人字钢闸门

1.4　人字钢闸门

人字钢闸门是船闸闸门中最常用的一种形式，它是由两扇对称门叶组成的(图1-89(b))。每扇门叶支承在其端部门轴柱底部的底枢上，门轴柱顶设顶枢以防门叶倾倒。门叶各绕其门轴柱(顶枢与底枢的竖轴)旋转。在关闭挡水时，两扇门拱向上游，互相支承在中间的接缝柱上，门叶轴线与船闸横轴线组成一角度θ。当闸门开启时，两门叶分别转到两侧闸首边墩的门龛内(图1-89(b))。

人字闸门的最大优点是，在关门承受上游水压力时，它能起到三铰拱的作用，将水压力传给两侧闸首的边墩上，中间铰在两门叶接缝柱的中缝处，两边的支承铰则在两门叶的支垫座和枕垫座相接触处。由于三铰拱的作用使主梁弯矩减少，又因闸门由两扇门叶组成，使门跨缩短(一般为正常平板闸门的55%)，从而减少了主梁的弯矩，节约钢材、降低闸门成本，减轻闸门自重。在高水头大跨度的船闸中其优点更加明显。此外，人字钢闸门具有运转可靠、启闭省力、操作方便、迅速以及通航净空不受限制等优点。

人字钢闸门的缺点是:底枢等支承运转部件、门底止水和门叶的下部均淹没在水中，需要进行水下检修，增加了检修工作的难度。若要进行大检修，甚至要求船闸断航排水。如果闸门的三个铰发生位移，则对闸门的工作影响更大。此外，它不适用于双向水头的航道;与直升门相比，它只能在静水中启闭，必须另设输水阀门。

综上所述，人字闸门的优点是主要的，对船闸的工作门的选型，特别是水工船闸闸门，除有特殊需要外，通常都优先选用人字闸门。因此，人字闸门是船闸中最常用的门型，它尤其适用于高水头、大孔口的船闸。例如，福建某水利工程的船闸孔口尺寸为12.0m×26.7m，单扇闸门尺寸为7.609m×27.2m;广西某水利枢纽双线千吨船闸人字门的下闸首设计水头为16.05m，单扇闸门尺寸为34m×25m×2.98m，其上闸首的设计水头为12.98m，单扇闸门尺寸为34m×17.05m×2.98m;三峡水利枢纽船闸单级设计水头37.75m(首级)，孔口尺寸为34m×39.5m，单扇闸门尺寸为20.2m×39.5m，重达900t，最大淹没水深36.0m，是国内外罕见的巨型闸门。国外已建的高、中水头船闸中也大多采用人字门。可以预计，随着大型水利枢纽的建设和航运事业的发展，人字闸门的运用会更广泛，其尺寸亦可能比目前的尺寸更大。

1.4.1人字闸门的组成

人字闸门是由门叶(门体)结构、支承部件、止水装置和启闭设备四部分组成的。其中门叶结构由面板、次梁、主梁、横向联结系、竖向联结系、斜背拉杆、门轴柱和接缝柱等组成(图1-89(a))。

1.主梁2.接缝柱3.门轴柱4.竖直次梁5.副斜背拉杆6.横隔板7.面板8.底枢9.顶枢10.支垫座11.枕垫座12.纵向联结系13.工作桥14.止水装置15.主斜背拉杆

图1-89　人字闸门的结构组成

闸门的门叶结构可以作成平面式或圆拱式两种。圆拱式的人字闸门由于门叶轴线与三铰拱的压力曲线相近，主横梁主要承受轴向压力、弯矩很小，故材料更加节省。但其制造安装较复杂，且门龛要求较深，总造价不省，应综合比较，依具体情况选用。目前，国内外已建的人字门中多采用平面式。

平面人字闸门依其尺寸情况，其梁系布置分为横梁系及竖梁系两类。门叶高度较大时，可采用横梁系布置;门叶高度小于宽度时，可采用竖梁系布置。

平面门叶结构的面板、次梁和竖向、横向联结系的布置与平面闸门相类似，这里不再赘述。

主梁是门叶的主要受力构件。由面板和次梁传来的水压力是通过两个门叶中相对应的主梁起三铰拱作用而传给闸首边墩上的支承部件。一般情况下，主梁同时承受弯矩和轴向力，应按偏心压杆设计，同时，为减少门龛深度和加强门叶刚度，主梁多采用实腹式焊接工字形截面梁。

