模板潜孔式平面钢闸门设计

目录一、设计资料及有关规定2 二、闸门结构的形式及布置2三、面板设计 3四、水平次梁、顶梁和底梁地设计4五、主梁设计 7六、横隔板设计 10七、纵向连接系 11八、边梁设计 11九、行走支承设计 13十、 轨道设计 14十一、止水布置方式 14十二、埋固构件 15十三、闸门启闭力 15十四、闸门的启闭机械15水利水电工程钢结构课程设计一、设计资料及有关规定1、闸门形式：潜孔式平面钢闸门2、孔口尺寸（宽 高）： 5.0m 5.0m3、上游水位： 45m4、下游水位： 0m5、闸底高程： 0m6、启闭方式：电动固定式启闭机7、材料：钢结构： q235-a.f焊条： e43 型行走支承：采用滚轮支承止水橡皮：侧止水和顶止水用p 型橡皮，底止水用条型橡皮8、制造条件：金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足级焊缝质量检验标准。9、规范：水利水电工程钢闸门设计规范sl 1974-2005 二、闸门结构的形式及布置1、闸门尺寸的确定闸门高度：顶止水 h=0.2m ，故闸门高度 5.2m闸门的荷载跨度为两止水的间距：5.0m闸门计算跨度： 5+2 0.2=5.4(m)设计水头： 45m- 7 -水利水电工程钢结构课程设计2、主梁的数目及形式主梁是闸门的主要受力构件，其数目主要取决于闸门的尺寸。因为闸门跨度 l=5m, 闸门高度 h=5m,l3 时， a=1.4, 则现列表 1 计算如下：表 1区格a(mm)b(mm)b/akpn/mm 2t(mm)191012301.350.5100.5440.52732.61291012301.350.4290.5540.48830.20391012301.350.4290.5640.49230.44491012301.350.4290.5730.49630.69591012301.350.4290.5830.50030.94691012301.350.4290.5930.50431.19791012301.350.4290.6030.50931.50891012301.350.4290.6130.51331.74991012301.350.4290.6220.51731.991091012301.350.4290.6320.52132.241191012301.350.4290.6420.52532.49水利水电工程钢结构课程设计1286012301.430.5390.6520.59334.68根据上表计算，选用面板厚度t=35mm2、面板与梁格的连接计算已知面板厚度 t=35mm , 并且近似地取板中最大弯应力max =160n/mm 2,则面板局部扰曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力p 为：p=0.07tmax =0.07 35160=392(n/mm )面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：面板与主梁连接的焊缝厚度：角焊缝最小厚度：面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度 四、水平次梁，顶梁和底梁地设计1、荷载与内力验算水平次梁和顶、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力可按下式计算，即上下现列表 2 计算如下水利水电工程钢结构课程设计表 2梁轴线处水压力梁号强度 p梁间距（ m）上下（kn/mm 2）1(顶梁)5390.5075273.51.0152（主梁）548.91.015557.11.0153（水平次梁）558.91.015567.31.0154（主梁）568.81.015577.31.0155（水平次梁）578.81.015587.51.0156（主梁）588.71.015597.51.0157（水平次梁）598.71.015607.71.0158（主梁）608.61.015617.71.0159（水平次梁）618.61.0151.015627.9（ m）上下(kn/m)水利水电工程钢结构课程设计10( 主梁)628.51.015637.91.01511（水平次梁）638.51.015648.11.01512（主梁）648.40.990641.90.96513（底梁）657.90.4825317.4由列表计算后得q=7258.8kn/m根据上表计算，水平次梁计算荷载取648.1kn/m ，水平次梁为 6 