Общие сведения о плоских и сегментных затворах нагрузки, действующие на затвор основы конструирования и расчета затворов

Рис. 5.9. Схемы связей плоских затворов:
а — поперечных поверхностного затвора; б — то же, погруженного затвора;
в, г — продольных
Стальная обшивка совместно с балочной клеткой образует жесткий диск, который надежно обеспечивает неизменное положение в пространстве сжатых поясов ригеля и их устойчивость в вертикальной плоскости. Поэтому со стороны стальной обшивки, уложенной непосредственно на пояса ригелей, можно не устраивать продольных связей — их роль 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 1_р. При вспомогательных балках из прокатного двутавра 1_р принимают равным расстоянию между швами, прикрепляющими обшивку к соседним опорам, а при вспомогательных балках из швеллеров — равным расстоянию между наружными плоскостями их стенок (рис. 5.10).
В расчетах обычно предварительно задают толщину обшивки (для пролетов более 10 м, как правило, t_p = 10 мм), а затем проверяют наибольшее допустимое расстояние [1_р при этой толщине, начиная с самого нижнего участка обшивки:


Рис. 5.10. Расчетная схема обшивки
где p_wm — гидростатическое давление на единицу площади посередине пролета рассматриваемого участка обшивки; R_y(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 1_р > [1_р], 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 1_т (рис. 5.11). Для расчета выбирают самую нагруженную балку (расположенную ниже остальных).
Давление на вспомогательную балку

где p_wm — среднее гидростатическое давление по высоте рассматриваемой площадки,

Рис. 5.11. К расчету вспомогательной балки:
а — расчетная схема; б — определение размера а_ь; в — расчетное сечение; 1 — ригель; 2 — обшивка
С некоторой долей погрешности можно принимать гидростатическое давление p_wm на уровне вспомогательной балки (при * 4р)* Максимальный изгибающий момент в балке (у первой промежуточной опоры) М = 0,107*7^. Далее определяют требуемый момент сопротивления W= М/ R_y(u), где R_y{u) — расчетное сопротивление при изгибе фасонной стали.
В расчетное сечение вспомогательных балок включают часть примыкающей обшивки а, (см. рис. 5.11, в)

где b_f — ширина полки прокатного двутавра (если вспомогательная балка проектируется из швеллера, то b_f= 0); R_y — расчетное сопротивление по СП 16.13330.2011 для листовой стали толщиной 10 мм; Е — модуль упругости.
Следовательно, по W необходимо подобрать составное сечение (на рис. 5.11, в заштриховано). Для этого по сортаменту на прокатные двутавры принимают профиль с W_x< W (приблизительно на один номер, например вместо № 18 принять № 16) и далее определяют момент инерции I и момент сопротивления W_min составного сечения, которое должно удовлетворять условию W_min < 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 дополнительно получают 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 (рис. 5.12, а) — однопролетная шарнирно опертая балка (или ферма), загруженная равномерно распределенной нагрузкой на длине l_w (нагруженный пролет).

Рис. 5.12. К расчету ригеля плоского затвора:
а — расчетная схема; б — поперечное сечение; в — схема влияния горизонтальных и вертикальных нагрузок на усилия в поясах ригелей
Поскольку размещение ригелей по высоте затвора было осуществлено исходя из равнонагруженности гидростатическим давлением, равномерно распределенную нагрузку на каждый ригель от этого давления определяют по формулам:
• для поверхностного затвора

• для погруженного затвора

При расчете и конструировании ригелей необходимо учитывать, что их пояса одновременно служат поясами продольных связевых ферм. Под давлением воды F_w напорные пояса 1 и 3 (см. рис. 5.12, в) сжимаются, а безнапорные 2 и 4 растягиваются. Под влиянием собственного веса всего затвора G эти же пояса, как пояса продольных связевых ферм, испытывают: 1,2 — сжатие, 3,4— растяжение. Следовательно, сжатый пояс 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.
Подбор сечения ригеля в виде составной балки дан ниже в гл. 6. Дополнительно следует учитывать, что в состав напорного пояса включается часть примыкающей к поясу обшивки со свесам а, (рис. 5.12, б):

где R_y принимается по формуле (5.17).
Следовательно, площадь напорного пояса

Подобрав сечение ригеля в виде составной балки, проверяют угол а (см. рис. 5.2) 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 а < 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. рис. 5.2).
Подбор сечения ригеля в виде фермы производят по рекомендациям гл. 8. При этом необходимо учитывать, что в сечение напорного пояса включается часть обшивки и он работает на внецен- тренное сжатие.
Поперечные связи затворов представляют собой вертикально расположенные фермы, поясами которых являются, с одной стороны, стойки балочной клетки, а 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 (рис. 5.13, а). Нагрузка на фермы в виде сосредоточенных сил передается от вспомогательных балок и непосредственно через напорные пояса. Силы от вспомогательных балок F_t = q_bil_m, где q_bi — давление на вспомогательные балки, определяемое по формуле (5.16). Давление воды на ферму через верхний (F_r) и нижний (F_b) напорные пояса определяют аналогично.