斜背拉杆是对门叶的安全运转起重要作用的构件。它是保证门叶开启时矩形轮廓不变性、门叶的整体性和增加门叶在水中旋转时的抗扭刚度的重要构件，设计时必须重视和加强。

接缝柱和门轴柱的主要作用是把主梁系联结成整个门叶骨架，并和顶部、底部主梁一起构成门叶的外框。在门轴柱的上、下端设置顶枢和底枢，门叶启闭时是绕着由顶枢和底枢中心连线(竖直轴线)而转动。在门轴柱外侧对应于每个主梁布置支垫座，当闸门关闭挡水时，能将主梁的反力传递给埋固在闸首边墩上的枕垫座。对中、小型人字闸门，在接缝柱的外侧通常设置由硬木制成的接缝木，借以传递三铰拱的中间铰推力。对大型闸门，为了使两扇门叶中缝的构造符合中间铰的受力特点，可在对应于每根主梁的位置上设置支垫座(或沿整根接缝柱布置整体的金属承压条)，使中缝间的拱推力得到可靠的传递。

在闸门开启后，顶枢和底枢就成为门叶的支承结构，其构造应使门叶转动灵活、可靠、摩擦阻力小。

人字闸门的止水装置应布置在门叶的周边，即除了在门叶侧边与闸首边墩、门叶底边与门槛之间的布置外，在两扇门叶之间的中缝处也需布置，以防止门叶的周界和中缝漏水。门底与门侧的止水常用固定在门叶的P型橡皮止水，而中缝处可根据门叶的大小和闸门中缝的支承形式，采用接缝木、橡皮止水或不锈钢止水。

人字闸门的启闭机械设备一般采用电力驱动，人力驱动仅作为无电时的备用装置。常用启闭机形式有刚性连杆式(包括油压启闭机)和柔性缆索式两种。不论何种形式均要求闸门启闭可靠、操作简单、启闭时间短、曳引力小、检修方便且平面尺寸较小。

此外，为了便于工作和通行，应在闸门顶部设置工作桥(见图1-89(a))。

1.4.2　门叶的布置

1.4.2.1　门叶的基本尺寸

人字闸门在平面上的基本尺寸如图1-89(b)所示。这些尺寸主要取决于闸首的通航净宽L₀和关门时门叶轴线与船闸横轴线所成的角θ，根据三铰拱的计算理论，一般可取θ= 20°～25°。

当闸首通航净宽L₀已知时，每扇门叶的计算长度L_m(支枕垫的接触面到接缝柱接触面的距离)可按下式计算:

式中: L₀——闸首通航净宽;

　d——闸龛外缘至门叶的支枕垫座支承面中心的距离，一般采用d=(0.03～0.05)L₀;

　θ——关门时门叶轴线与船闸横轴线的夹角。

门叶的计算高度H_m是门叶顶、底主梁轴线间的距离，它不包括工作桥的高度(图1-89(a))，计算高度为:

式中: C₁——顶主梁轴线高出上游设计水位的超高，一般采用0.1～0.3m;

　H_K——闸门下游最低水位至门槛顶面的距离;

　H₁——闸门上游最高设计水位和下游最低设计水位差;

　C₂——底主梁轴线与门槛顶面的高差，常用0.15～0.25m，视底主梁轴线布置高于或低于门槛顶面而取负值或正值(图1-90(a)、(b))。

图1-90　人字闸门的计算高度

门叶的厚度即为主梁的高度h，h的大小取决于门叶的计算长度和高度，一般主梁高度为:

