溢洪道露顶式平面钢闸门

0.1L0.1L20.d 20.dmkNP/5.176H/3=1.80.2a=0.6C=2.5b=1.2b=1.2H=5.5 5.7溢洪道露顶式平面钢闸门1 基本资料闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门；孔口净宽：9.00m；设计水头：5.50m；结构材料：Q235 钢；焊条：E43 ；止水橡皮：侧止水用 p 形橡皮；行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为 MCS-2；混凝土强度等级：C20。2 闸门结构的形式及布置（1）闸门尺寸的确定（图 1） 。1）闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为 m,故闸门高度 m7.520.2）闸门的荷载跨度为两侧止水的间距： ;m91104002600 222600 2600 260022007002600700172011309508408106006200100I 横向隔板IIIIIIIVVVI边梁胶木滑块水平次梁主梁水平次梁主梁顶梁底梁I图 1 闸门主要尺寸图3）闸门计算跨度： mdL40.9220（2）主梁的形式。主梁的形式应根据水头的大小和跨度的大小而定，本闸门属于中等跨度，为了方便制造和维护，决定采用实复式组合梁。（3）主梁的布置。根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。为使两个主梁设计水位时所受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合理的作用线(图 1)并要求下悬臂 和 ,上悬臂 ,今mHy8.1/aH12.0ma4.0Hc45.0取 66.主梁间距 yb.)(2则 （满足要求）HmaHc 45.0.2604.5（4）梁格的布置和形式。梁格采用复式布置和等高连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支撑。水平次梁为连续梁，其间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置具体尺寸如图 2 所示。图 2 梁格布置尺寸图（5）连接系的布置和形式。1）横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置 3 道横隔板，其间距为 2.6m,横隔板兼作竖直次梁。2）纵向连接系，设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。（6）边梁与行走支撑。边梁采用单复式，行走支撑采用胶木滑道。3 面板设计 根据钢闸门设计规范 （SL74-95）及 2006 修订送审稿，关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁截面选择之后在验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。（1）估算面板厚度。假定梁格布置尺寸如图 2 所示。面部厚度按式计算1001650101086077069053010070140707014029002600700横隔板水平次梁主梁I-I9.0akpt当 时， ，则3/ab5.1.kt kp68.当 时， ，则/4.9.0akpt k7.现列表进行计算。面板厚度的估算区格 )(ma)(ba/k)/(2mNpkp)(mt1650 2590 1.57 0.584 0.007 0.064 7.181010 2590 2.57 0.500 0.021 0.102 7.01860 2590 3.01 0.500 0.031 0.125 7.50IV 770 2590 3.37 0.500 0.040 0.142 7.65V 690 2590 3.75 0.500 0.048 0.155 7.48VI 530 2590 4.89 0.750 0.055 0.203 7.53注 1 面板边长 a、b 都从面板与梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽为140mm(详见后面)。2 区格 I、VI 中系数 由三边固定一边简支板查的。k根据表计算，选用面板厚度 =8mm。t（2）面板与梁格的连接计算。面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝强度方向的横向拉力 P 按式 计算，已知面板厚度 8mm，并且近似的取板中最max07.tpt大弯应力 ，则2max/16NmNtp/6.89107.0.max面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为mNIVST/2071672368400计算面板与主梁连接的焊缝厚度为 Tphwff 8.2)157.0/(26.89)7.0/(2 面板与梁格连接焊缝取其最小厚度 mhf4 水平次梁、顶梁和底梁的设计（1）荷载与内力计算。水平次梁和顶、底梁都是支撑在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水平压力可按式 计算21apq列表计算后得 mkNq/24.18水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算梁号梁轴线处水压强度 )/(2mkNp梁间距 ()2a（ 下上 )/(2mkNapq下上 备注1（顶梁）1.722 15.4 1.425 21.951.133（上主梁） 26.5 1.040 27.560.954 35.80.840.895 32.04顶梁荷载按下图计算 )/(68.372.13541mkNR0.15m 1.57mR1 1.72m R215.4kN/m25 44.0 0.825 36.300.816（下主梁） 51.9 0.705 36.590.607（底梁） 57.8 0.400 23.12根据表计算，水平次梁计算荷载取 36.30 ，水平次梁为四跨连续梁，跨度mkN/为 2.6 .