Ригели затворов

11.07.2016

Типы ригелей, размещение их и назначение основных размеров

Расчетный пролет l ригеля складывается из ширины отверстия l0 и двух расстояний с от внешней кромки паза до центра опорного узла (рис. VII—18). Расстояния 2с в поверхностных затворах составляют около (0,05—0,03) l0 при l0 от 10 до 50 м (большее увеличение при меньших пролетах). Расстояния с уточняют для удобства размещения закладных частей опорно-ходовых и направляющих устройств, а также прочности бетона под опорными путями. В сдвоенных затворах величину 2с увеличивают до (0,06-0,07) l0. В погруженных затворах с возрастанием напора и, следовательно, давления на опорные части величина с также возрастает. В затворах малых пролетов величина 2с доходит до (0,10-0,15) l0. Величину с всегда следует назначать возможно меньшей, чтобы уменьшить глубину пазов и ширину быков, что ведет к уменьшению общего объема бетона.
Ригели затворов

Ригели следует располагать по высоте затвора так, чтобы они были одинаково нагружены при полностью закрытом отверстии (рис. VII—19). В двухригельных затворах их располагают на равных расстояниях (0,5 а) от направления равнодействующей гидростатического давления (рис. VII—19, б, г). Расстояние между ригелями а необходимо назначать возможно большим, чтобы обеспечить большую устойчивость подвижной части на опорах и большую высоту продольной связевой (подъемной) фермы. Последнее уменьшает дополнительные усилия в поясах главных ферм от действия собственного веса. Увеличение расстояния между ригелями, кроме того, уменьшает вылет a1 верхней консольной части затвора и делает ее более жесткой (в двухригельных поверхностных затворах желательно иметь а1<0,45Н).
Назначая расстояние между ригелями, нужно учитывать способ перевозки затвора на постройку (плоскими или пространственными блоками).
Ригели затворов

При перевозке конструкций пространственными блоками (что очень упрощает и ускоряет монтажные работы) затвор по высоте разбивают на 2 или 3 отправочные марки.
Расстояние а2 от нижней точки щита до оси нижнего ригеля должно быть достаточным для размещения нижних опорно-ходовых частей (например, колеса нижней тележки), а также донных уплотнений.
Расстояние а2 следует назначать таким, чтобы при приподнятом положении щита вытекающая из-под него вода не била бы в нижний сплошной ригель и не создавала бы под ним вакуум. Вакуум увеличивает 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 рекомендуется назначать угол между горизонталью и линией, проходящей через нижние точки щита, не менее 30°. В противном случае для уменьшения опасности образования вакуума под сплошным нижним ригелем в его стенке устраивают овальные отверстия, вытянутые вдоль оси ригеля. Суммарная площадь этих отверстий должна быть не менее 0,2 всей площади стенки. При сквозных ригелях расстояние а2 может быть значительно меньше, чем при сплошных, но не менее 40 см.
Ригели затворов могут быть сплошностенчатыми или сквозными. Четко установить границы целесообразности применения ригелей из балок или ферм трудно.
Во всех случаях желательно использование ригелей из прокатных балок. Применение прокатных балок резко уменьшает трудоемкость изготовления, что оправдывает некоторое увеличение расхода стали. Вопрос о возможности использования прокатных балок решается расчетами на прочность и главным образом на прогиб. Так, например, двутавром № 60 при допустимом прогибе [f:l]= 1:500 и σ=1600 кг/см2 в поверхностном затворе можно перекрыть пролет l=7,6 м, а при напряжении σ=1200 кг/см2 — l=10,1 м.
Вопрос о применении сплошных или сквозных ригелей следует решать на основании специальных технико-экономических сравнений вариантов.
Степень надежности сплошностенчатых конструкций при современных способах изготовления существенно выше сквозных. Это обстоятельство особенно важно для конструкций, работающих в потоке, в которых не все силовые воздействия могут быть определены с необходимой степенью точности.
Желательность применения сквозных ригелей может возникнуть из соображений гидравлического порядка, например в случаях маневрирования затворами при переливающейся воде, при близком расположении нижнего ригеля к порогу и т. п., а также в реках, несущих большое количество наносов.
Высоту сплошных ригелей назначают, приближаясь к наименьшей, определенной из условия допускаемого прогиба. Высоту ферм h назначают от 1/6 до 1/9 пролета; рекомендуется
Ригели затворов

