Основы конструирования и расчета затворов
Конструкции затворов должны удовлетворять предъявляемым к ним эксплуатационным требованиям и технической безопасности, быть надежными и, возможно, более простыми при маневрировании.
При проектировании затворов следует принимать все возможные меры к уменьшению трудоемкости и ускорению процессов изготовления и монтажа конструкций. Затворы необходимо защищать от коррозии, кавитации и износа. При разбивке затворов на отправочные марки учитывают грузоподъемность и габарит транспортных средств и удобство транспортирования. При этом следует стремиться к тому, чтобы максимум работ был выполнен на заводе.
Для несущих нагрузку элементов стальных конструкций затворов, за исключением настилов и перил, не допускается применение: листовой стали толщиной менее 6 мм; равнополочной угловой стали сечением менее 63x63x6 мм; неравнополочной угловой стали сечением менее 75x50x6 мм; швеллеров и прокатных двутавровых балок с толщиной стенки менее 5 мм; полосовой стали шириной менее 60 мм.
В затворах пролетом более 10 м толщина обшивки должна быть не менее 10 мм. Увеличение толщины металла в конструкциях затворов на коррозию не допускается. Катет расчетных угловых сварных швов должен быть не менее 6 мм, длина — не менее 60 мм. Прерывистые сварные швы применять не следует.
Предельные относительные прогибы [f/l] главных ригелей затворов от нагрузок, вычисленных без учета коэффициента перегрузки, принимают следующие:
Затворы:
- с верхним горизонтальным уплотнением (погруженные)...................1/1000
- основные, работающие в потоке..................................................... 1/600
- основные, работающие под статической нагрузкой, и аварийные.... 1/500
- ремонтные..................................................................................... 1/400
- консольные................................................................................... 1/300
- вспомогательные элементы балочной клетки......................................... 1/250
Предельную гибкость сжатых и растянутых элементов продольных и поперечных связей затворов принимают [λ] = 150. Это вызвано возможной переменой направления усилия в элементах связей в процессе подъема и опускания затвора вследствие его скручивания.
Расчетный пролет плоского затвора — расстояние между осями опорно-ходовых частей (см. рисунок выше):
lef=l0 + 2c
где l0 — размер отверстия в свету (расстояние между бычками); с — расстояние от края бычка до оси опорно-ходовых частей (с должно обеспечить размещение в пазах неподвижных частей затвора, обычно с = 250...300 мм).
Нагруженный пролет (расстояние между вертикальными боковыми уплотнениями)
lw = l0 + (150÷200) мм.
Высота нагруженной части (для погруженных затворов) определяется расстоянием между верхним и нижним горизонтальными уплотнениями:
lw = l0 + ( 150÷200) мм, (5.11)
где h0 — высота отверстия в свету.
В поверхностных затворах hw = Н.
В сегментных затворах расчетный пролет (расстояние между осями опорных шарниров) зависит от того, располагается ли сегментный затвор в пролете с нишами, устроенными в теле устоев и бычков, где размещены его опорные шарниры (рисунок ниже), или последние расположены на выступающих из бычков и устоев консолях и ниши вообще отсутствуют (рисунки ниже).
Схемы к определению пролетов сегментного затвора
В первом случае расчетный пролет:
lef =l0 +(600÷1000) мм;
во втором случае:
lef =l0 - (600÷1000) мм.
Нагруженный пролет в первом случае определяется по формуле выше, во втором случае он равен отверстию в свету, т. е. lw = l0.
Конструирование и расчет элементов плоского затвора. Условием правильного размещения ригелей в плоских затворах является равномерность их загружения давлением воды. При соблюдении этого условия ригели получаются одинакового сечения. В двухригельном затворе ригели устанавливают на равном расстоянии от равнодействующей давления воды (см. рисунок выше).
Расстояние а2 от нижней точки затвора до оси нижнего ригеля должно обеспечивать размещение опорно-ходовых частей. При конструировании поперечного сечения затвора этим размером обычно задаются исходя из типа опорных частей. Для скользящих опор это расстояние равно 0,5÷0,6 м, для колесных опор — 0,6÷1,2 м.
