支承和滚动支承在水压力作用下所产生的摩擦阻力差别很大，采用滑动支承还是滚动支承(包括门槽埋件)对启闭力的影响将是很大的。这些支承形式、材料以及与门体本身的配合等也有多种选择。又如弧形闸门，它的支承铰的布置和材料也很重要， 往往决定闸门设计是否合理、运行是否方便等。这些都是需要仔细研究的。

吊耳的布置与启闭机的形式、规格及位置有关。此外如闸门的止水、反向支承、侧导向装置等零部件也应认真考虑。

在门体布置完后就可以进行闸门结构和零部件的设计计算。首先根据实际可能发生的最不利的荷载组合情况和选定的结构、零部件的布置和材料，确定荷载分配，然后进行各构件和零部件的设计计算。一般先选择各构件和零部件的规格，再进行强度、刚度、稳定性验算。有时需要经反复几次计算比较，才能确定较合理的方案。

前面提到，我国现行的钢闸门设计规范仍然采用容许应力方法进行闸门的设计和计算。而工业与民用建筑及水工建筑等专业的规范大都已采用可靠度设计法，1994年国家技术监督局和建设部还联合发布了 GB50199—94《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》，该标准采用了极限状态设计原则。在这一点上，闸门的设计规范明显落后于形势了，要向可靠度设计过渡，还有大量工作要做，如：荷载的统计、分项系数的确定、安全度的规定等。目前河海大学机电工程学院等高校正在进行这方面的研究工作，为下次修订规范时采用可靠度设计方法提供理论基础。

目前，闸门结构力学计算模型主要还是采用平面体系，即把一个空间承重结构划分成几个独立的平面系统分别进行分析计算。实践证明，这种方法是偏安全的。需考虑各个构件的相对刚度和这些构件的变形情况，同时应考虑整个结构总的变形情况，也就是使计算方法尽可能地符; 合结构的实际受力状况。

闸门启闭机实际上是空间结构，如果将闸门按空间结构系统进行计算，则更符合闸门工作的实际状况。但是，按空间结构进行分析, 相当繁杂，需要借助一些通用的结构分析软件并应用有限元理论来计算。目前，硬件和软件都已达到相当高水平，进行这方面的工作已经不存在技术问题，但闸门的空间结构理论还不普遍，国内还没有成熟的用于闸门计算的专业软件，这也是实际工作中仍沿用平面计算体系的重要原因之一。实际上，闸门结构的有限元计算的难点还是在于前处理这一关，也就是怎样把闸门结构离散化为单元，建立闸门的有限元模型。早期受硬件条件限制，单元数量不能太多，否则一般计算机要算上几个小时，所以把面板离散为板单元，梁系均离散为梁单元。近年来，随着硬件的日新月异，根据闸门结构形式和受力特点，把梁系离散得更细些，如实腹式结构，将闸门主梁、纵梁、边梁、支臂等主要结构都离散为板单元，型钢截面的水平次梁和背拉杆、支臂间连接杆等次要构件离散为梁单元。在有些工程闸门的安全鉴定中应用上述方法进行结构的有限元计算，结果与应力测试的实验数据对比，其应力分布规律基本符合，但数值还有些差别。闸门的有限元计算，不仅可以对闸门进行各种荷载组合的受力分析，还可以计算闸门的自振频率，为闸门的振动分析提供依据。随着对此问题的理论研究与大型模型的试验，加上计算机技术的高速发展，相信闸门按空间结构的计算方法将会有很大的发展。

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