露顶式平面钢闸门设计

1、露顶式平面钢闸门设计一、 设 计资料闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门孔口净宽：16.00m孔口净高：15.00m结构材料：Q235-A.F焊条：E43型行走支承：胶木滑道或者是滚轮支承止水橡皮：侧止水用 p 形橡皮，底止水用条形橡皮制造条件：金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足 III 级焊缝质量检验标准标准：?水利水电工程钢闸门设计标准 SL 1974-2005 ?闸门结构的形式及布置1. 闸门尺寸确实定闸门高度：考虑到风浪产生的水位超高为 0.2m，故设计水头高度=15- 0.2 = 14.8 (m)闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1 =16m闸门的计算跨度：L = Lo + 2d =1

2、6+2 X 0.2=16.4(m)1图一闸门主要尺寸单位：m2. 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，本闸门属于大跨度， 为了方便制造和维护，决定采用实腹式组合梁。3. 主梁的布置因为 L=16rrK 1.5H=1.5 X 15=22.5m所以是选择7根主梁根据公式计算得到每一根主梁距水面的距离，然后可取值为y仁4.00m； y2=7.00m;y3=9.00m; y4=11.00m; y5=12.00m; y6=13.00m; y7=14.00m其具体布置如下图：图二主梁的布置单位m4. 梁的布置和形式。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 冰被横隔板所

3、支承。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下列图所示(单位：dm5.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7道横隔板，其间距为2 m,横隔板兼作竖直次梁(2)纵向连接系，设在两个主梁下的翼缘的竖平面内。采用斜杆式桁架6.边梁与行走支承。边梁采用单复式，行走支承采用滚轮支承。三、面板设计根据?水利水电工程钢闸门设计标准SL 1974-2005?，关于面板的计算，先估算面板的厚度，在主梁截面选择之后再验算面板的局部弯曲与主梁弯曲的折算应力,kp1.估算面板厚度。假定梁格布置尺寸图2所示。面板厚度按式计算t= kp_当 b/a

4、 3 时，a = 1.4贝U t = a = 0.07a#p0.9 1.4 160现列表1进行计算表一：面板厚度的估算区格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm)Jkpt(mm)1128019901.550.5800.0070.0645.572125019901.590.4680.0200.0978.253113019901.760.4830.0330.1269.68495019902.090.4970.0440.1489.56592019902.160.4980.0540.16410.26690019902.210.4980.0640.17910.95760019903.320.5000.

5、0720.1907.98859019903.370.5000.0780.1978140.5000.0830.2046.851064019903.110.5000.0910.2139.541162019903.210.5000.0980.2219.591244019904.520.5000.1030.2276.991342019904.740.5000.1040.2286.701441019904.850.5000.1100.2356.741541019904.850.5000.1200.2457.031641019904.850.5000.1240.2497.1517

6、40019904.980.5000.1300.2557.141839019905.100.5000.1350.2607.101931019906.420.5000.1390.2655.752024019908.300.7500.1430.3305.54根据上表计算，选用面板厚度t = 11mm2.面板与梁格的连接计算。面板局部绕曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力P,按式P = 0.07U max计算。面板厚度t=11mm并且近似地取板中最大弯应力(Tmax =【】=160 N/mn2，贝U:P =0.07U max = 0.07 X 11X 160=123.2 (N/mn)面板与主梁连接焊

7、缝方向单位长度内的剪力：T=VS/2I 0 =441000 X 620X 11X 306/2 X 1617000000=204 (N/mm)由式hf hP2 72/(0.7丨计算面板与主梁连接的焊缝厚度为hf=(p/1.22) 2+TV(1/2)/(0.7fl)= V 123.22x 2042/0.7 X 115= 3.0(mm)面板与梁格的连接焊缝应采用连续焊缝，面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=8mm四、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、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们a上 a下上面的水平压力可按式q = p 计算，即2列表2计算后得艺 q=996.

8、86kN/m梁号梁轴线处水压强度 pkN / m2 梁间距ma上+ a下2(ma上下q P2(KN/m1顶梁1.961.2211.761.26514.881.33324.791.30032.231.274 主梁37.241.13542.271547.041.00047.0411656.841.00056.8417 主梁66.640.85056.640.7873.500.70051.450.7980.360.65052.230.610 主梁86.240.65056.060.71193.100.70065.170.71299.960.65064.970.613 主梁105.840.55058.21

9、0.514110.740.50055.370.515 主梁115.640.50057.820.516120.540.50060.270.517 主梁125.440. 50.50062.7218130.340.50065.170.519 主梁135.240.45060.860.420139.160.35048.710.321 底梁142.10.30042.63顶梁荷载按下列图计算:根据 表2计算，水平次梁计算荷载取65.17kN/m,水平次梁为十跨连续梁，跨度为2m如下列图所示。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为2M次中=0.077ql =0.077 X 65.17 X 2X 2=20.07KN m支

10、座B处的弯矩为M次b =0.107ql 2=0.107 X 65.17 X 2X 2=27.89KN muinuuiiiuinuiunuiunniuniuimuu图三水平次梁计算简图和弯矩图2. 截面选择。W=M/ c =27.89 X 106/160=174312.5mm考虑到利用面板作为次梁截面的一局部，初选20a,由附录三表4查得：A=2883mm3 ;34Wx = 178000mm ； I x = 17804000mm ； b|=73mm； d=7mm。面板参加次梁工作有效宽度分别按式B兰b +2C及式B = Jb或B = Jb (其中 b b2 /2)计算，然后取其其中较小值。B b