Расстояние между ригелями а = 2(z - а2), где z определяют по формуле выше. Тогда вылет верхней консоли
а1 = htot - (a+a2)
где htot — полная высота затвора;
для поверхностного затвора htot = Н + а3,
для погруженного затвора htot = h0 + (0,3÷0,35) м,
где а3 — расстояние от уровня горизонта верхнего бьефа до верхней точки затвора (запас над УВБ), принимаемое равным 0,3÷0,4 м.
Затвор по длине разбивают на шесть или восемь панелей (при пролетах до 12 м их может быть до четырех).
Количество панелей обязательно должно быть четным, что обеспечивает симметричность продольной связевой фермы. Дли- ■. ну панели lm обычно назначают в пределах h < lm < 2h (h — высота ригеля). Допускается небольшое отличие длин крайних панелей от длины средних.
Расстояние между вспомогательными балками определяется конструктивными требованиями, согласно которым должны быть обеспечены пространственная жесткость затвора и устойчивость обшивки на участке между балками. Указанные требования выполняются, если расстояние в свету между соседними балками из двутавров или расстояние между наружными плоскостями стенок балок из швеллеров не более 70tо (толщин обшивки).
Поперечные связи располагают в вертикальной плоскости перпендикулярно обшивке затворов: их выполняют сплошными (диафрагмы) или сквозными.
В случае сквозных связей образуется ряд вертикальных ферм, расположенных друг от друга на расстоянии, равном длине панели ригеля. На рисунке ниже представлены схемы ферм поперечных связей поверхностных и погруженных плоских затворов. Выбор типа решетки ферм зависит от высоты затвора и высоты ригеля. Углы между направлениями раскосов и поясов следует назначать в пределах 30-60°. Продольные связи располагают в плоскости безнапорных поясов ригелей. Наиболее целесообразной является схема решетки с нисходящими раскосами (рисунок ниже), при которой наиболее длинные элементы (раскосы) работают на растяжение. Однако применяют решетки и с переменным направлением раскосов (рисунок ниже).
Схемы связей плоских затворов
Со стороны стальной обшивки, уложенной непосредственно на пояса ригелей, можно не устраивать продольных связей — роль их выполняет обшивка. Обычно толщина обшивки колеблется от 8 до 20 мм, а в погруженных высоконапорных затворах может достигать 40 мм. В затворах пролетом более 10 м толщину обшивки менее 10 мм не проектируют в целях придания жесткости всей конструкции и во избежание получения вмятин при случайных ударах по обшивке.
Расчетная схема обшивки представляет собой удлиненную пластинку, упруго защемленную по длинным сторонам. Расчет таких пластинок производят, выделяя из нее полоску единичной ширины (обычно 1 см). В результате получим вертикально расположенную упруго защемленную балку пролетом lр. При вспомогательных балках из прокатного двутавра lр принимают равным расстоянию между швами, прикрепляющими обшивку к соседним опорам, а при вспомогательных балках из швеллеров — равным расстоянию между наружными плоскостями их стенок (рисунок ниже).
Расчетная схема обшивки
В расчетах обычно предварительно задаются толщиной обшивки (для пролетов более 10 м, как правило, tp= 10 мм), а затем проверяют наибольшее допустимое расстояние [lр] при этой толщине, начиная с самого нижнего участка обшивки:
где pwm — гидростатическое давление на единицу площади посередине пролета рассматриваемого участка обшивки; Ry(u)— расчетное сопротивление при изгибе листовой стали толщиной 10 мм.
Полученное значение сравнивают с принятым при конструировании поперечного сечения затвора расстоянием между вспомогательными балками. Если расстояние lр>[lр], то рекомендуется добавить вспомогательную балку, но не увеличивать толщину обшивки. Это связано с тем, что затраты металла на вспомогательные балки в затворе незначительны (не более 10% от общего веса затвора), а вес обшивки приближается к 30% последнего. Следовательно, даже небольшое увеличение толщины обшивки на 1-2 мм приведет к значительным дополнительным затратам металла.
