吐魯番某水庫潛孔式平面鋼閘門設計應力分析

趙萬強

(吐魯番市水利水電勘測設計研究院,新疆 吐魯番 838000)

1 工程概述

新疆吐魯番某水庫工程規模為小(1)型工程，工程等別為Ⅳ等。水工建筑物級別：永久性主要建筑物為4級，永久性次要建筑物為5級，臨時性建筑物為5級。水庫正常運用洪水重現期為50年，非常運用洪水重現期為1000年。

該水庫潛孔式平面鋼閘門設計孔口尺寸為2.5m×2.5m，上游最大水深25.0m，閘門主要功能為擋水泄水。閘門總水壓力為1553.36kn，總水壓力作用點為23.78m。

2 平面鋼閘門梁格設計布置

該水庫閘門采用潛孔式鋼閘門，采用復式梁格，等高(同層)鏈接，上游設置擋水面板，下游止水。高水頭潛孔式鋼閘門主梁可按等間距布設，底主梁布置應滿足下游傾角應不小于30度，不應滿足時應采取適當補氣措施。該閘門按等荷載原則確定主梁位置；擬定主梁根數n=3(含底梁，不含頂梁)

計算公式；

(1)

第K根主梁至水面的距離：

(2)

第1根主梁至水面的距離y1∶yk(1)=22.893m 實際取值 y1=23.00m

第2根主梁至水面的距離y2∶yk(1)=23.758m 實際取值 y1=23.80m

第3根主梁至水面的距離y3∶yk(1)=24.592m 實際取值 y1=24.60m

主梁布置：

本工程按△y=0.8m布置主梁(在y1-y2-y3之計算間距的基礎上適當調整布置)。

△y=(yk(3)-yk(1))÷2=0.849m
yk(2)-yk(1)=0.865m

yk(3)-yk(2)=0.843m 頂主梁至第1根主梁的間距：△y1=y1-Hding-a=0.45m

第1、2根主梁之間的距離為：△y2=y2-y1=0.8m

第2、3根主梁之間的距離為：△y3=y3-y2=0.8m

梁格布置詳見圖1。

3 主要梁格應力分析

3.1 主梁荷載

主梁承受水平荷載(面板分布水壓和豎直次梁支座反力)、水柱荷載(頂梁)和邊梁傳來的軸向力。屬雙向偏心受壓構件。

(1)主梁均布荷載

q=p軸*bj

(3)

式中，p軸—頂、底主梁軸線處水壓，N/mm2；bj—梁的荷載分配區寬，mm，見《小型水電站機電設計手冊-金屬結構》p104圖4-15。

表1 主梁荷載及內力計算成果表(均布荷載主梁相鄰間距之和半法-采用方法)

圖2 懸臂式滾輪輪壓計算簡圖

(2)主梁集中荷載

主梁所受集中荷載為豎直次梁的支座反力。

(3)主梁軸向荷載

為主梁軸線線荷載×(梁高+水封高度)。軸向力偏心距e=(梁高+水封高)/2-Yc1

3.2 應力計算

(1)主梁跨中彎矩M

均布荷載：M=q2L/8(簡支梁)

集中荷載：M=PL/(5-m)

(2)主梁支座反力R

均布荷載：R=qL/2(簡支梁)

集中荷載：R=mP/2(m—同上)

(3)主梁支座剪力Q

均布荷載：Q=qL/2(簡支梁)

集中荷載：Q=mP/2(m—同上)

(4)主梁所需截面抵抗矩(抗彎截面系數)W

2.結果評價和過程評價相結合，突出過程評價。在學生活動過程中，有意識地收集和保留學生的活動資料（如活動方案、活動計劃、作品草稿及作品等），讓學生結合這些材料自我反思的同時，教師需要進行實時跟蹤評價，最后結合學生的最終學習成果，設計多維度的評價量規，規定學生的表現等級。

水平荷載：W=(M均+M集)/[σ](mm3)

軸向荷載：W=Mz[σ](mm3)

計算結果詳見表1。

4 支承及主軌應力分析

該閘門支承結構采用懸臂滾輪支承，單個主輪受最大輪壓Fmax，詳見懸臂式滾輪輪壓計算簡圖見圖2。

《SL74- 2013》6.2.4條：作用在滾輪上的最大設計荷載，應按計算最大輪壓考慮一定的不均勻系數，對于簡支輪和設有偏心軸的多滾輪，可采用1.1，其他特殊情況，另行研究。

BzL0=2.3m L1=0.967m L2=1.333m

當L2>L1時Fmax=1.1×P×L2/L0=769.493kN

單個滾輪最大輪壓P1=Fmax/2=384.747kN

(1)滾輪材料：ZG340- 640，直徑D=480mm；

彈性模量E=2.06×105×N/mm2

屈服點σs=235MPa 《碳素結構鋼》(GB700)；經表面調質處理后表面硬度為HB340- 360，則σs=235MPa

(2)主軌材料為16Mn，屈服點σs=345MPa《低合金結構鋼》(GB1591)。

(3)滾輪軸材料為45號鋼，軸頸部半徑r=75mm，鋼基銅塑軸套(襯套)。

①圓柱形滾輪與平面軌道線接觸應力計算：

接觸應力 σmax=187MPa

②主輪軸應力計算：(支座A軸直徑68mm，支座B軸直徑160mm)計算簡圖見圖3。

圖3 懸臂式滾輪受理計算簡圖

5 結束語

閘門梁格的布置及應力計算涉及到整個工程的安全及投資，合理的布置梁系及梁系的應力分析計算尤為關鍵，在計算過程中可采用簡化荷載計算來設計減小工作量，且計算成果準確。

該水庫閘門已建完運行4年，經水管單位運行及監測記錄，該閘門安全可靠、運行良好，門葉結構及梁格布置較為合理，運行期無閘門異常震動開閘、關閘平穩取得了較好的運行效果。本論文旨在交流同類工程的設計經驗，能更多的應用到深孔閘門的設計中。

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