Вследствие высоких напряжений, допускаемых в современных стальных конструкциях, особенно из низколегированных сталей, фермы ригелей должны быть проверены не только на прочность и устойчивость их элементов, но и на прогиб. Высоту ригелей необходимо всемерно уменьшать для уменьшения размеров бычков и плотины, объема бетонной кладки и удешевления общей стоимости сооружения.
Очертание напорного пояса ригелей делают прямолинейным. Ось безнапорного пояса обычно имеет два перелома для уменьшения высоты ригеля на опоре. Последнее позволяет уменьшить ширину ниши и длину бычков, облегчает расположение колесных тележек и несколько уменьшает общий вес ригеля. Изменение направления оси безнапорного пояса обычно делают на расстоянии (1/4-1/6) пролета от опоры. Высоту ригелей на опорах назначают около (0,4-0,6) высоты их посредине пролета. Эта высота должна быть увязана с размерами опорно-концевых стоек. Придавать безнапорному поясу криволинейное или многоугольное очертание не целесообразно вследствие повышенной трудоемкости изготовления не только ригелей с такими поясами, но и связей между ними.
Особенности работы и проектирования ригелей

Определение нагрузок на ригели. Нагрузки на ригели находят в зависимости от нагруженной площади, приходящейся на каждый ригель, и от глубины погружения этой площади; например, при равно нагруженных двух ригелях поверхностного затвора (рис. VII—19,б) гидростатическая нагрузка на 1 ж пролета одного ригеля составит:
Ригели затворов

Нагрузка на один промежуточный узел фермы ригеля:
Ригели затворов

где H — расчетный напор воды;
bл и bп — длины панелей, примыкающих к рассматриваемому узлу.
Нагрузка на 1 м пролета ригеля погруженного затвора, находящегося под равномерным по высоте гидростатическим напором H (рис. VII—19,г), составит:
Ригели затворов

Нагрузка на один промежуточный узел фермы ригеля такого затвора:
Ригели затворов

При расчете и конструировании ригелей необходимо учитывать, что многие элементы их одновременно входят в состав других частей пространственной конструкции затвора. Так, пояса балок или ферм ригелей (см. 1, 2, 3 и 4 на рисунке VII—20) служат одновременно поясами продольных связевых ферм. Для образования последних ставят в вертикальных плоскостях между ригелями раскосы и стойки. Стойки (5) ферм продольных связей обычно являются поясами ферм поперечных связей или окантовкой сплошных диафрагм. Стойки (6 и 7) ферм ригелей или поперечные ребра сплошных ригелей одновременно служат стойками ферм поперечных связей.
Ригели затворов

