Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

10.07.2016

Обшивка

Обшивку, стальных затворов обычно делают стальной и в редких случаях деревянной или арктелитовой. Как правило, обшивку располагают со стороны верхнего бьефа.
Преимуществами стальной обшивки являются ее водонепроницаемость, долговечность и большая жесткость. Стальная обшивка совместно с балочной клеткой образует жесткий диск, который надежно обеспечивает неизменное положение в пространстве сжатых поясов ригелей и их устойчивость в вертикальной плоскости. Поэтому со стороны стальной обшивки, усложенной непосредственно на пояса ригелей, между последними можно не устраивать продольных связей. Кроме того, мощная стальная обшивка с развитой в продольном направлении балочной клеткой принимает большое участие в работе всего затвора на изгиб и позволяет рассчитывать его как пространственную конструкцию с включением обшивки в расчетное сечение. Если затвор рассчитывают с разбивкой на плоские составляющие элементы, то и тогда часть стальной обшивки включают в расчетное сечение плоских несущих конструкций.
Конструирование стальной обшивки должно быть тщательно увязано с проектированием балочной клетки и ригелей (при включении обшивки в расчетное сечение последних), а также с предполагаемым способом перевозки и монтажа затвора. Листы обшивки лучше располагать горизонтально для удобства разделения затвора на монтажные пространственные блоки.
При проектировании балочной клетки затвора следует предусматривать наивыгоднейшую работу обшивки, полное использование несущей способности балок и наименьший общий вес затвора.
Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

Наиболее удобно крепить обшивку непосредственно к сжатым поясам ригелей и вспомогательных балок, располагаемых горизонтально в промежутках между ригелями (рис. VII—13). Вспомогательные балки опирают на стойки, входящие в состав поперечных связей (решетчатых или сплошных). Такое расположение вспомогательных балок обеспечивает совместную работу их с обшивкой и ригелями при изгибе всего затвора и простоту крепления балок, к стойкам. В поверхностных затворах расстояние между вспомогательными балками уменьшают книзу (по мере роста гидростатической нагрузки) или меняют толщину обшивки (что менее желательно).
В этом случае нормальные напряжения в обшивке от изгиба ее непосредственным давлением воды будут ориентированы по вертикали, а нормальные напряжения от изгиба обшивки при работе совместно с ригелями —по горизонтали. Следует помнить, что обшивка, играющая роль вертикальных продольных связей между ригелями, испытывает значительное сжатие или растяжение под влиянием части собственного веса затвора и других вертикальных сил.
Обшивку рассчитывают как вертикально расположенную балку шириной 1 см, упруго защемленную на опорах. Расчетный изгибающий момент в ней:
Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

а момент сопротивления полосы обшивки шириной 1 см
Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

где l — пролет обшивки в см, равный расстоянию между швами, прикрепляющими обшивку к соседним опорам симметричного профиля, а при швеллерах — равный расстоянию между наружными плоскостями их стенок;
р — давление воды посредине пролета обшивки, кг/см2.
Коэффициент условий работы обшивки m0 принимают равным 1, если она опирается по двум сторонам, и m0=0,75, если пластинку рассчитывают, как опертую по четырем сторонам.
Условие прочности обшивки:
Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

Зная величину расчетного сопротивления и принимая m0 = 1, можно определить требуемую толщину обшивки:
Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

или определить наибольшее расстояние в свету между опорами при заданной толщине обшивки:
Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

В многоригельных затворах, а также в затворах очень малых размеров можно крепить обшивку только к ригелям, стойкам и обвязкам (без промежуточных вспомогательных балок). В этом случае линии опор пластинки делят ее на прямоугольные панели. Соотношение между контурными размерами этих панелей часто бывает от 1:1 до 1:2. Такую обшивку рассматривают как пластинку, опертую с упругим защемлением по четырем сторонам.
Наибольшие значения изгибающих моментов в этом случае у более длинных опорных краев панели. Величину их можно вычислить по формуле:
M=kpl2,

где р — интенсивность гидростатического давления в центре рассматриваемой панели;
l — более короткая сторона пластинки;
k — цифровой коэффициент, зависящий от отношения большей стороны опорного контура — lд панели к меньшей — д. Значения его приведены ниже.
Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

Толщину обшивки принимают не менее 4 мм в затворах с пролетами не более 2 м и при напорах не более 6 м; в затворах пролетом более 10 м — не менее 10 мм, а в остальных случаях не менее 6 мм.
В случаях учета работы обшивки в общем расчете затвора как пространственной конструкции, а также в погруженных затворах толщину обшивки назначают одинаковой по всей высоте.
При изгибе обшивки под действием нагрузки в местах крепления ее к балкам появляются силы распора. Величину последних приближенно определяют по формуле:
Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

Обшивку можно рассматривать как пластинку, работающую в условиях цилиндрического изгиба при защемлении длинных сторон. Она испытывает напряжения от изгиба и от растяжения. Чем толще пластинка (δ:l), тем больше влияние напряжений от изгиба и меньше влияние растягивающих напряжений (особенно при пластинках с защемленными краями). Чем тоньше пластинка (δ:l), тем сильнее влияние растягивающих (цепных) напряжений. При l:δ>300 пластинку можно рассматривать как мембрану и рассчитывать только на растяжение.
В затворах применяют обшивку большой толщины по отношению к ее пролету, поэтому в расчетах обшивки указанное выше обстоятельство не учитывают.
При сварке листов обшивки в стык автоматом или при повышенном методе контроля качества швов стыки обшивки могут быть расположены без учета размещения элементов балочной клетки.
Вспомогательные балки