水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为m20.7qlM9.186.230.k支座 B 处的弯矩为 2107.ql 2636.mkN图 3 水平次梁计算简图和弯矩图（2）截面选择 3614250.mMWA B C D EA B C D Eq=36.30kN/m次 中M次 支考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选18a 由附录 6 附表查的：； ； ； ；2569mA3140mWX41270mIXb8md7。面板参加次梁工作有效宽度分别按式 ， 或 计算，其中cbBt1B2；然后取其中较小值。2)(1bmtB5486081（对跨间正弯矩段）b1（对支座负弯矩段）B2按 5 号梁计算，设梁间距 。确定有效2)(1bm825/)1084(宽度系数 时，需要知道梁弯矩零点之间的距离 与梁间距 的比值。对于第一 0lb跨中正弯矩段取 。对于支座负弯矩取mll 8608.0。根据 查表，得ll 1426.40bl/31 14959 188548图 4 面板参加水平次梁工作后的组合截面对于 ，得 0.78，则bl/0521.8/21mB647.1对于 1040/825=1.261，得 0.364，则bl/013082564.1对第一跨中选用 ，则水平次梁组合截面面积为mB426953842569mA组合截面形心到槽钢中心线的距离为 5963e跨中组合截面的惯性矩及截面模量为 42270584591270 mI 次 中 2min170W对支座选用 ，则组合截面面积为B3024968302569mA组合截面形心到槽钢中心线的距离为 e4596支座处组合截面的惯性矩及截面模量为 422369154830451270 mIB 次2min1754933269mW（3）水平次梁的强度验算。由支座 B 处弯矩最大，而截面模量最小，故只需验算支座 B 处截面的抗弯强度，即 226min /160/.14975302. mNNM次次说明水平次梁选用满足要求。轧成梁的剪应力一般很小，可不比验算。（4）水平次梁的挠度验算。受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在边跨，由于水平次梁在 B 支座处截面的弯矩已经求得 ，则边跨mkNMB26.次挠度可近似地计算为图 5 平面钢闸门的主梁位置和计算简图侧止水 主梁 I 面板横向薄板边梁 mL104.胶木滑道 kNPqL2.8/01mL4.10I0.2m04.25107. 1027406.1.2270416.38).(63845 5353 lvEIlMIqllvB次次次故水平次梁选用满足强度和刚度要求。（5）顶梁和底梁。顶梁所受的荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度，所以采用。5 主梁设计（1）设计资料。1）主梁跨度：净跨（孔口宽度） ，计算跨度 ，荷载跨度mL90mL4.9；mL9图 6 平面钢闸门 I-I 截面2）主梁荷载： ;mkNq/2.80.2m2.7m1.3m1.3m0.7mH=6m横隔板主梁水平次梁H/3=2m下主梁作用力441kNq3）横向隔板间距: m6.24)主梁容许挠度 0/Lv(2)主梁设计。主梁设计包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板局部稳定验算；面部局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。1）截面选则。弯矩与剪力。弯矩与剪力的计算如下 mkNM972)4.(29*.8maxqLV3.1ax需要的截面模量。已知 Q235 钢的容许应力 = ，考虑钢闸2/160门自重引起的附加应力作用，取容许应力 = ,需要的49.mN截面模量为W= 2max67501.*492cM腹板高度选择。按刚度要求的最小高粱（变截面梁）为87.1/23.096minLvEhcm经济高粱 5/1.Wec由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比小，但不小于 。现选用腹板高度echminhch.870腹板厚度选择。按经验公式计算： = 11=0.85cm ，选用t/1.0cm 。t翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为 201 631.87*0.65cmhtWA下翼缘选用 2.0cm （符合钢板规格）1t需要 63/2=32,选用 38cm（在 之间） 。11/tAb1bcmh1735.2上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用 cmt0.2114cmb面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为B= cmtb741*601上翼缘截面积为14*2.0+74*1=1021A2图 7 主梁跨中截面图弯应力强度验算。主梁跨中截面的几何特性见表。