Обычный плоский металлический затвор
1. Простейшая схема затвора. Обычный плоский металлический затвор представляет собой металлическую несущую конструкцию,, покрытую с верховой стороны водонепроницаемой обшивкой, выполненной из листовой стали, арктилита или дерева.
В простейшем случае металлическая несущая конструкция представляет собой балоч клетку.
Из рис. 121.1 видно, что по контуру затвора устраивают уплотнения б и 7, перекрывающие зазоры, образующиеся ме Рис. 21.1. Простейшая схема обычного жду затвором и бетонными частями сооружения. Подъемные усилия прилагаются к опорным стойкам 3, на которые давление воды передается от ригелей. При поднятии затвора опорные стойки его перемещаются по специальным неподвижным рельсам 9, заделанным в пазах. Во избежание перекоса и боковых перемещений затвора у опорных стЪек иногда предусматривают вспомогательные опорные устройства в виде обратных и боковых направляющих колесроликов.
Чтобы обеспечить передачу собственного веса затвора на опорные стойки, а также получить достаточно жесткую конструкцию, устраивают особые связи. Ригели часто располагают на разном расстоянии друг от друга (книзу на меньшем расстоянии), чтобы получить их равнонагружецными гидростатическим давлением, которое увеличивается книзу. Равным образом, стремясь получить по расчету толщину стальной обшивки вверху и внизу затвора примерно одинаковой, размеры клеток несущей части затвора кверху увеличивают. При больших ширинах отверстий ригели выполняют в виде сквозных ферм.
На рис. 21.1 показана упрощенная схема так называемого мно горигельного затвора, применяемого теперь редко; эти затворы оказываются экономически выгодными только при относительно малых отношениях. В настоящее время при обычно встречающихся отношениях применяют почти исключительно так называемые двухригельные плоские затворы.
2. Несущая часть и обшивка двухригельного плоского затвора. Несущая конструкция двухригельного затвора, состоящая из различных горизонтальных и вертикальных элементов, а также из соответствующих наклонных связей, представляет собой пространст венную ферму, работающую в сложных условиях и не поддающуюся точному статическому расчету. Имеется много различных типов таких пространственных ферм (используемых при различных b и Н). Общая схема двухригельного затвора показана на рис. 21.2.
Ригели. Чтобы получить ригели 2 равнонагруженными гидростатическим давлением, а следовательно, одинаковой конструкции и размеров, их часто располагают на одинаковом расстоянии от линии действия силы Р гидростатического давления, действующего на обшивку.
В местах примыкания ригелей к опорным стойкам 3 обычно располагают опорноходовые части затвора. Чтобы обеспечить большую устойчивость затвора, располагаемого на четырех опорноходовых устройствах, расстояние между ригелями стремятся назначить возможно большим. При увеличении размера а уменьшается высота г с консольной части затвора, которую не рекомендуют назначать более (0,4...0,45). Вообще говоря, размеры уточняют с учетом: а) вида опорноходовых частей; б) ширины листов стали, применяемых для образования обшивки; в) разбивки металлической конструкции затвора на монтажные единицы.
Назначая размер а2, выдерживают условие в отношении расстояния d это расстояние должно быть достаточно большим, чтобы при поднятии затвора вода, вытекающая изпод затвора, не ударялась (при расширении струи) о нижний ригель и не создавала под ним вакуум; требуют, например, чтобы угол ф, показанный на рисунке, был не менее 30°, или считают, что размер d должен быть не менее (0,12...0,15) Н.
Ригели делают: а) в случае отверстий шириной Ь 10... 15 м — в виде сплошных балок (например, двутаврового сечения, швеллеров и т.п.) высотой в середине пролета; б) в случае отверстий большей ширины — в виде сквозных ферм, причем высоту ферм в середине пролета. Высоту ригелей на опорах снижают до (0,40...0,65) h. Число панелей в сквозной ферме назначают четным. При проектировании интересуются не только прочностью затвора,но и возможными его деформациями. Считают, что жесткость ригелей должна быть достаточно велика.
Поперечные вертикальные фермы выполняют сквозными (см. рис. 21.2) или сплошными. При наличии сквозных ригелей поперечные вертикальные фермы располагают в вертикальных плоскостях, проходящих через каждый узел фермы ригеля.
К опорным стойкам 3 (см. рис. 21.2) прикрепляют опорноходовые части затвора. Концы ригелей закрепяют в опорных стойках, причем в этих точках гидростатическое давление от ригелей передается опорным стойкам. Длина опорных стоек равна высоте затора. Различают опорные стойки: одностеночные (рис. 21.3, а) и двухстеночные (рис. 21.3,6) с расстоянием между стенками не менее 0,5 м. Высота опорных стоек должна равняться высоте концевой части главного ригеля 1 (рис. 21.3).
Вспомогательные ригели 7 (см. рис. 21.2) в отличие от главных эигелей располагают между по геречными вертикальными ферма ии 6. Образуют их, например, швеллерами.
Вспомогательные стойки 5 (см. эис. 21.2) предусматривают не всегда. При наличии вспомога. ельных стоек части их располагают между вспомогательными ригелями 7. Образуют их, например, швеллерами, уголками и т. п.
