Силовые воздействия на затворы и их сочетания

10.07.2016

Силовые воздействия

На затворы могут действовать следующие силы и нагрузки:
1) собственный вес затвора;
2) давление воды: а) гидростатическое, б) гидродинамическое, в) фильтрационное и г) волновое;
3) давление наносов;
4) давление льда;
5) давление ветра;
6) реактивные силы (трение, сцепление и т. п.), силы инерции и др.;.
7) сейсмические силы;
8) нагрузки, возникающие в процессе испытаний, монтажа, ремонта и т. п.
9) усилия, возникающие при заклинивании затвора в пазах.
При расчетах механического оборудования гидротехнических сооружений (ГТС) учитывают два сочетания нагрузок — основное и особое. В последнем случае коэффициенты сочетания нагрузок, предусмотренные СНиП II-A.11-62, п. 1.8, в расчеты не вводят.
Сочетания нагрузок и воздействий должны быть установлены в соответствии с практической возможностью одновременного их действия. При этом возможно изменение значения исходных данных, что обусловлено совместным действием нагрузок.
Нагрузки, вводимые в расчет в основных сочетаниях нагрузок, определяют при максимальном напоре с учетом изменений горизонта от ветра, возможных при нормальной эксплуатации.
Нагрузки, вводимые в расчет в особых сочетаниях, определяют при форсированном горизонте воды и катастрофическом напоре, который может возникнуть при аварийном нарушении условий работы данного сооружения (или соседних с ним) и с учетом ветровых изменений горизонтов максимально возможной величины.
Для расчета принимают самые невыгодные комбинации сил и нагрузок, которые могут действовать на затвор одновременно.
Расчетные комбинации сил и нагрузок рассматривают для следующих положений затвора: опирается на порог; полностью поднят;
момент отрыва от порога и момент посадки на порог; промежуточные положения с учетом гидродинамической нагрузки; такие монтажные состояния и положения, при которых в отдельных частях затвора возникают усилия, большие по величине или другого направления, чем при нормальной эксплуатации.
Гидродинамические нагрузки вычисляют на основании общих приемов гидромеханики. Для вычисления этих нагрузок в сложных случаях или для особо ответственных конструкций следует пользоваться результатами лабораторных исследований, проведенных для данной конструкции. Возможно также использовать результаты лабораторных или натурных исследований аналогичных конструкций.
Фильтрационное давление воды в уплотнениях затворов вычисляют по формуле:
Силовые воздействия на затворы и их сочетания

где gв — объемный вес воды, принимаемый для речной воды 1 т/м3;
Hц — напор над центром тяжести площадки касания уплотнения, в ж;
b — ширина площадки касания уплотнения, в м.
Коэффициент перегрузки 1,2.
Давление вакуума, при отсутствии специальных опытов, принимают не более 0,6 кг/см2. Коэффициент перегрузки 1,0.
От воздействия ледяного поля затворы предохраняют поддержанием перед ними постоянной майны.
На стадии проектных проработок собственный вес конструкции определяют по эмпирическим формулам; на стадии проектного задания — суммированием веса всех расчетных элементов с добавлением 10—20% на конструктивные элементы, а на стадии рабочих чертежей — по спецификации на чертежах. Коэффициент перегрузки для собственного веса 1,1, а при проверке затворов на опускание коэффициент перегрузки для собственного веса и балласта принимают 0,9.
Если затвор используют для сообщения между устоями, то вес нагрузки на мостовом настиле принимают 400 кг/м2, а горизонтальной нагрузки на поручень перил— 100 кг/м. Коэффициент перегрузки 1,2.
Гидростатическое давление на единицу площади в любой точке водоудерживающей поверхности затвора прямо пропорционально глубине погружения Я этой точки и направлено нормально к этой поверхности. Величину его определяют по формуле:
Силовые воздействия на затворы и их сочетания