跨连续梁，跨度为 1.24m ， 水平次梁弯曲时的边跨弯距为:m 次中 0.072ql 2=0.072 648.1 1.24 2=71.9(kn m)支座 b 处的负弯距：m 次 b0.106ql 2=0.106 648.1 1.24 2 =105.4(kn m)2、截面选择水利水电工程钢结构课程设计考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选36a, 由附录三表 4 查得：a=6089mm 2；wx=659700mm 3；ix=118742000mm 4； b1=96mm ； d=9mm面板参加次梁工作的有效宽度分别按下式计算，然后取其中较小值。bb1+60t=96+60 35=2196(mm)b= 1b( 对跨间正弯距段 )b= 2b（对支座负弯距段）按 11 号梁计算，梁间距对于第一跨中正弯距段：l0=0.8l=0.8 1240=992(mm)对于支座负弯距段： l0 =0.4l 0.4 1240 496(mm)根据 l0/b 查表 7-1 ：对于 l0/b992/1015 0.997得 10.40 ，得 b=1 b 406(mm)对于 l0/b496/1015 0.489得 20.16 ，得 b=2 b 162.4(mm)对第一跨中选用b406mm, 则水平次梁组合截面面积（如图）:a=6089+406 35=21199(mm 2 )组合截面形心到槽钢中心线得距离:跨中组合截面的惯性距及截面模量为：i 次中118742000+6089132 2+406 35 65.5 2285801188(mm 4)- 8 -水利水电工程钢结构课程设计对支座段选用 b 162.4mm ，则组合截面面 :a=6089+162.435=11773(mm 2 )组合截面形心到槽钢中心线得距支座初组合截面的惯性距及截面模量为： 惯性距：次中截面模量：3. 水平次梁的强度验算由于支座 b 处弯距最大，而截面模量较小，故只需验算支座b 处截面的抗弯强度，即:次次次中说明水平次梁选用 36a 满足要求。轧成梁的剪应力一般很小，可不必验算。4. 水平次梁的挠度验算- 10 -水利水电工程钢结构课程设计受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在便跨，由于水平次梁在b 支座处截面的弯距已经求得 m 次 b=71.86kn ?m,则边跨挠度可近似地按下式计算：次次次故水平次梁选用 36a 度和刚度要求。五、主梁设计（一）设计资料（1） ）主梁跨度：净跨（孔口净宽）l0 7.0m；计算跨度 l 7.44m ；荷载跨度 l1=7m ；（2） ）主梁荷载： （3） ）横向隔板间距： 1.24m（4） ）主梁容许挠度： w=l/600（二）主梁设计1、截面选择（1） ）弯距和剪力。弯距与剪力计算如下：弯距：剪力：（2） ）需要的截面抵抗距：已知q235 钢的容许应力 =160n/mm 2，考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力=0.9 160=144n/mm 2 则需要的截面抵抗矩为：水利水电工程钢结构课程设计（3） ）腹板高度选择：按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为：经济梁高： 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hec 为小，但不小于 hmin 。现选用腹板厚度h0240cm。（4） ）腹板厚度选择选用 tw 4cm（5） ）翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为下翼缘采用t1 =2cm （符合钢板规格）需要，选用 b1=60cm （在 h/2.5h/5=9648之间）。