Вспомогательные балки являются горизонтальными элементами балочной клетки и служат опорами для обшивки. Их изготовляют из прокатных двутавров, за исключением верхней и нижней обвязок. Это связано с большей жесткостью двутавра по сравнению с швеллером, хотя двутавры способствуют накоплению атмосферных осадков и грязи, ускоряющих коррозию металла. Из-за последнего обстоятельства в некоторых случаях вспомогательные балки изготовляют и из швеллеров.
Вспомогательные балки рассчитывают на действие сплошной нагрузки, передаваемой обшивкой. В качестве расчетной схемы горизонтально расположенных балок, опирающихся на стойки, принимают многопролетную неразрезную балку, загруженную во всех пролетах равномерно распределенной нагрузкой.
Пролеты неразрезной балки равны длине панели lm (рисунок ниже) для расчета выбирают самую нагруженную балку (расположенную ниже остальных).
К расчету вспомогательной балки
Давление на вспомогательную балку
qb=pwmab
где pwm — среднее гидростатическое давление по высоте рассматриваемой площадки;
qb=lp1+lp2/2 + bf
С некоторой долей погрешности можно принимать гидростатическое давление pwm на уровне вспомогательной балки (при lp1≠lp2).
Максимальный изгибающий момент в балке (у первой промежуточной опоры) М = 0,107qblm. Далее определяют требуемый момент сопротивления W = M/Ry(u), где Ry(u) — расчетное сопротивление при изгибе фасонной стали.
В расчетное сечение вспомогательных балок включают часть примыкающей обшивки аt (рисунок выше):
аt =bf+1,3tp√E/Ry
где bf— ширина полки прокатного двутавра (если вспомогательная балка проектируется из швеллера, то bf = 0); Ry — расчетное сопротивление для листовой стали толщиной 10 мм; Е — модуль упругости.Следовательно, по W необходимо подобрать составное сечение (на рисунке выше затемнено). Для этого по сортаменту (приложение 1) на прокатные двутавры принимают профиль с Wx < W (приблизительно на один номер, например, вместо № 18 принять № 16) и далее определяют момент инерции J и момент сопротивления Wmin составного сечения, которое должно удовлетворять условию Wmin > W.
Опорами для горизонтально расположенных вспомогательных балок служат стойки. Фактически стойки являются поясами поперечных связевых ферм, причем нагрузка на ферму от вспомогательных балок передается не в узлах, а в пролете, в результате чего пояса-стойки получают дополнительно изгиб.
Расчет и подбор сечения стоек, как внецентренно сжатого элемента, производят одновременно с расчетом поперечных связей. Сечение стойки принимают или из одного прокатного двутавра, или из двух прокатных швеллеров.
Ригели — основные несущие элементы затвора — в зависимости от пролета перекрываемого отверстия и величины напора выполняют из прокатных профилей (при небольших пролетах), в виде составных балок и в редких случаях в виде сквозных ферм. Расчетная схема ригеля (рисунок ниже) — однопролетная шарнирно опертая балка (или ферма), загруженная равномерно распределенной нагрузкой на длине lw (нагруженный пролет).
К расчету ригеля плоского затвора
Так как размещение ригелей по высоте затвора было осуществлено исходя из их равнонагруженности гидростатическим давлением, равномерно распределенную нагрузку на каждый ригель от этого давления определяют по формулам:
для поверхностного затвора q = 0,25γwH2;
для погружённого затвора q = 0,25γwhw(2H - hw).
При расчете и конструировании ригелей необходимо учитывать, что их пояса одновременно служат поясами продольных связевых ферм. Под давлением воды Fw напорные пояса 1 и 3 (рисунок выше) сжимаются, а безнапорные 2 и 4 растягиваются. Под влиянием собственного веса всего затвора G эти же пояса, как пояса продольных связевых ферм, испытывают: 1 и 2 — сжатие, 3 и 4 — растяжение. Следовательно, сжатый пояс 1 верхнего ригеля и растянутый 4 нижнего ригеля под влиянием собственного веса будут дополнительно нагружены, а пояса 2 и 3 — разгружены. Пояса обоих ригелей проектируют одинаковыми с учетом наибольшего (суммарного) усилия. При подборе сечений двухригельных затворов ориентировочно оценивают влияние собственного веса затвора на усилия в поясах; ригелей, увеличивая последние примерно на 10% усилий, вызываемых гидростатической нагрузкой.