Под давлением воды P напорные пояса (1 и 3) ригелей сжимаются (рис. VII—20), а противолежащие пояса (2 и 4) растягиваются. Под влиянием собственного веса всего затвора и других вертикальных сил V, действующих на затвор в периоды маневрирования и покоя, эти же пояса, служащие и поясами продольных связевых ферм, испытывают: 1 и 2 сжатие, а 3 и 4 растяжение. Поэтому сжатый пояс 1 верхнего ригеля и растянутый пояс 4 нижнего ригеля под влиянием вертикальных сил будут дополнительно нагружены, а пояса 2 и 3 — разгружены. Для унификации пояса обеих ригелей проектируют одинаковыми с учетом наибольшего (суммарного) усилия. Для предварительного подбора сечений двухригельных затворов можно ориентировочно оценивать влияние собственного веса затвора на усилия в поясах ригелей, увеличивая последние примерно на 10% усилий, вызываемых гидростатической нагрузкой.
Сплошностенчатые ригели. Их проектируют в соответствии с подробными указаниями, данными ранее. В сечение напорного пояса вводят часть приваренной к нему обшивки в размерах, указанных ранее. Поэтому поперечное сечение балки ригеля получается несимметричным. Однако для лучшего использования материала площади поперечных сечений поясов (с учетом обшивки в одном из них) желательно назначать примерно одинаковыми.
Назначая расстояние между диафрагмами — поперечными связями, следует помнить, что они одновременно служат и поперечными ребрами жесткости у стенки ригеля. Решетчатые поперечные связи примыкают к поперечным ребрам. Последние являются одновременно стойками связевых ферм. Расстояние между поперечными ребрами назначают в пределах от одной до двух высот стенки, увязывая это расстояние с расположением поперечных связей, в частности учитывая расположение этих связей посредине пролета риге-геля.
Сварные швы у нагруженного непосредственным давлением воды пояса следует проверять на геометрическую равнодействующую этого давления и сдвигающей силы (формула IV—16). Влияние первой составляющей обычно весьма незначительно.
Устойчивость стенки ригелей с приваренной к сжатому поясу обшивкой проверяют по формуле II—77:
Ригели затворов

Величину σкр определяют по формуле II—78 с использованием таблиц II—22 и II—23, а величину τкр — по формуле II—70 или II—72. При этом в формулу II—78 взамен b подставляют удвоенное расстояние от нейтральной оси балки до сжатой грани стенки; значение k4 принимают равным 7460, учитывая, что к сжатому поясу сплошь приварена обшивка.
Фермы ригелей. Несколько из возможных схем ферм показано на рисунке VII—21. При опирании вспомогательных балок на фермы поперечных связей число панелей по сжатому и растянутому поясам следует назначать одинаковым. Большая длина панелей растянутых поясов ригелей при малом расстоянии между ними может вызвать неприемлемое расположение раскосов продольных связей (рис. VII—21,6, α<30°).
Длину панелей сжатого пояса следует назначать не более 3—4 м, чтобы не ухудшать условия его работы на сжатие совместно с изгибом от гидростатической междуузловой нагрузки (изгибающие моменты последней пропорциональны квадрату длины панели). В остальном при разбивке ферм на панели и выборе очертания решетки следует руководствоваться указаниями данными ранее. Перемена направления раскосов в крайних панелях (рис. VII—21, а, в) проведена для того, чтобы выдержать угол между этими раскосами и поясами в пределах 30—60°. Мощный сжатый раскос в крайней панели фермы существенно увеличивает ее общую жесткость на случай возможных силовых воздействий, не учтенных в расчете.
Применение шпренгельной решетки усложняет не только конструирование и изготовление главных ферм, но и конструирование стоек затвора. В этом случае получается два типа опор для вспомогательных балок: поперечные связевые фермы, располагаемые в плоскостях основных стоек главных ферм, и промежуточные стойки, опирающиеся в дополнительных узлах и несущие только давление воды. Разная степень жесткости первых и вторых стоек вносит неопределенность в работу вспомогательных балок и обшивки.
Ригели затворов
Ригели затворов