Вспомогательные балки рассчитывают на действие сплошной нагрузки, передаваемой обшивкой.
Если обшивка рассчитана как пластинка, опертая по двум сторонам, то нагрузку на вспомогательные балки находят как сумму нагрузок с двух примыкающих панелей lв и lн (рис. VII—14,а):
Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

где р — среднее гидростатическое давление, кг/см2, по высоте рассматриваемой площадки.
Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

Вспомогательные горизонтальные балки, опирающиеся на стойки, рассчитывают как многопролетные неразрезные балки, загруженные во всех пролетах равномерно распределенной нагрузкой.
Все промежуточные опоры такой балки находятся в одинаковых условиях загружения. В расчетное сечение вспомогательных балок включают часть примыкающей стенки а (не более половины расстояния между осями соседних балок с каждой стороны). При этом должны быть соблюдены следующие ограничения (рис. VII—14,б): а≤25δ для сталей марок ВСт.3 или М16С и a≤20δ для низколегированных сталей; общая ширина обшивки, включаемой в расчет, 2a+b≤0,3l0, где l0 — пролет разрезной балки или расстояние между нулевыми точками эпюры изгибающих моментов в неразрезной балке (l0 можно принимать равной половине расчетного пролета неразрезных равнопролетных балок).
Форма балок должна исключать возможность накопления атмосферных осадков, грязи и застоя воды. На рисунке VII—14,б представлены целесообразные сечения вспомогательных балок и положение их полок.
Стойки и поперечные связи

Опорами для горизонтальных вспомогательных балок обычно служат поперечные связи (диафрагмы), которые сохраняют неизменное положение ригелей и продольных связей по отношению друг к другу. Поперечные связи передают от вспомогательных балок на ригели давление воды. Кроме того, они воспринимают действие сил, не лежащих в плоскости ригелей и вызывающих крутящие моменты в пространственной конструкции затвора, а также выравнивают нагрузки между ригелями в случае перегрузки одного из них. Поперечные связи играют большую роль в совместной работе основных несущих элементов затвора. Положительное влияние их сказывается тем сильнее, чем более они жестки.
Число поперечных связей следует назначать нечетным; тогда число панелей в ригеле и продольной связевой ферме получается четным, что обеспечивает симметричность их.
Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

При относительно небольшой высоте ригелей и малом расстоянии между ними целесообразно поперечные связи выполнять в виде сплошных тонких диафрагм, окаймленных со стороны, противоположной обшивке, полосовой сталью (рис. VII—15). Это окаймление в большой мере увеличивает жесткость диафрагм, чем повышает положительную роль диафрагм в совместной пространственной работе элементов затвора. Для уменьшения веса среднюю часть диафрагмы можно вырезать и окаймить отверстие приваренной полосой. Незамкнутые поперечные связи рамного типа применять не следует, так как они недостаточно жестки при кручении (исключение составляют затворы малых отверстий).
В затворах с двумя ригелями большой высоты поперечные связи часто выполняют в виде ферм (решетчатые диафрагмы). На рисунке VII—16 представлены схемы ферм поперечных связей поверхностных и погруженных затворов.
Выбор типа решетки ферм поперечных связей в большой мере зависит от высоты затвора, определяющего длину ферм — поперечных связей, и от высоты ригелей, определяющих высоту последних. Углы между направлениями раскосов и поясов следует назначать, как обычно, в пределах 30—60°. Решетка ферм поперечных связей должна быть простой, статически определимой, с наибольшим числом однотипных повторяющихся элементов.
Фермы поперечных связей следует располагать в плоскостях основных стоек ферм ригелей, а при сплошных ригелях — в плоскостях поперечных ребер жесткости.
Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

В погруженных затворах при постоянном гидростатическом давлении поперечные фермы целесообразно проектировать симметричными относительно своей горизонтальной оси (рис. VII—16,б).
Узловые нагрузки P в поперечных фермах определяют по грузовым площадям с учетом меняющейся интенсивности гидростатического давления (рис. VII—17). При этом нужно учитывать наличие нагрузки на консоли в нижней панели и возможное неполное загружение верхней панели.
После определения узловых нагрузок необходимо проверить правильность вычислений; например для поверхностного затвора:
Обшивка, вспомогательные балки и диафрагмы затворов

где H — расчетный напор;
b — расстояние между поперечными связями.
Для определения усилий в стержнях поперечных ферм предполагают, что они оперты на узлы растянутых поясов ригелей (рис. VII—17).
При конструировании и расчете пояса поперечной фермы со стороны верхнего бьефа необходимо учитывать, что он работает не только на осевое усилие как элемент фермы, но и на изгиб от давления, непосредственно передающегося вспомогательными балками, а иногда и обшивкой, расположенными вне узлов фермы. Вертикальная часть пояса поперечной фермы со стороны нижнего бьефа одновременно является стойкой продольной связевой фермы.