截面形心矩为 Ay1cm8.4截面惯性矩=I 43230 52103671.8*1 cAyht B=74020141023810x x 10005055432020101050B=740Y1=313 20142038600 65010截面模量：上翼缘顶边 21min10938.4752cmyIW下翼缘底边 22in.I弯应力 ,安全22minax /4.16*9.0/6.1098*7 cmkNcmkNM表 6.5 主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸 )(c截面面积 A)(2各形心离面板表面距离 )(cy)(3Ay各形心离中和轴距 离 )(1cy)(42Ay面板部分 74*1 74 0.5 37 47.3 165559上翼缘板 14*2.0 28.0 2 56 45.8 58734腹板 100*1.0 100 53 5300 5.2 2704下翼缘 38*2.0 76 104 7904 56.2 240041合计 278 13297 467038整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按设计规范规定，可不必验算整体稳定性。又因梁高度大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。2）截面改变。因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度（节省钢材） ，有必要将主梁支承端腹板高度减小为 cmhs26.50梁高开始改变图 8 主梁支承端截面图的位置取在邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧，离开支承端的距离为 。cm25016图 9 主梁变截面位置图剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字形截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何性质见下表。主梁支承端部截面的几何特性部分截面尺寸 )(cm)(2A)(cmy)(3cAy)(1cmy)(4cA面板部分 74*1 74 0.5 37 26.5 51967上翼缘板 14*2.0 28 2 56 25 17500腹板 60*1.0 60 33 1980 6 2160下翼缘 38*2.0 76 64 4352 37 104044合计 238 6425 175671截面形心距 cmy27386451截面惯性矩1566730I4截面下半部分对中和轴的面积矩 32768.31*.832*6cmS剪应力安全tIV0max 22/5.9/.50.1574. kNckN3）翼缘焊缝。翼缘焊缝厚度（焊脚尺寸） 接受力最大的支承端截面计fh边梁 I横隔板 II面板60010002600 P2600算。最大剪应力 ，截面惯性矩 。maxVkN45.30I156734cm上翼缘对中和轴的面积矩49.6*30.6+28*29.223351S3下翼缘对中和轴的面积矩68*232.72220 2 3cm1S需要 cm4.10ffIVSh.角焊缝最小厚度 6.7mmtf5全梁的上下翼缘焊缝都采用 8mm 。fh4）腹板的加劲肋和局部稳定验算。加劲肋的布置：因为 80 th091，故需设置横向加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋，其间距 a= cm 。腹板区格划分如图所示。235梁高与弯矩都较大的区格 可按 验算： /)/()/( .22crcrcr 区格 左边及右边截面的剪力分别为；kNV1.74)35.4(*1.745.3左0右V区格 截面的平均剪应力为 220 /67.9/0.9671*74./2/ mckNth）（ 右左 区格 左边及右边截面上的弯矩分别为kM612)35.4(.735.24左右 mkN9.816max区格 的平均弯矩为kN45.712.2右左 区格 的平均弯应力为 2460 /5.810*975. mNIyM计算 cr=23517/0ybfth85.01.235*170./9160cr 2/mN计算 ，由于区格长短边之比为 ，则r 0.1/.9.235)/(43.510ys faht则 =8.9scr 4.2/mN0将以上数据代入公式有 1)(22crcrcr 3.01.29.0)4.867()05.(2 (这里无局部压应力)。0.1满足局部要求，故在横板之间（区格 ）不必增设横向加劲助。再从剪力最大的区格 来考虑：该区格的腹板平均高度 ，因 不必验算，故在72/)5490(h7/0wth梁高减小的区格 内也不必另设横向加劲助。5）面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。从上述的面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格 IV 所需要的板厚较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以取区格 IV 按式验算其长边中点的折算应力。面板区格 IV 在长边中点的局部弯曲应力为 222 /16870*4.50mNlkpamy 2/.163.yy对应于面板区格 IV 在长边中点的主梁弯矩和弯应力为 mkNM8.76523.*745.*4.760 /.91082.Wx面板区格 IV 的长边中点的折算应力为22 22020/4.61./.19 )5.97648(*1)5.97648(1)()(mNmNxyxyzh 278 6222221300820089408图 10 横隔板截面图上式中 和 的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。myx0故面板厚度选用 8 mm，满足强度要求。6 横隔板设计（1）荷载和内力计算。横隔板同时兼作竖直次梁，它主要承受水平次梁，顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的荷载，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替，并且吧横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为 mkNM0.635.2*2.45（2）横隔板截面选择和强度计算。