Обшивка 10 (см. рис. 21.2) перекрывает вспомогательные ригели и стойки, образующие балочную клетку. При отсутствии вспомогательных стоек балочная клетса образуется поперечными вертикальными фермами и вспомогательными ригелями. Обшивку делают из отдельных стальных листов, редко арктилитовой или деревянной. Толщину стальной обшивки, опирающейся на балочную клетку и непосредственно воспринимающей гидростатическое давление, устанавливают расчетом, причем полученную толщину несколько увеличивают (например, на 1 мм), учитывая возможность ее ржавления. Чтобы затвор пслучился жестким, обшивку делают не менее 8... 10 мм. Обычно толщина стальной обшивки получается равной 8...20 мм.
Размеры (пролеты) балочной клетки к низу затвора иногда уменьшают, чтобы расчетная толщина стальной обшивки по высоте затвора получалась одинаковой.
Дополнительные связи предусматривают для увеличения жесткости металлической конструкции, а также с целью обеспечить лучшую передачу собственного веса затвора опорным стойкам, которые воспринимают подъемные усилия.
Соединение металлических элементов затвора в настоящее время осуществляется с помощью сварки.
Условия работы элементов затвора. Гидростатическое давление действует со стороны верхнего бьефа непосредственно на обшивку. От обшивки это давление передается на балочную клетку (рис. 21.4), которая оказывается образованной только поперечны. Распределение гидростатического метода гидростатическое давление между вспомогательными ригеля ми и поперечными вертикальными фермами распределяется, как показано на рис. 21.4. Например, на вспомогательный ригель ab гидростатическое давление передается с площади обшивки, показанной вертикальной штриховкой (рис. 21.4, а); поэтому данный ригель будет загружен неравномерно распределенной нагрузкой (рис. 21.4, б).
Наряду с этим поперечная вертикальная ферма cd (рис. 21.4, в) будет воспринимать со стороны обшивки гидростатическое давление с площади обшивки, показанной горизонтальной штриховкой (см. рис. 21.4, а); кроме того, на эту ферму будут действовать сосредоточенные силы 5 в местах присоединения к ней вспомогательных ригелей (см. рис. 21.4, в). В соответствии со схемой усилий, передающихся от одного элемента затвора к другому, нужно выявить загруженность гидростатическим давлением всех элементов, подлежащих расчету (в том числе й главных ригелей). Дополнительно учитывают собственный вес затвора, передающийся также па опорные стойки.
3. Опорноходовые части обычных плоских затворов. В зависимости от конструкции опорноходовых частей различают металлические плоские затворы скользящего трения, колесные, катковые.
Затворы скользящего трения имеют опорноходовую часть из дерева (рис. 21.5, а), металла (рис. 21.5,6) или древеснослоисто го пластика (ДСП) (рис. 21.6).
В случае небольших затворов (см. рис. 21.5, а) деревянный брус устраивают го всей высоте опорной стойки, причем он может выполнять роль бокового уплотнения. ДСП изготовляют в виде плит, набранных из березовых пластин (рис. 21,0, а), пропитанных особыми смолами и склеенных при их термической обработке под высоким давлением. Поверхность трения ДСП должна быть образована торцами волокон древесины. Как видно из рис. 21.6 устраивают четыре отдельных полоза, опирающихся на неподвижную закладную часть в виде рельса, покрытого полосой из нержавеющей стали.
При скольжении опорноходовых частей по неподвижным рельсам — закладным частям — возникает сила трения. От значения коэффициента зависит мощность подъемных механизмов. Различают коэффициент покоя (в момент трогания) и при движении. Для скольжения стали по стали: в случае покоя 0,5; в случае движения 0,15. При использовании ДСП снижается до 0,04.
В случае водосливных затворов ДСП применять не следует, так как в надводном состоянии этот материал может распрессО ваться и разрушаться.
Колесные затворы применяют с целью уменьшения мощности подъемных механизмов. Для этого к опорным стойкам прикрепляют колеса или колесные тележки, которые должны катиться по рельсу. В случае колесного затвора сопротивление движению слагается: а) из трения качения колеса по рельсу и б) из трения скольжения между колесом и его осью; чтобы уменьшить трение скольжения, устраивают роликовые подшипники. Зная размеры колеса и соответствующие коэффициенты трения (качения и скольжения), находят силу Т сопротивления движению: T=fP (как и в случае затвора скользящего трения). При использовании роликовых подшипников Т можно снизить еще больше. Именно в снижении Т и заключается преимущество колесных затворов.
Число колес или колесных тележек назначают четыре. Колеса (или тележки) располагают на опорных стойках так, чтобы они были по возможности равнонагруженными гидростатическим давлением. Часто их укрепляют в случае двухригельных затворов у концов ригелей.
Колеса по отношению к двухстеночной опорной стойке часто располагают или на консоли, или в промежутке между стенками опорной стойки (рис. 21.7). Расчетом можно установить усилие, передающееся на одно колесо. Исходя из этого усилия, устанавливают радиус колеса и ширину его обода. Диаметр колеса обычно равен 0,3... 1,0 м. Колеса почти всегда имеют реборды. Колесные тележки проектируют так, что между опорной стойкой и соответствующей тележкой имеется шарнир, через который от затвора передаётся усилие на два колеса (рис. 21.8). Ширина пазов при наличии колес доходит до 3...4 м.