где γ — объемный вес воды, обычно равный 1 т/м3;
H — глубина погружения, м.
Размеры нагруженной гидростатическим давлением площади затвора (водоудерживающей площади) lг и hг зависят от ширины l0 и высоты h0 отверстия в свету, а также, от места расположения и конструкции вертикальных и горизонтальных уплотнений. Сообразно с этим должны быть уточнены значения расчетных напоров Нв — верхнего и Hy — нижнего бьефов.
Кроме гидростатической нагрузки, действующей перпендикулярно к нагруженной поверхности (то есть при вертикальной обшивке — горизонтально), на затворы могут действовать вертикальные давления воды. К ним относятся вес столба воды над гребнем погруженного в воду затвора, вес переливающейся воды в затворах с клапанами, в сдвоенных или секционных затворах, а также вертикальное гидростатическое давление на нижние части затвора, зависящее от конструкции донного уплотнения и направленное в закрытом затворе вверх (выпор), а в при открытом — вниз (подсос).
Гидродинамическое давление возникает при истечении воды из-под затвора или при переливе через него. Давление движущейся воды (без учета вакуума) несколько меньше гидростатического давления (за счет потерь напора на обтекание затвора). Поэтому горизонтальное давление движущейся воды на плоский затвор в практических расчетах определяют как гидростатическое, за исключением особо ответственных случаев, изучаемых в лабораториях на моделях.
Очертание низа затвора не соответствует очертанию верхней поверхности струи, вытекающей из-под него. Если струя не отклоняется от нижних поверхностей затвора, то она создает только выпор — гидродинамическое давление, направленное вверх. По величине оно немного меньше соответствующего гидростатического давления (из-за потери напора). Если вытекающая струя отклоняется от нижних поверхностей затвора, то в пространстве, изолированном от атмосферы, возникает вакуум. Последний создает эффект «присоса» затвора к порогу и увеличивает подъемное усилие.
Силовые воздействия на затворы и их сочетания

При обтекании верхнего края затвора возникает аналогичное явление, но с обратным направлением усилий. Кроме того, если пространство под переливающейся струей непосредственно за затвором не сообщается с наружным воздухом, то может появиться дополнительная: горизонтальная нагрузка на верх затвора, направленная так же, как давление верхнего бьефа.
Вредные гидродинамические воздействия на затвор весьма сложны. Количественная оценка их (без специальных лабораторных исследований на моделях) очень трудна и неточна. При проектировании затворов, необходимо принимать специальные меры, устраняющие возможность, появления вакуума. Водосливному гребню затвора придают плавно обтекаемое очертание (см. рис. VII—11), сводящее к минимуму вертикальное давление переливающейся воды и исключающее отрыв струи; под струю подводят воздух; донному уплотнению сообщают относительно плавное очертание и располагают его возможно ближе к обшивке; нижнюю горизонтальную поверхность уплотняющих брусьев по возможности уменьшают; порогу водослива непосредственно за кромкой затвора сообщают уклон в сторону нижнего бьефа; в стенке сплошного нижнего ригеля устраивают отверстия. В затворах водоспусков в зону вакуума (за затвором) впускают воздух для восстановления атмосферного, давления (рис. VII—12).
Горизонтальную нагрузку от нагона волны учитывают некоторым увеличением высоты расчетного напора.
Давление наносов на затвор в случае отложения их перед затвором должно быть учтено независимо от гидростатического давления по формуле:
Силовые воздействия на затворы и их сочетания

где hв — высота слоя наносов;
φ — угол естественного откоса взвешенных наносов;
lг — ширина нагруженной площади затвора;
γн — объемный вес грунтового скелета в воде.
Последний определяют по формуле:
Силовые воздействия на затворы и их сочетания

γ0 — удельный вес материала частиц грунта, колеблющийся от 2,5 до 2,8;
р — порозность в долях единицы объема.
Давление ветра учитывают при поднятом над водой положении затвора по СНиП II-A.11-62.
Сейсмические воздействия на затвор определяют по специальным указаниям в тех случаях, когда все сооружение рассчитано на действие этих сил.
Силы, препятствующие подъему или опусканик) затвора, определяют с учетом всех факторов, оказывающих сопротивление движению затвора и поддающихся количественному определение собственный вес подвижной части затвора с коэффициентом перегрузки 1,1 при подъеме и 0,9 при посадке затвора; при определении опускного усилия следует учитывать потерю части веса затвора, находящегося в воде; вертикальное давление воды; трение в опорно-ходовых частях как в рабочих, так и в обратных и трение в уплотнениях; силу сцепления обмерзшей конструкции затвора по контуру, вес наледи на затворе, присос к порогу, перекосы при движении и т. п. Перечисленные силовые воздействия учитывают с коэффициентом перегрузки 1,2.
Собственный вес затвора для предварительных подсчетов можно определить путем сопоставления с весом аналогичных ранее запроектированных конструкций, по приближенным формулам или по графикам. Из многочисленных формул приводим только наиболее полно отражающие опыт советского проектирования.
П.П. Лаупман предложил для определения веса подвижной части плоских затворов g кг на 1 м2 перекрываемого отверстия следующие формулы:
1) для плоских погруженных колесных затворов
Силовые воздействия на затворы и их сочетания