其腹板选用与主梁腹板同高，采用900mm 8mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用 200mm 8mm 的扁钢。上翼缘可利用 面板的宽度按 bB2确定，其中 b=2350mm，按 ，从表 6.1 查得有效宽127.350/2/0bl度系数 ，则 B=0.51 2350=1198mm，取 B=1200mm。51.02计算如图 6.53 所示的截面几何特性。截面形心到腹板中心线的距离为 e m1978*028*104545截面惯距为 42223 10*38*10869 mI 截面模量为 34min517630*218mW验算弯应力为 /9.65417. 2min NM由于横隔板截面高度较大，剪切强度更不必验算。横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度 6mm 。fh7 纵向连接系设计（1）荷载和内力计算。纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶自重 G 按附录 10 中式（附 10.1）计算 )(9.68.95.130.88.043 kNBHKgcz 下游纵向连接系承受 27G纵向连接系视作简支的平面桁架腹板布置如图所示，其结点荷载为 )(89.64k杆件内力计算结果如图 6.54 所示。（2）斜杆截面计算。斜杆承受最大拉力 ，同时考虑到闸门扭N3.17曲时可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即 。20选用单角钢 100 8，由附表 6.4 查得截面面积 221560.mcA回转半径 mciy8.19.0斜杆计算长度l 04.3.4.235.20 3.448kN 6.89kN 16.89kN 6.89kN 3.448kN940235240013.8kN图 11 纵向连接系计算图长细比5.138.90*430yil20验算拉杆强度为 223 /1385.0/1.156*.7 mNmN考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低 15%进行强度验算。（3）斜杆与结点板的连接计算（略） 。8 边梁设计边梁的截面形式采用单腹式，边梁的截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁端部高度相同，腹板厚度与主梁腹板厚度相同，为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不宜小于 300mm。边梁是闸门重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可容许应力值降低 20%作为考虑受扭影响的安全储备。（1）荷载和内力计算。在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑块。其布置尺寸见图 6.56.1）水平荷载。主要是主梁传来的水平荷载，还有水平次梁和顶，底梁传来的水平荷载。为了简化起见，可假定这些荷载由主梁传给边梁。每个主梁作用于边梁的荷载为 。kNR45.32）竖向荷载。有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，启吊力等。上滑块所受的压力 2.*1300105401414上主梁作用力333.45kNR1R20.65m2.4m(a)下主梁作用力333.45kN图 12 边梁截面图 图 13 边梁计算图下滑快所受的压力 kNR9.429.62最大弯矩 mkM3.157.0*max最大剪力 kNRV241max最大轴向力作用在一个边梁上的启吊力，估计为200kN（详细计算见后面） 。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于启吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力 kNfRN96.1702.*4201 M V - +mkN3.157kN2494kN(b)（2）边梁的强度验算。截面面积 213804*210*54mA面积矩 3max 579073S截面惯性矩 423 86*1402154*0 mI 截面模量 395846mW截面边缘最大应力验算 2263maxmax /18.0/29051*.718*6.70 mNmNMAN 腹板最大剪力验算 22max /768.0/4510*8245367ItsV 腹板与下翼缘连接处折算应力验算 2max /3.628470*51mNWyMAN 273max /1.0*1456.820ItSVwi 2222 /86./73 mNNh 以上验算均满足强度要求。9 行走支撑设计胶木滑块计算：滑块位置如图所示，下滑快受力最大，其值为 。kNR5342设滑块长度为 350 ，则滑块单位长度的承压力为mq22/14350*9.4mN根据上述 值由表查的轨顶弧面半径 ，轨头设计宽度为mR150。mb胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按式进行验算 22max /50/8.951024104 NNRqj选定胶木高 30 ，宽 120 ，长 350 。m10 胶木滑块轨道设计（1）确定轨道底板宽度。轨道底板宽度按混凝土承压强度决定。根据 C20混凝土由附表 9.2 查得混凝土的容许承压应力为 ,则所需的轨道2/7mNh底板宽度为 ）取 mqBhh 240B(17324 故轨道底面压应力为 2/5.61824mNh（2）确定轨道底板厚度。轨道底板厚度按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力为 32tch图 14 胶木滑块支承轨道截面图式中轨道底板的悬臂长度 。对于 Q235 钢，查得 。mc5.102 2/10mN75