闸门门槽主轨设计

马德新

（辽宁省水电设计院，沈阳110006）

主轨是门槽埋设件的重要组成部分，主要作用是将闸门所承受的水压荷载及其他荷载和闸门自重安全地传递到混凝土中去，同时从水力学方面来讲可以保护和增强水流对闸门孔口及其附近范围的磨蚀和空蚀，还兼有为闸门正常运转和吊装、检修提供具有一定精度要求的支承、行走、止水等基准面。

1 主轨的型式

常规设计中，主轨有图1中所示的几种型式。当闸门主支承采用滑道、滑块或轮子且轮压较小时，可用轧制工字钢（或槽钢）（图1－a）或用钢板焊成的组合工字钢（图1－b）。当闸门主支承为主轮，且轮压较大，上述两种情况无法满足时，可用重型钢轨或起重机钢轨（图1－c）。当轮压超过500kN时，可用铸钢轨道（图1－d）。为提高轨道的侧向刚度，常把轨道与门槽护角连在一起。

2 主轨的材料

门槽主轨的材料目前习惯用铸钢、型钢或组合型钢。

铸钢中通常用的钢号有ZG35、ZG45，更重要的工程中也用到了ZG55；型钢埋设件较多的是将型钢与型钢焊接组合或型钢与钢板焊接组合；组合型钢埋设件一般指用钢板焊接成型钢形状的埋件；除此之外，埋设件轨道还有采用国家成批生产的标准铁路钢轨或起重机钢轨。

3 主轨边距的确定

由平面闸门门槽主轨的布置示意图（2－a）和混凝土承压宽度示意图（2－b）， 得 主 轨 边 距a＝0.5b1＋e，其中b1为主轨后翼缘宽，e为主轨承压面外缘至闸槽边缘的距离。在设计中对主轨边距的确定，通常是根据闸门结构的支承和封水结构尺寸的布置、水力学对门槽的影响或考虑二期混凝土浇注、埋件安装是否方便等因素确定，而对混凝土的实际受力情况考虑得较少。

从我国现行《水利水电工程钢闸门设计规范》来看，虽然对主轨强度计算给出了近似计算方法，但也仅仅考虑了沿轨道长度方向的影响，即3倍轨道高度；而对宽度方向的影响未作考虑，即对主轨边距未作明确的数值规定。事实上宽度方向的影响非常重要，如果主轨边距过小，这时轨道受力很大，在特定的条件下有可能在门槽边缘混凝土的内部产生拉应力破坏或剪应力破坏。

图2 主轨布置和混凝土承压宽度示意图

从国外资料来看，在日本有关闸门设计规范和技术资料中采用经验公式a＝20＋0.1P（cm）来确定主轨边距。 P为每一个滚轮的荷载（t）。从公式中可以看出a的最小值为20cm，对于大型闸门可以借鉴使用，而对于小型闸门，其取值明显偏大。

在西德的《水工钢结构物的计算基础规范》中规定，其力的传递范围如图（2－b）所示，并强调荷载分布面的整个宽度必须处在混凝土内。此外，承压面外侧同混凝土边缘的最小距离e视钢筋的埋设而定，通常不小于15cm，不难得到公式a≥0.5b1＋15（cm）。

这样，对主轨边距的确定都是采用经验公式，没有成熟的理论和公式来规范。在这种情况下，对主轨边距的确定，笔者建议除考虑闸门结构的支承和封水结构尺寸的布置、水力学对门槽的影响或考虑二期混凝土浇注、埋件安装是否方便等因素外，还应考虑混凝土的实际受力情况，并且确保主轨荷载分布面的整个宽度处在混凝土内。

4 主轨应力的计算

根据闸门主支承布置型式，轮子、滑道（块）与不同型式的主轨轨道相匹配，对轨道的计算公式进行规纳、归类，总结出如下两种工况：

4.1 主轮对工字钢（或槽钢）、组合工字钢、钢轨、铸钢轨道工况

（1）轨道底板混凝土承压应力σh

当相邻两滚轮中心距小于3hk时，其公式

式中 P1为滚轮的荷载（N）； hk为轨道高度（mm）；Bk为轨道底板宽度（mm）；L为相邻两滚轮的中心距（mm）；［σh］为混凝土的容许承压应力（N/mm2）。

（2）轨道横断面弯曲应力σ

式中 Wk为轨道截面抵抗矩（mm3）；［σ］为抗弯容许应力（N/mm2）。

（3）轨道颈部的局部承压应力σcd

式中 S为颈部至轨面的距离（mm）；T为颈部厚度（mm）；［σcd］为局部承压容许应力（N/mm2）。

（4）轨道底板弯曲应力σ

式中 c为底板悬臂段长度（mm）；δ为底板厚度（mm）； ［σ］为抗弯容许应力（N/mm2）。

4.2 平面、弧面滑道（块）对工字钢（或槽钢）轨道、组合工字钢轨道工况

（1）轨道底板混凝土承压应力σh

式中 P2为滑道（块）的荷载（N）；Lh为滑道（块）的长度（mm）。

（2）轨道底板弯曲应力σ

（3）轨道颈部局部承压应力σcd

以上计算公式均为假定荷载全部通过轨道的下翼缘传递到混凝土基础中。另外，当平面滑道（块）与轨道接触时，也可以假定荷载全部通过轨道的上翼缘传递到混凝土基础中，这时，需验算轨道前翼缘的弯曲应力。

（4）轨道前翼缘的弯曲应力σ

式中 σy为滑道（块）的承压应力（N/mm2）；Bh为滑道（块）的宽度（mm）；［σy］为滑道（块）的抗压容许应力（N/mm2）。

［1］杨兆福.水工金属结构［M］.长春：水利电力出版社，1988.

［2］杨兆福.关于平面闸门与弧形闸门设计中几个问题的探讨［J］.金属结构，1989，（3）：49.

［3］王文珊.关于水工闸门设计中几个问题的探讨［J］.金属结构，1983，（3）：10.

［4］阎诗武.水工结构的动特性及其优化问题［J］.金属结构，1991，（6）：1.

［5］刘世忠.水工钢闸门支承滑道的研制［J］.金属结构，1988，（2）：1.

［6］乔为民.小浪底高压定轮设计简介［J］.金属结构，1993，（6）：27.

［7］铁汉.闸门门槽埋件安装固定联接的设计［J］.金属结构，1999，（3）：36.

［8］郑慰祥.含异种钢材的闸门槽主轨的制造安装［J］.金属结构，1998，（4）：28.

［9］安徽省水利局勘测设计院.水工钢闸门设计［M］.北京：水利出版社，1980.

［10］王既民.闸门与启闭机［M］.北京：中国水利水电出版社，1997.