Катковые затворы (щиты Стонея) имеют опорные стойки, опирающиеся в пазах на ролики (катки), соединенные рамой (рис. 21.9).
4. Вспомогательные опорноходовые части обычных плоских затворов. Во избежание перекоса затвора, смещения его вбок, а также схода с рельс устраивают вспомогательные опорноходовые части: скользящие — в виде различных объектов считают возможным использование дерева. Резина уплотнений должна удовлетворять определенным техническим требованиям; для защиты резины от истирания и для уменьшения сил трения поверхность скольжения резины иногда покрывают металлической планкой.
Уплотнение подвержено износу, поэтому его следует проектировать сменного типа (на болтах). Различают два вида уплотнения; 1) уплотнения, отрывающиеся от поверхности плотины при движения затвора (рис. 21.10, а); 2) уплотнения при движении затвора, скользящие по поверхности плотины (например, боковые уплотнения плоского затвора).
5. Скользящие уплотнения встречаются двух, типов: скользящие вдоль линии АВ уплотнения (рис. 21.10,6); скользящие поперек линии АВ уплотнения (рис. 21.10,в). Конструирование уплотнения поперечного скольжения — наиболее сложная задача, так как в этом случае силы трения направлены поперек линии АВ уплотнения, причем они могут выворачивать и срывать уплотнения. Однако в случае обычных, плоских затворов часто сталкиваемся только с уплотнениями отрывающимися (донными) и продольного скольжения (боковыми) н продольного скольжения; на рис. 21.13 и 21.14 — возможное конструктивное оформление этих уплотнений. Сопряжение донно на уплотнения с боковым требует специальной конструктивной разработки, обеспечивающей герметичность затвора в этом месте.
Итак, в бетоне в. обход закладных частей, к которым примыкает уплотнение, возникает фильтрационный поток (см. рис. 21.11), причем в районе закладной части может произойти выщелачивание бетона (при наличии больших пьезометрических уклонов и бетона иеудовлеворительного качества). В точке а (см. рис. 21.11) гидропатическое давление соответствует глубине воды в верхнем бьефе; это давление равно нулю (при отсутствии воды в нижнем бьефе). Фильтрация воды вдоль щели ab обусловит противодав дсние W, действующее на уплотнение, затвора снизу и выражаемое треугольной эпюрой abc. Усилие опускания (посадки) затвора должно преодолеть, в частности, силу W.
6. Масса обычного плоского металлического затвора. Масса рассматриваемого затвора (подвижной его части) может быть приближенно определена по эмпирической формуле А. Р. Березинского
7. Усилия подъема и опускания обычного плоского затвора. Необходимо различать поднятие и опускание затвора: а) в покоящейся воде (при выровненных бьефах) и б) в текущей воде.
При поднятии и опускании затвора в текущей воде .различают: а) усилие подъема затвора Sf; б) усилие опускания (посадки) затвора S. При определенииусилия Sf подъема затвора помимо веса затвора G в воздухе необходимо учитывать: силу сопротивления Т движению, обусловленную трением в опорноходовых частях; силу трения Тупл в уплотнениях; вертикальное давление Go воды на затвор сверху (если таковое имеется); подсос Рвак (действующий снизу на затвор), обусловленный вакуумом, образующимся под донным уплотнением.
8. Дополнительные сведения об обычных плоских металлических затворах. Эти затворы можно устанавливать на гребне водосливной плотины любого поперечного очертания; при этом они требуют устройства на гребне плотины горизонтальной площадки небольшой ширины (рис. 21.15). В некоторых случаях такие затворы можно подвешивать и сопрягать с плотиной донным уплотнением (рис. 21.15) поперечного скольжения. Обычные плоские затворы не требуют уширения гребня плотины. Плоский затвор легко может быть вынут из пазов и доставлен подъемным краном в затворохранили ще для ремонта в достаточно удобных условиях. В случае сжатых сроков, строительства монтаж плоских затворов можно вести на берегу и уже в смонтированном виде опускать в пазы.
9. Недостатки обычных плоских затворов: 1) они позволяют сбрасывать лёд в нижний бьеф только при полном открытии отверстия, что связано с лишними потерями воды верхнего бьефа; 2) при наличии льда в верхнем бьефе приходится открывать отверстие до (0,15...0,25) Н, а затем резко переходить к полному открытию. Такие условия работы обусловливают удорожание устройств нижнего бьефа; 3) в условиях сурового зимнего климата эксплуатация плоских затворов несколько затрудняется; 4) подъемное усилие Sf в случае плоского затвора получается большим, в связи с чем стоимость подъемных механизмов оказывается высокой; 5) быки при наличии плоских затворов получаются высокими (см. § 18.1); иногда также утяжеляются служебные мосты. Некоторые перечисленные выше недостатки обычного плоского затвора могут быть смягчены путем устройства плоского затвора особого типа.