Дополнительно следует учитывать, что в состав напорного пояса включается часть примыкающей к поясу обшивки со свесами аt (рисунок выше).
где Ry принимается по формуле выше.
Следовательно, площадь напорного пояса
Подобрав сечение ригеля в виде составной балки, проверяют угол α (см. рисунок выше) между плоскостью водослива и нижней кромкой ригеля затвора. Если он меньше 30°, то при поднятии затвора вытекающая из-под него вода захлестывает нижний ригель и создает под ним вакуум, увеличивающий подъемное усилие. Особенно неблагоприятно неустановившееся протекание воды с прилипанием и отрывом струи от ригеля. В этом случае возникает значительная и резко меняющаяся динамическая нагрузка, создающая вибрацию затвора. Для устранения вакуума (при угле α < 30°) в стенке сплошного нижнего ригеля по линии нейтральной оси необходимо устраивать отверстия для прохода воздуха в зоне возможного вакуума. Суммарная площадь этих отверстий должна быть не менее 0,2 всей площади стенки ригеля (см. рисунок выше).
Поперечные связи плоских затворов представляют собой вертикально расположенные фермы, поясами которых являются, с одной стороны, стойки балочной клетки, с другой — стойки продольной связевой фермы и подкос верхней консольной части затвора. Для определения усилий в стержнях ферм предполагают, что эти фермы опираются на узлы растянутых поясов ригелей (рисунок ниже). Нагрузка на фермы в виде сосредоточенных сил передается от вспомогательных балок и непосредственно через напорные пояса. Силы от вспомогательных балок:
Fi=qbilm
где qbi —давление на вспомогательные балки, определяемое по формуле выше. Давление воды на ферму через верхний (Ft) и нижний (Fb) напорные пояса определяют аналогично. Расчетная высота фермы несколько меньше полной высоты ригеля. Оси ее поясов проходят посередине стойки балочной клетки и через безнапорные пояса ригелей. С малой долей погрешности высота фермы поперечных связей:
htr = h- hb - 0,5hp,
где hb — высота сечения вспомогательной балки; hp — высота сечения стойки.
К расчету связей плоского затвора
Усилия в стержнях поперечной связевой фермы определяют любым известным методом строительной механики.
Продольные связи вместе с безнапорными поясами ригелей образуют продольную связевую ферму. Несколько упрощенно можно принять, что усилия в решетке продольной связевой фермы возникают только от действия собственного веса затвора G, считая его распределенным между связями с безнапорной и напорной стороны в зависимости от удаления центра тяжести затвора от каждой из этих систем связей (рисунок выше). Также несколько условно можно предположить, что вся вертикальная нагрузка на продольную связевую ферму приложена в узлах ее верхнего пояса. Обычно принимают, что на эту ферму передается 40% полного веса затвора. Вес затвора G определяют по графикам (см. рисунок выше).
Зная собственный вес затвора G, можно вычислить нагрузку на каждый узел продольной связевой фермы:
Gi = 0,4Glm/lef
Далее методами строительной механики определяют усилия в продольных связях. Стойки продольных связевых ферм одновременно служат поясами поперечных связевых ферм. Напряжения в них суммируют. Однако чаще эти суммируемые напряжения разных знаков (в продольных связях стойки обычно сжаты, а в поперечных связях это растянутый пояс). С допущением, идущим в запас прочности, стойку подбирают только по сжимающему усилию.