为了保证闸门启闭时的抗扭刚度，当门叶计算高度H_m较小时，h可取小值。

门龛深度a以开门后使闸门全部藏入门龛内，不影响通航宽度为原则，主要取决于门叶的厚度，即a可近似地取a≈h+ 0.5m。

1.4.2.2　门隅的平面布置

门隅平面尺寸与转动轴位置、支承方式及止水形式等有关，而门隅的细部结构又关系到门叶的尺寸，所以要综合考虑，互相调整，以得到一个正确、合理的布置方案。

确定转动轴的平面位置是关键，其确定的原则是:闸门关闭时，门叶梁端的支垫及侧止水能很好地工作;闸门开启时，支垫及侧止水能和埋件立即脱开，减少零件的摩擦、磨损，并保证门叶的顺利旋转。一般转动中心偏于力作用线的上游面及侧止水的外侧，如图1-91所示。正常的情况是:

n= 25～50mm(力作用线到转动中心的距离，该值与闸门大小无关);

a= 225～425mm(支垫座与枕垫座接触点到转动中心的垂直距离);

b= 200～430mm(支垫座与枕垫座接触点到转动中心的水平距离)。

图1-91　转动轴的平面位置

1.4.3　闸门承受的荷载及其组合

闸门承受的荷载与门叶所处的工作状态有关。一般须考虑下列三种情况的荷载组合。

1.4.3.1　闸门关闭挡水时的荷载组合

这种荷载组合是门叶承重结构(梁系结构、门轴柱、接缝柱和支承装置等)的主要计算依据。此种情况下，作用在门叶上的荷载有:门叶与工作桥自重、门叶正面水压力及两端的侧面水压力、底横梁上的竖直向上水压力、闸门顶部主梁可能受到的船舶撞击力、工作桥上人群和设备重量等。其中除船舶撞击力除特殊荷载外，其余的均为正常的计算荷载。门叶结构上的面板、主梁、次梁、门轴柱和接缝柱以及支、枕垫座等都根据这些荷载的组合进行计算。如要计算顶部柱横梁，除考虑正面及侧面水压力外，还应考虑工作桥设备及人群的重量、牵引力以及船舶的撞击力;如要计算中间主梁及支、枕垫座，仅考虑门叶正面及侧面水压力;如要计算底主横梁，须考虑正面、侧面及竖直的水压力。

1.4.3.2　闸门正常开启及关闭过程中的荷载组合

这种情况下，作用在门叶上的荷载有门叶自重、工作桥上人群与设备重量、门叶淹没部分水面壅高而产生的水压力及非淹没部分的风压力的合力、启闭机械牵引力、顶底枢的反力和顶、底枢的摩擦阻力、门叶转动的动水压力和惯性力等。根据这一力系计算启闭机的牵引力、门叶的斜背拉杆、底枢和顶枢等内力。

1.4.3.3　闸门安装检修时的荷载组合

这种情况下作用在门叶上的荷载有门叶自重、风压力、工作桥上的人群和设备的重量、牵引力和顶底枢的反力。根据这个平衡力系验算顶、底枢及斜背拉杆的强度、刚度及稳定性。

闸门所承受的各种荷载大小及方向可依有关规范与公式确定。

有了上述分析研究的结果，根据力学与结构的知识和有关规范，即可对人字闸门进行设计计算或检测验算。人字闸门中各构件的受力分析计算与平面闸门的分析计算虽然基本相同，但亦有其计算特点，下面举例说明人字闸门构件的强度、刚度及稳定性的验算问题。

1.4.3.4　某水利工程船闸下闸首人字闸门构件验算实例

本实例为福建省某水利工程的船闸下闸首人字闸门，按闸门在挡水工作情况计算，其他工况计算从略，荷载组合也只是按基本荷载组合。根据《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL74—95)第1.0.6条规定，闸门按平面框架进行计算。

1.4.3.4.1　原设计水位

上游水位:最高通航水位88.0m

下游水位:最低通航水位63.8m

1.4.3.4.2　基本参数

1.闸门基本特性

闸门形式:主横梁式双扇人字门

孔口尺寸:12.0m×26.7m

单扇门尺寸:宽l_m= 7.609m，高h_m= 27.2m

闸墙顶高程:89.0m

闸底高程:61.3m

单扇门总水压力按图1-93，依下式(1-41)计算。

式中:γ——水的容重;

　H₁——闸门上游设计水位和下游最低水位的水位差;

　H_K——闸门下游最低设计水位至闸底高程的距离;

　l_m——单扇门宽。

计算结果得到单扇门总水压力为:

门扇轴线倾角为:α= 20°

2.闸门构造

该工作闸门为人字门。闸门采用面板+主横梁+主纵梁+顶枢+底枢+斜接柱+门轴柱+小横梁+纵隔板+边柱+横梁翼缘+隔板翼缘体系。门扇梁格布置如图1-92所示。

图1-92　门扇梁格布置图

3.闸门材料常数

闸门材料常数见表1-34。

表1-34　闸门材料常数

1.4.3.4.3　计算工况

本计算工况为闸门关闭挡水时的荷载组合，即闸门静力计算水头为24.2m时的水压力和闸门自重的组合。其水压力荷载示意图如图1-93所示。

图1-93　水压力荷载示意图

1.4.3.4.4　主梁验算

1.主梁验算特点

(1)主梁承受的水压力可近似地简化为均布荷载。当主梁间距按等荷载计算时，每根主梁所受的均布荷载为:

式中:b₁——闸门下游最低设计水位以下的主梁间距(mm);

　H₁——闸门上游最高设计水位与下游最低设计水位的水位差(mm)。

每根主梁所受的总水压力为:

式中:l_q——主梁的荷载计算跨度(mm)。

(2)主梁的反力可按三铰拱计算

如图1-94所示，P_m为主梁的总水压力，中间铰B的反力R_B的方向沿水平x轴，根据三铰拱的力平衡条件得到封闭的力三角形，可求出三铰拱的支承反力R_A及R_B的大小及方向。

其大小为:

其方向如图1-94中所示。

图1-94　主梁的计算简图

反力R_A在x、y轴上的分力为:

式中:α——关门时门扇轴线倾角(本例α= 20°)。

由于三铰拱的影响，水平总水压力P_m对主梁产生轴向压力，其大小为:

(3)主梁的轴向水压力

受测止水影响，主梁两端有轴向水压力，其大小为:

式中:t——门扇厚度(mm)，主要考虑主梁高和侧止水宽度。

(4)主梁的内力

主梁可按两端铰接的简支梁，荷载近似按均布荷载计算。主梁是一变截面梁，并属于偏心受压杆。因此，其计算弯矩值为:

式中:e——门扇轴线至主梁截面形心的偏心距(可按图上尺寸计算所得);

　　　e₁——主梁端部水压力合力N₁的作用点到主梁截面形心的距离(可按图上尺寸计算所得)。

梁端剪力Q为:

主梁上任一截面的正应力和剪应力分别为:

2.主梁的截面特性

①面板参与主梁作用的有效宽度B的计算:

b== 500mm，l₀≈0.7l_m= 0.7×7609= 5326.3mm，l₀/b= 5326.3/500= 10.65，查表得0.98，故B=ξ₁ b= 0.98×500= 490mm

②主梁截面如图1-95所示。

③主梁截面特性，见表1-35。

表1-35　主梁截面特性

图1-95　主梁截面图(单位mm)

3.荷载及内力

主梁受水压力近似地按均布荷载计算如下:

依式(1-42)得:q=γH₁b₁= 9.8×10^－6×24200×1000= 237.16(N/mm)

依式(1-43)得:P_m=ql_m= 237.16×7609= 1.8046×10⁶(N)

按三铰拱计算，依式(1-44)得反力: R_A=R_B== = 2.6381×10⁶(N)

(反力与主梁轴线的交角为20°)

依式(1-49)得剪力:Q=0.5P_m= 0.5×1.8046×10⁶= 9.023×10⁵(N)

依式(1-46)得轴力:N₀=== 2.479×10⁶(N)

依式(1-47)得侧向水压力:N₁=γb₁ H₁ t= 237.16×(1284+ 100)= 3.2823×10⁵(N)

(t——门厚，即考虑主梁高1284mm和侧止水宽度100mm之和)

主梁承受总的压力:

N=N₀+ N₁= 2.8072×10⁶ N

由于支、枕垫座接触中心(即反力作用点)至端板的距离为300mm，反力R_A垂直于端板并通过其中心，端板的宽度为740mm(见图1-96)。

主梁轴线距主梁下翼缘的距离为a= 150mm，则主梁轴线到截面形心距离为e= y₂－a= 664－150= 514(mm)