Сечение поясов и стержней решетки ферм ригелей следует выбирать, учитывая указания, сделанные в главе 3 раздела V. В подавляющем большинстве случаев можно обойтись одностенчатыми сечениями поясов и решетки.
Элементы, образованные из двух уголков, имеют между ними узкие щели, недоступные для осмотра, очистки и покраски. Сварные тавры свободны от этого недостатка, а потому более подходящи для ферм затворов.
Тавровое сечение особенно целесообразно для поясов ригелей. Укладка обшивки на сжатый пояс и элементов связей на растянутый пояс требует, чтобы наружная поверхность поясов была гладкой, без выступающих частей узловых фасонок или прокладок между уголками. Это требование усложняет устройство швов между обушками поясных уголков и фасонками или прокладками (рис. VII—22, деталь А).
Толщину стенки тавра следует назначать несколько больше, чем указано в таблице V—3 для узловых фасонок ферм из уголков, а ширину не более 25 толщин. При этом нужно стремиться к тому, чтобы в большей части узлов ширина стенки была достаточной для крепления к ней решетки без специальных узловых уширений. Если решетка выполнена из сварных тавров или крестов, уширение тавровых поясов требуется редко. Ширину полки тавра приходится ограничивать по соображениям местной устойчивости ее и по требованиям обеспечения достаточно равномерного распределения напряжений по всей ширине пояса — bп (рис. VII—22,а). Последняя будет состоять из ширины полки самого тавра и двух участков обшивки шириной а с каждой стороны полки. Обычно ширину полки тавра принимают около 20—30 ее толщин. Наличие обшивки на сжатом поясе создает общую устойчивость его из плоскости фермы. Сечение таврового пояса изменяют в первую очередь за счет изменения ширины полки. Крепить обшивку к поясу следует сплошными тонкими сварными швами.
Элементы решетки выполняют из двух равнобоких уголков или сварных тавров и крестов. При этом стойки, к которым примыкают поперечные связи, следует делать крестового сечения, а остальные элементы решетки — таврового.
Сжатые пояса ферм ригелей подвержены изгибу от давления воды р. Часть последнего передается через обшивку непосредственно на пояс (а не на вспомогательные балки, расположенные между поясами и опирающиеся на стойки (см. рис. VII—14). Пояс можно рассматривать в данном случае как многопролетную неразрезную балку, нагруженную во всех пролетах равномерно распределенной нагрузкой р.
Наибольший изгибающий момент в панели длиной lпан.
Ригели затворов

Пояс необходимо проверить на устойчивость в плоскости фермы на протяжении панели с учетом сжимающей силы и положительного момента и на прочность в узле с учетом сжимающей силы и отрицательного изгибающего момента. Поперечные сечения и эпюры напряжений в сжато-изгибаемом поясе показаны на рисунке VII—23; б, в — в панели, г — в узле (итоговые эпюры очерчены пунктиром). Если стальная обшивка уложена непосредственно на сжатый пояс, проверку устойчивости его из плоскости фермы не делают.
Вследствие больших усилий поперечные сечения поясов ферм ригелей обычно бывают больших размеров и с большими значениями радиусов инерции; длины же панелей относительно малы. Влияние продольного изгиба сказывается на работе сжатых поясов в большинстве случаев незначительно. Поэтому при наличии отверстий для монтажных болтов и других целей необходимо проверить не только устойчивость сжатых поясов, но и прочность их по наиболее ослабленному сечению.
Способы конструирования узлов и соединений затворов в большой мере зависят от условий предстоящей работы: маневрирование с потоке или в стоячей воде, частое или редкое маневрирование и т. п.
Затворы при маневрировании в потоке подвергаются сильным и резким вибрационным воздействиям, характер и интенсивность которых заранее определить очень трудно. Большие, не предусмотренные расчетом усилия в элементах затворов могут возникнуть при подъеме (рывке) обледеневших затворов, особенно смерзшихся с закладными частями и бетоном бычков, при опирании затворов на три точки вместо четырех и во многих других случаях. Поэтому крепление элементов затворов в стыках и узлах должно обеспечить равную несущую способность (равнопрочность) прикрепляемых элементов и их креплений.
Ригели затворов

В затворах, подверженных вибрационным воздействиям, кроме того, следует принимать меры к устранению резких концентраций напряжений.
Узлы ферм ригелей затворов трудно конструировать потому, что почти ко всем узлам примыкают элементы, расположенные в трех, а иногда и в четырех плоскостях (узлы на переломе оси растянутого пояса). Увязка взаимного расположения узловых фасонок, необходимых для крепления всех примыкающих элементов, увязка расположения сварных швов, устранение скопления швов и их пересечений, устранение концентрации напряжений — все это требует особого внимания проектировщика. На рисунке VII—24 показаны узлы сжатого и растянутого поясов фермы ригеля затвора, выполненного из уголков, а на рисунке VII—25 — общий вид фермы с поясами из сварных тавров, раскосами из уголков и стойками из сварных крестов.
Ригели затворов
Ригели затворов