閘門門槽主軌設(shè)計(jì)

馬德新

（遼寧省水電設(shè)計(jì)院，沈陽110006）

主軌是門槽埋設(shè)件的重要組成部分，主要作用是將閘門所承受的水壓荷載及其他荷載和閘門自重安全地傳遞到混凝土中去，同時(shí)從水力學(xué)方面來講可以保護(hù)和增強(qiáng)水流對閘門孔口及其附近范圍的磨蝕和空蝕，還兼有為閘門正常運(yùn)轉(zhuǎn)和吊裝、檢修提供具有一定精度要求的支承、行走、止水等基準(zhǔn)面。

1 主軌的型式

常規(guī)設(shè)計(jì)中，主軌有圖1中所示的幾種型式。當(dāng)閘門主支承采用滑道、滑塊或輪子且輪壓較小時(shí)，可用軋制工字鋼（或槽鋼）（圖1－a）或用鋼板焊成的組合工字鋼（圖1－b）。當(dāng)閘門主支承為主輪，且輪壓較大，上述兩種情況無法滿足時(shí)，可用重型鋼軌或起重機(jī)鋼軌（圖1－c）。當(dāng)輪壓超過500kN時(shí)，可用鑄鋼軌道（圖1－d）。為提高軌道的側(cè)向剛度，常把軌道與門槽護(hù)角連在一起。

2 主軌的材料

門槽主軌的材料目前習(xí)慣用鑄鋼、型鋼或組合型鋼。

鑄鋼中通常用的鋼號有ZG35、ZG45，更重要的工程中也用到了ZG55；型鋼埋設(shè)件較多的是將型鋼與型鋼焊接組合或型鋼與鋼板焊接組合；組合型鋼埋設(shè)件一般指用鋼板焊接成型鋼形狀的埋件；除此之外，埋設(shè)件軌道還有采用國家成批生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)鐵路鋼軌或起重機(jī)鋼軌。

3 主軌邊距的確定

由平面閘門門槽主軌的布置示意圖（2－a）和混凝土承壓寬度示意圖（2－b）， 得 主 軌 邊 距a＝0.5b1＋e，其中b1為主軌后翼緣寬，e為主軌承壓面外緣至閘槽邊緣的距離。在設(shè)計(jì)中對主軌邊距的確定，通常是根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)的支承和封水結(jié)構(gòu)尺寸的布置、水力學(xué)對門槽的影響或考慮二期混凝土澆注、埋件安裝是否方便等因素確定，而對混凝土的實(shí)際受力情況考慮得較少。

從我國現(xiàn)行《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》來看，雖然對主軌強(qiáng)度計(jì)算給出了近似計(jì)算方法，但也僅僅考慮了沿軌道長度方向的影響，即3倍軌道高度；而對寬度方向的影響未作考慮，即對主軌邊距未作明確的數(shù)值規(guī)定。事實(shí)上寬度方向的影響非常重要，如果主軌邊距過小，這時(shí)軌道受力很大，在特定的條件下有可能在門槽邊緣混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力破壞或剪應(yīng)力破壞。

圖2 主軌布置和混凝土承壓寬度示意圖

從國外資料來看，在日本有關(guān)閘門設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)資料中采用經(jīng)驗(yàn)公式a＝20＋0.1P（cm）來確定主軌邊距。 P為每一個(gè)滾輪的荷載（t）。從公式中可以看出a的最小值為20cm，對于大型閘門可以借鑒使用，而對于小型閘門，其取值明顯偏大。

在西德的《水工鋼結(jié)構(gòu)物的計(jì)算基礎(chǔ)規(guī)范》中規(guī)定，其力的傳遞范圍如圖（2－b）所示，并強(qiáng)調(diào)荷載分布面的整個(gè)寬度必須處在混凝土內(nèi)。此外，承壓面外側(cè)同混凝土邊緣的最小距離e視鋼筋的埋設(shè)而定，通常不小于15cm，不難得到公式a≥0.5b1＋15（cm）。

這樣，對主軌邊距的確定都是采用經(jīng)驗(yàn)公式，沒有成熟的理論和公式來規(guī)范。在這種情況下，對主軌邊距的確定，筆者建議除考慮閘門結(jié)構(gòu)的支承和封水結(jié)構(gòu)尺寸的布置、水力學(xué)對門槽的影響或考慮二期混凝土澆注、埋件安裝是否方便等因素外，還應(yīng)考慮混凝土的實(shí)際受力情況，并且確保主軌荷載分布面的整個(gè)寬度處在混凝土內(nèi)。

4 主軌應(yīng)力的計(jì)算

根據(jù)閘門主支承布置型式，輪子、滑道（塊）與不同型式的主軌軌道相匹配，對軌道的計(jì)算公式進(jìn)行規(guī)納、歸類，總結(jié)出如下兩種工況：

4.1 主輪對工字鋼（或槽鋼）、組合工字鋼、鋼軌、鑄鋼軌道工況

（1）軌道底板混凝土承壓應(yīng)力σh

當(dāng)相鄰兩滾輪中心距小于3hk時(shí)，其公式

式中 P1為滾輪的荷載（N）； hk為軌道高度（mm）；Bk為軌道底板寬度（mm）；L為相鄰兩滾輪的中心距（mm）；［σh］為混凝土的容許承壓應(yīng)力（N/mm2）。

（2）軌道橫斷面彎曲應(yīng)力σ

式中 Wk為軌道截面抵抗矩（mm3）；［σ］為抗彎容許應(yīng)力（N/mm2）。

（3）軌道頸部的局部承壓應(yīng)力σcd

式中 S為頸部至軌面的距離（mm）；T為頸部厚度（mm）；［σcd］為局部承壓容許應(yīng)力（N/mm2）。

（4）軌道底板彎曲應(yīng)力σ

式中 c為底板懸臂段長度（mm）；δ為底板厚度（mm）； ［σ］為抗彎容許應(yīng)力（N/mm2）。

4.2 平面、弧面滑道（塊）對工字鋼（或槽鋼）軌道、組合工字鋼軌道工況

（1）軌道底板混凝土承壓應(yīng)力σh

式中 P2為滑道（塊）的荷載（N）；Lh為滑道（塊）的長度（mm）。

（2）軌道底板彎曲應(yīng)力σ

（3）軌道頸部局部承壓應(yīng)力σcd

以上計(jì)算公式均為假定荷載全部通過軌道的下翼緣傳遞到混凝土基礎(chǔ)中。另外，當(dāng)平面滑道（塊）與軌道接觸時(shí)，也可以假定荷載全部通過軌道的上翼緣傳遞到混凝土基礎(chǔ)中，這時(shí)，需驗(yàn)算軌道前翼緣的彎曲應(yīng)力。

（4）軌道前翼緣的彎曲應(yīng)力σ

式中 σy為滑道（塊）的承壓應(yīng)力（N/mm2）；Bh為滑道（塊）的寬度（mm）；［σy］為滑道（塊）的抗壓容許應(yīng)力（N/mm2）。

［1］楊兆福.水工金屬結(jié)構(gòu)［M］.長春：水利電力出版社，1988.

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［3］王文珊.關(guān)于水工閘門設(shè)計(jì)中幾個(gè)問題的探討［J］.金屬結(jié)構(gòu)，1983，（3）：10.

［4］閻詩武.水工結(jié)構(gòu)的動特性及其優(yōu)化問題［J］.金屬結(jié)構(gòu)，1991，（6）：1.

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