N₁作用线到主梁截面形心的距离为:

e₁=(y₂+ 100)－0.5(1284+ 100)=(664+ 100)－0.5×(1284+ 100)= 72(mm)

依式(1-48)得跨中截面1-1的弯距:

剪力:Q₁= 0

依式(1-48)得截面2-2(距左端为1254.5mm处)的弯距:

剪力:Q₂=Q－1254.5×237.16= 6.0478×10⁵(N)

4.主梁的强度验算

按偏心受压构件，依式(1-50)和式(1-51)计算。

(1)跨中截面1-1应力验算

图1-96　主梁计算简图(单位mm)

前翼缘正应力:

后翼缘正应力:

剪应力:

故跨中截面1-1主梁强度满足要求。

(2)截面2-2应力验算

前翼缘正应力:

后翼缘正应力:

剪应力:

故截面2-2处主梁强度也满足要求。

5.主梁稳定性验算

根据规范进行主梁稳定性验算。

(1)主梁整体稳定性验算

则不必作整体稳定性验算。

式中:φ_w——整体稳定系数，查有关工程计算手册或水电站机电设计手册确定;

　M _max——梁最大刚度平面内的最大弯矩;

　W——梁受压最大纤维的毛截面抗矩。

②鉴于面板铺在梁的受压翼缘上，能阻止梁截面的扭转，对于本例由于同时设有4道隔板梁的受压翼缘的自由长度与其宽度之比小于18，故本船闸主梁可以不验算整体稳定，仅需验算腹板的局部稳定性。

(2)局部稳定性验算

①当≤80时，可不验算腹板的局部稳定性，一般也不须配置加劲肋;

②当80＜≤160时，要验算腹板局部稳定性，并要配置横向加劲肋;

③当＞160时，要验算腹板局部稳定性，并除配置横向加劲肋外还须配置纵向加劲肋。

式中:h₀——腹板的计算高度;

δ——腹板的厚度。

若需要配置加劲肋，其计算方法如下:

横向加劲肋间距a应满足下式要求:

式中:τ——考虑梁段最大剪力产生的腹板平均剪力;

η——考虑σ影响的增大系数。根据σ()²的值，可由有关工程结构计算手册或水电站机电设计手册的系数表格查得。这里是在《水电站机电设计手册(金属结构一)》的表5-25中查得。

对于本例，由于== 95＞80= 80，故仅验算腹板的局部稳定即可。

根据规定:当80＜≤160时应配置横向加劲肋，其间距应满足式(1-53)要求，即a≤。

对于主梁截面2-2:σ= 105.26MPa，τ= 37.51MPa，

则　　σ(δ)2= 105.26×()²= 95.76

查《水电站机电设计手册(金属结构一)》表5-25得:η= 1.0，

则a=，由于分母出现负值，按TJ17-74规范规定，横向加劲肋可按最大间距a= 2h₀布置，故可取a≤2h₀= 2×1240= 2480。

又依规范，横向加劲肋的最大间距a不得小于h₀，且不得大于2h₀，所以

满足局部稳定要求。

6.主梁的刚度验算

(1)验算公式

本船闸闸门的主梁为偏心受压压弯构件。依据规范规定，其挠度可按式(1-54)计算:

式中:f₀= f₁－f₂。

f₁——按简支梁在均布水压力作用下求得的主梁的最大挠度。其计算公式为:

f₂——主梁两端受弯矩M=Ne作用时产生的与f₁在同一位置的挠度。如果为梁的跨中，则

(式中:ξ=?l中)

l_m——主梁长度的一半;

K——与主梁端部的连接方式有关的系数。两端铰接时K= 1;

［f］——主梁容许挠度。规范规定，其取值为 l_m。

式中:N——主梁端轴向力;

l_m——主梁长度(一般为门轴柱的支垫面到斜接柱的支垫面距离);

EI——主梁的抗弯刚度。

(2)刚度验算

根据本闸门主梁的已知条件，按式(1-55)可得到主梁在均布水压力作用下的跨中挠度为:

又由于M=Ne₁= 2.8069×10⁶×71.75= 2.014×10⁸(N·mm)