Конструирование и расчет элементов поверхностного сегментного затвора. Конструируя сегментный затвор, прежде всего определяют положение оси вращения затвора (выше, на уровне или ниже самого высокого положения свободной поверхности потока воды). Величина радиуса обшивки сегментного затвора существенно влияет на работу портальных рам и, следовательно, на вес затвора, который тем больше, чем длиннее ноги портала. Обычно радиус выбирают равным (1,2 - 1,5) htot. Высоту затвора htot принимают на 0,3 - 0,5 м выше уровня верхнего бьефа:
htot = H + (0,3 - 0,5) м.
Ригели в сегментных затворах, так же как и в плоских, стремятся расположить таким образом, чтобы каждый из них был нагружен примерно одинаковой нагрузкой.
Для этого их размещают на равном расстоянии от равнодействующей гидростатического давления.
Расстояние плоскости нижнего ригеля от порога а2 должно быть таким, чтобы вода, вытекающая из-под затвора при его подъеме, не захлестывала нижний ригель. Направленный по радиусу нижний ригель имеет благоприятные условия истечения воды из-под него, а поэтому может быть опущен несколько ниже, чем этот же ригель в плоском затворе. Обычно принимают а2 = 0,12htot. Желательные соотношения длин верхней консоли и средней панели: а1 = 0,48htot; а = 0,4htot.
По конструкции пролетного строения сегментные затворы разделяют на следующие типы: с прямыми жесткими ногами (рисунок ниже); с прямыми гибкими ногами (рисунок ниже); с наклонными гибкими ногами (рисунок ниже); с ногами, шарнирно заделанными в ригеле (рисунок ниже). Сегментные затворы с наклонными ногами имеют ряд положительных качеств. Наличие консолей снижает изгибающие моменты в главных ригелях, что приводит к уменьшению их сечения и высоты, а, следовательно, веса. Уменьшение высоты главных ригелей дает возможность снизить вес поперечных ферм (диафрагм). В результате снижаются общий вес затвора и соответственно грузоподъемность обслуживающих механизмов.
Конструкции несущей части сегментных затворов
Остальные принципы конструирования сегментного затвора (разбивка ригеля на панели, расстановка вспомогательных балок, выбор типа решетки поперечных и подъемных ферм) аналогичны тому же в плоских затворах.
Расчет и конструирование обшивки и вспомогательных балок сегментных затворов производят аналогично расчету тех же элементов в плоских затворах. Подобно расчету фермы поперечных связей плоских затворов, ведут расчет поперечных ферм сегментных затворов, только нагрузки, прикладываемые к этим фермам, направлены по радиусу к центру вращения затвора.
Чаще всего применяют жесткое соединение ног сегментных затворов с ригелями (см. рисунок выше). В этом случае ноги и ригели представляют собой рамную конструкцию и работают как одна система (портал).
Порталы применяют следующих типов: П-образная рама (рисунок ниже); П-образная рама с консолями (рисунок ниже) и трапециевидная рама с консолями (рисунок ниже). Как правило, опирание ног рам — шарнирное. Вследствие такого закрепления концов опорных ног при изгибе ригелей изгибаются и ноги, и в шарнирах появляются горизонтальные силы распора.
Типы порталов сегментных затворов
Усилия и моменты, возникающие в элементах рам, определяют по формулам курса строительной механики. После того как все силовые воздействия в портале определены, приступают к подбору сечений и проверке напряжений в характерных сечениях его элементов, используя рекомендации последующих глав настоящего раздела. Ригели проектируют в виде составных балок, ноги портала — из прокатного двутавра. Если мощности прокатного двутавра недостаточно, то переходят на составной сплошной стержень (типа составных сплошных колонн). Усилия в элементах опорных ферм сегментного затвора определяют от действия собственного веса конструкции .и от давления подъемной цепи или каната, которое приводит к равномерно распределенному давлению со стороны обшивки, направленному к центру ее кривизны. Как правило, эти усилия очень малы, и сечения элементов опорных ферм подбирают по допустимой гибкости [λ] =150.
Подъемную ферму сегментного затвора рассчитывают аналогично продольной связевой ферме плоского затвора, единственное отличие состоит в том, что в сегментном затворе на подъемную ферму передают половину веса затвора.