но не менее 410 кг/м2;
2) для плоских поверхностных колесных затворов
Силовые воздействия на затворы и их сочетания

но не менее 260 кг/м2;
3) для плоских скользящих затворов
Силовые воздействия на затворы и их сочетания

В этих формулах Hn— расчетный напор (м) над центром отверстия; l0 — ширина перекрываемого отверстия, м. Формулы действительны при 100 ≤ Нцl20 ≤ 2500.
Указанные формулы относятся к плоским сварным затворам со сплошными ригелями, рассчитанными при допускаемом напряжении 1400 кг/см2. Конструкции сварных затворов со сквозными ригелями примерно на 15% легче, а клепаных затворов на 15% тяжелее. Секционные затворы с разными секциями тяжелее примерно на 10%, а с повторяющимися секциями — на 20%. Вес затворов с клапанами тяжелее на 10—15%. Вес затворов, запроектированных при допускаемых напряжениях [σ], отличающихся от 1400 кг/см2, можно приближенно определять по тем же формулам, но с введением поправки, равной 3√1400 для скользящих затворов, а для колесных — (0,2 + 0,8 3√1400/[σ].
При большом изменении допускаемых напряжений, например связанных с заменой в основных несущих элементах стали марки Ст. 3 сталью 15ХСНД, облегчение веса затвора существенно отстает от роста напряжений. Причины этого кроются в том, что в затворах из стали 15ХСНД количество элементов, размеры которых назначают конструктивно, возрастает; неблагоприятное влияние возможности потери устойчивости при сжатии и изгибе в элементах из стали 15ХСНД сказывается сильнее, чем в элементах из стали ВСт.3; сильнее сказывается и неблагоприятное влияние динамических нагрузок; кроме того, иногда мало загруженные элементы таких затворов выполняют из стали марки ВСт.З.
Расчетные сопротивления, допускаемые прогибы и гибкости в элементах затворов

Элементы подвижных частей затворов на прочность, устойчивость и выносливость рассчитывают по расчетным предельным состояниям, а закладные части и механические детали — по допускаемым напряжениям.
Расчетное сопротивление стали в элементах подвижных конструкций затворов и в их сварных, болтовых и клепаных соединениях при расчете на статическую прочность, а также на устойчивость элементов определяют по формуле:
Силовые воздействия на затворы и их сочетания

а при расчете на выносливость стальных конструкций и их соединений по формуле:
Силовые воздействия на затворы и их сочетания

где Rн — нормативное сопротивление материала, то есть минимальные значения предела текучести σт или в соответствующих случаях предела прочности σпч, установленные ГОСТ, техническими условиями или нормами (СНиП II-A.10-62, п. 4.19);
с — коэффициент перехода к производным сопротивлениям (см. табл. VII—1);
kод — коэффициент однородности материала (СНиП II-A. 10-62, табл. 22);
m — коэффициент (или коэффициенты) условий работы деталей и изделий;
γ — коэффициент понижения расчетного сопротивления при расчетах на выносливость, принимаемый согласно СНиП II-B.3-62 п. 8,9.
Значения расчетных сопротивлений для некоторых часто встречающихся случаев приведены в таблице VII—1.
Силовые воздействия на затворы и их сочетания

К затворам 1—4-й групп относят основные и аварийные затворы, судоходных шлюзов и водопроводных галерей, глубинные затворы при напоре выше 10 м, ремонтные, секторные, сегментные, клапанные и другие аналогичные им, к 5-й группе — строительные затворы, к 6-й группе — прочие затворы.
К сварным соединениям I категории относят соединения, выполненные автоматической, полуавтоматической или ручной сваркой электродами типа, соответствующего марке свариваемой стали, и проверенные при помощи ультразвуковой или магнитной дефектоскопии и просвечивания гамма- или рентгеновскими лучами, а к III категории — швы, проверяемые обычными способами.
Для затворов 1—4-й групп принимают коэффициент условий работы m = m2*m3 = 0,8*0,9 = 0,72, 5-й группы — m = m2*m3 = 0,7*0,9 = 0,63 и 6-й группы — m = m2*m3 = 0,9*0,9 = 0,81.
Предельные относительные прогибы [f:l] главных ригелей затворов как сплошной, так и решетчатой конструкции от нагрузок, вычисленные без учета коэффициентов перегрузки и динамичности:
Силовые воздействия на затворы и их сочетания

Допускаемые относительные прогибы вспомогательных элементов балочной клетки принимают равными 1/250.
Значения предельных гибкостей сжатых и растянутых элементов затворов приведены ранее.