依式(1-56)可得到主梁两端受弯矩作用时在跨中产生的挠度为:

故f₀= f₁－f₂= 7.1733mm

主梁两端为铰时，依式(1-57)得:

最后依式(1-54)可求得主梁在跨中处的挠度为:

又f= 2.6836＜［f］=== 10.14(mm)

故主梁刚度满足要求。

1.4.3.4.5　面板的强度验算

面板是直接承受水压力的部件，同时面板支承在梁系结构上，并参与梁系的整体工作。在荷载传递过程中，面板本身将发生挠曲而产生弯曲应力，又由于梁系挠曲而引起面板产生膜应力。因此，面板的应力状态应为两种应力之和，并按双向应力状态验算其强度。

由理论分析及实验得知，面板的最大弯矩发生在面板支承边的长边A处(如图1-97)，只要这一点满足强度要求后，整个面板的强度也就满足要求。为此，只须对这一点进行强度验算即可。

图1-97　面板区格形式Ⅰ图

1.验算公式

面板的强度验算应力是采用面板的折算应力σ_zh，由于梁格体系的几何尺寸不同，其验算公式分为两种情况(假定面板短边为a，长边为b)。

(1)当面板的边长比b/a＞1.5，且长边沿主(次)梁轴方向时(见图1-97)，按式(1-58)验算长边中点A的应力。

式中:σ_my——垂直于主(次)梁轴线方向的面板支承长边中点的局部弯曲应力，可按式(1-59)计算:

k_y——支承长边中点弯曲应力系数，与面板四边的约束条件有关，可查有关工程设计手册或水电站机电设计手册的系数表而得;

p——面板计算区格中心的水压力强度(MPa);

t——面板厚度;

σ_mx——面板沿梁轴方向的局部应力:

σ_ox——对应于面板验算点的主(次)梁上翼缘的整体弯曲应力，按式(1-61)计算:

式中:ξ₁——面板兼作主(次)梁上翼缘的有效宽度系数，见表1-1;

M——对应于面板验算点的主梁上的弯矩;

W——对应于面板验算点的主梁截面上的抗弯截面模量。

［σ］——抗弯容许应力，按规范规定选用;

α——弹塑性调整系数(当b/a＞3时，α= 1.4;当b/a≤3时，α= 1.5)。

σ_mx、σ_my及σ_ox均用绝对值。

(2)当面板的边长b/a≤1.5或面板长边方向与主(次)梁轴线垂直时，应按式(1-62)验算垂直于梁轴线边的中点的应力。

式中:σ_mx——面板沿主(次)梁轴线方向的局部弯应力，按式(1-63)计算:

k——对长边沿主梁轴线方向时(如图1-98(a))，查有关应力系数表格取k_x值;当短边沿主梁轴线方向时(如图1-98(b))，查有关应力系数表格取k_y值。

图1-98　面板区格形式Ⅱ图

σ_my——垂直于主(次)梁轴线方向的面板局部弯曲应力:

μ——材料泊松比，取μ= 0.3;

σ_ox——对应于面板验算点主(次)梁上翼缘的整体弯应力，可按式(1-64)计算。

2.强度验算

取闸门下第20根和21根主梁中部处的板格计算。其中b= 1700mm，a= 400mm，b/a= 4.25＞3，t= 12mm，q= 0.242N/mm。

依式(1-59)、式(1-60)、式(1-64)和式(1-58)，分别求得垂直于主(次)梁轴线方向、面板区隔的支撑长边中点上游面的局部弯曲拉应力:

面板上游面由整体弯矩和水压力产生的压应力为:

σ_ox=－150.79(N/mm²)

面板的折算应力为:

故面板满足强度要求。

1.4.3.4.6　结论

船闸下闸首人字闸门各构件最大应力见表1-36。

表1-36　闸门各构件最大应力表

由于本船闸建好运行时间不太长，外观完好无损，锈蚀量平均只有0～0.5mm，材质符合设计要求，焊缝质量也符合安全要求。因此，只对闸门的主梁及面板作验算校核。验算结果表明主梁的强度、刚度及稳定性均满足规范的安全要求，面板也满足强度要求。