上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的翼缘板同面板相连，选用t1 2cm ， b1 14cm ，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为bb1+60 14+60 3.5 224(cm)上翼缘截面面积a1 =142.0+224 3.5=812(cm 2 )(6) 弯应力强度验算截面形心距： 截面惯性距：- 11 -水利水电工程钢结构课程设计截面抵抗距：上翼缘顶边下翼缘底边弯应力：表 3部位截面尺寸截面面积各型心离面板表面距离ay各型心离中和轴距离ay2（cmcm）a(cm 2)（cm 3）(cm 4)y（cm ）y=y -y1 (cm)面板部分224 3.57841.751372-78.354812758上翼缘142284.5126-75.6160030腹板240 4960125.512048045.41978714下翼缘602120246.529580166.43322675合计189215155810274177（ 7）因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体稳定性，因梁高大于按高度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。- 12 - 28 -2、截面改变水利水电工程钢结构课程设计因主梁跨度较大，为减小门槽宽度与支承边梁高度（节约钢材），有必要将主梁承端腹板高度减小为。梁高开始改变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124 10=114cm考虑到主梁端部腹板及翼缘相焊接，故可按工字截面梁验算应力剪力强度。尺寸表4所示：表 4部位截面尺寸截面面积各型心离面板表面距离ay各型心离中和轴距离ay 2（cmcm）a(cm 2)（cm 3）(cm 4)y（cm ）y=y -y1 (cm)130827面板部分224 3.57841.751372-40.858上翼缘14 2284.5126-38.140645腹板144 457677.54464043.9701573139708下翼缘60 2120150.518060107.99344758合计1508641985水利水电工程钢结构课程设计截面形心距：截面惯性距：截面下半部对中和轴的面积距：剪应力：3、翼缘焊缝翼缘焊缝厚度 hf 按受力最大的支承端截面计算。vmax 4184.6kn 。i0=4442913cm 4， 上翼缘对中和轴的面积距：s1=784 40.85 2838.1=33093(cm 3)下翼缘对中和轴的面积距：s2=120 107.9 12948(cm 3)s1需要角焊缝最小厚度 全梁的上下翼缘焊缝都采用hf 21mm。4、腹板的加劲肋加劲肋的布置：因，故不需要设置横向加劲肋。5、面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算取面板区格 12 验算其长边中点的折算应力计算水利水电工程钢结构课程设计面板区格 12 的长边中点的主梁弯矩和弯应力该区格长边中点的折算应力故面板厚度选用35mm 满足强度要求。六、横隔板设计1、荷载和内力计算横隔板同时兼作竖直次粱，主要承受水平次粱、 底梁和顶梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为：2、横隔板和截面选择和强度验算腹板选用与主梁腹板同高，采用 2400mm 20mm ，上翼缘利用面板，下翼缘采用 200mm 10mm 的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式b2b 确定其中 b=1240mm, 按l0 /b=21.015/1.24=1.64,查表得 20.46，则 b=0.46 1240=570mm ，取 b570mm。计算如下图所示截面几何 特性。水利水电工程钢结构课程设计截面型心到腹板中心线距离截面惯性距：截面模量：验算应力：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，选取 hf 8mm 。七、纵向连接系1、荷载和内力计算纵向连接系承受闸门自重。潜孔式平面钢闸门门叶自重按下式计算则下游纵向连接系承受0.4g=464kn纵向连接系视作平面简支桁架，其结点荷载为水利水电工程钢结构课程设计2、斜杆截面计算斜杆承受的最大的拉力为305kn ，同时考虑闸门偶然扭矩时可能造成的压力，故细长比的限制应该与压杆相同。即选用单角钢 l110 12，由附录三表 2 查得：截面面积 a=25.2cm 2回转半径 iy0 =21.5cm斜杆计算长度 长细比验算拉杆强度八、边梁设计由于深孔大孔口，行走支承采用滚轮式。所以这里用双腹式组合边梁。边梁的截面尺寸按构造要求确定，梁高1460mm ，上翼缘直接采用面板，下翼缘用150mm 20mm 的扁钢做成。腹板厚度40mm 。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，做设计时将容许应力值降低20% 作为考虑受扭影响的安全储备。1、 荷载和内力计算滚轮采用等荷载布置， 在每个边梁上分别布置6 个大小相等的主轮。 每个主轮位于主梁后面。水利水电工程钢结构课程设计每个主轮受力为2092.3kn 。具体计算根据结构力学求解器。最大弯矩 mmax =2092.3kn/m最大剪力 vmax =4184.6kn最大轴向力为作用在边梁上的一个起吊力，估为2300kn在最大弯矩作用截面上轴向力为：n=2300-4184.6 0.1=1881.5kn2、边梁强度验算截面面积 y1=700mm上半部分对中和轴的面积矩下半部分对中和轴的面积矩水利水电工程钢结构课程设计截面惯性距：i=3.31176 1010(mm 4)截面模量：截面边缘最大应力验算：腹板最大剪应力验算：均满足强度要求九、行走支承设计采用滑动式滚轮支承，轴孔采用滑动轴承，轮径d=900mm, 宽度 b=150mm, 轮轴直径d=200mm, 轴套工作长度 b1 =250mm ，；轮子材料用 zg35grlmo.滚轮验算水利水电工程钢结构课程设计圆柱形滚轮与平面轨道接触应力：pl：一个轮子的计算压力，n；b、r：轮缘宽度和轮半径， mm ； e：材料的弹性模量， n/mm 2； fy：屈服强度， n/mm 2。轴和轴套间接触应力：d：轴的直径， mm ； b1：轴套的工作长度， mm ； cg：滑动轴套的容许应力，n/mm 2。轮轴与轴承板间局部承压应力n：轴承板所受的压力 （n=pl /2），n；t：轴承板叠总厚度， mm ；cj：容许应力，n/mm 2。以上计算均满足强度要求。十、轨道设计2滚轮荷载r=2092.3kn,混凝土为c25, 其 h=9n/mm。 轨 道 材 料 为35mn2, 轨道选 i56c, 由附录三表 4 查得：水利水电工程钢结构课程设计wx=2551400mm 3；ix =714300000mm 4； b=170mm ； tw=16.5mm；h=560mm 1、轨道底板混凝土承压应力：2、轨道局部承压应力：故满足要求。十一、止水布置方式侧向止水采用 p 型橡皮，顶止水采用p 型橡皮，底止水采用条形橡皮，布置方式如图水利水电工程钢结构课程设计十二、埋固构件门槽的埋固构件主要有：行走支承的轨道、与止水橡皮相接触的型钢、 为保护门槽和孔口边棱处的混凝土免遭破坏所设置的加固角钢等。侧止水座底止水座十三、闸门启闭力闸门自重 g=1160kn滚动摩擦阻力止水摩阻力上托力 pt=0kn闭门力 闭起门力计算下吸力 则启门力为：启十四、闸门的启闭机械由于启门力为 2352kn ，选用江苏龙城宏力液压设备有限公司生产的qpky-4500/2500-15.0 型水利水电工程钢结构课程设计号的启闭机。qpky 系列 平面快速闸门液压启闭机qpky系列液压启闭机共14 种规格，适用于水利水电工程水轮发电机机组进口、调压井下游快速事故闸门的启闭，也可用于一般平面事故闸门启闭，本系列液压缸按闸门利用水柱压力或部分加重可关闭孔口而无需投运油泵电机组的条件进行设计。型号表示方法qpky/液压缸支承型式或 行程（ m ）启门力（ kn ） 持住力（ kn ） 液压传动快速关闭平面闸门启闭机表qpky 系列快速闸门液压启闭机基本参数序参数持住力启门力最大行程缸内径活塞杆直径缸内计算压力速度号型号f（g kn ）f（q kn ）lman（ m）d（ mm ）d(mm ）fg/ f q（ mpa ）vg/vq（ m/min ）1qpky-60/60-8*60608.0100509.99/9.99vg=2qpky-80/80-8*80808.01106010.39/10.393.0 8.5水利水电工程钢结构课程设计3qpky-100/100-8*1001008.01256310.7/10.7vq=4qpky-125/125-8*1251258.01407010.6/10.60.25 1.05qpky-160/160-8*1601608.0160709.7/9.76qpky-200/200-8*2002008.01809010.29/10.297qpky-250/250-8*2502508.020010010.4/10.48qpky-320/320-11.5*32032011.522010010.33/10.339qpky-400/400-11.5*40040011.525011010.0/10.010qpky-500/250-11.5*50025011.530012010.39/5.2811qpky-630/320-11.5*63032011.530012010.39/5.2812qpky-800/400-11