11、+60t=73+60X 11=733(mm)B=(对胯间正弯矩段)B= 2b (对支座负弯矩段)按18号梁计算，设梁间距b二b * b2 /2 =(500+500)/2=500(mm)。确定式中面板的有效宽度系数时，需要知道梁弯矩零点之间的间距I。与梁间距b比值。对于第一跨中正弯 矩段取 l0= 0.8I =0.8X 2000=1600(mm)。对于支座负弯矩段取 l0=0.4l X2000=800(mm)根 据l0/b查下面表3可得：表3面板有效宽度系数和 2L/b0.51.01.52.02.534568101210.200.400.580.700.780.840.900.940.950.9

12、70.981.00_20.160.300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92对于 l0/b =1600/500=3.2 得 =0.852 贝U B= b=0.852X 500=426 (mm)图四 面板参加水平次梁工作后的组合界面(单位：mm)对第一跨中选用B=426mm，那么水平次梁组合截面面积(图四)为A =2883+426X 11=7569 (mrr)组合截面形心到槽钢中心线的距离为e=(426X 11 X 105.5 ) /7569=65 (mm跨中组合截面的惯性矩及截面模量为I次中=17804000+2883X 652+426X 11 X 4

13、0.52=37670887 (mri)Wmin=37670887/165=228308 (对支座段选用B =215mm,那么组合截面面积为A =2883+215X 11=5248 (mri)组合截面形心到槽钢中心线的距离为支座处组合截面的惯性矩及截面模量为I次b=17804000+2883X 482+260X 8 X 57.5 2=31323432 (mrr)W -=31323432/148=211645 (mrr)3. 水平次梁的强度验算。由支座B (图三)处弯矩最大，而截面模量最小，故只需验算支座B处的截面的抗弯强度，即6次=血血 min=27.89 X 106/211645=131.8N

14、/mm c =160N/mnn说明水平次梁选用20a满足要求。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 M次B=27.89kN.m ,那么边跨挠度可近似地计算为3v/l=5/384 X ql /EI 次-M次bI/16EI 次=5X 65.17 X (2.0 X 103) 3/384 X 2.06 X 105 X 37670887-27.89 x 106x 2.0 X 103/16 X 2.06 X 105x 37670887=0.000426W/L=1/250=0.004故水平次梁选用20a满足强度和刚度要求。(5)顶梁

15、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，所以也采用20a。底梁也采用20a。五、主梁设计(一) 设计资料。1. 主梁跨度(图五)；净跨(孔口宽度)L。=16m，计算跨度 16.4m,荷载跨度L1 -16m ;2. 主梁荷载：153.4KN/M;3. 横向隔板间距：2m4. 主梁容许挠度w=L/600。(二) 主梁设计。主梁设计包括：O 1截面选择；O梁高改变；C3翼缘焊缝；O腹板局 部稳定验算；C5面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。1 截面选择。弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下Mma=153.4 X 9/2 X (9.4/2-9/4)=5154.2

16、4(KN m)0,20m0,20m16ILOlfe.Or/0.200.20L=16,4riL=16,4ri图五 平面钢闸门的主梁位置和计算简图需要的截面模量。 Q235钢的容许应力卜丨-160N/mm2，考虑钢闸门自重应力引起的附加应力作用，取容许应力为卜-0.9 160=144N/mm2，那么需要的截面模量 为W=MmaJ (T = 5154.24 X 100/ (144X 0.1 ) =35793cnn 腹板的高度选择。按刚度要求的最小梁高(变截面梁)为H min=0.96 X 0.23 X T L/Ew/L=0.96 X 0.23 X 144X 100X 16.4 X 100/ (2.0

17、6 X 107X (1/600) =151.9cm经济梁高 h e=3.1Wf=3.1 X 35793/5=206cm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小，但不小于hmin。现选用腹板高度he = 180cm 腹板厚度选择。按经验公式计算：t h/11 = .180/1仁1.22cm，选用t2.0cm翼缘截面选择。每个翼缘截面为A1=W/h-t h/6=35793/180-2.0 X 180/6=138.85cm2下翼缘选用t 2.0cm (符合钢板规格)需要，选用 b1=A/t 1 =138.85/2.0=69.425 (cm)，选用 b= 70cm在卫

18、卫=72 36cm 2.55之间)。上翼缘的局部截面面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用11 =2.0cm，b1=30cm面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为B=b1+60 S =30+60X 1.1=96cm；上翼缘截面积为2A1=30X 2.0+96 X 1.1=165.6cm弯应力强度验算。主梁跨中截面(图六)的几何特性见表4B=960图六主梁跨中截面(单位：mm截面形心矩为：yi=X Ay/ 刀 A=59474.1/665.6=89.4cm ;截面惯性矩I=t3 ho3/12+E A?=2X 1803/12+2552317.4=3524317cm4截面模量：上翼缘顶边

19、W min=I/y i=3524317/89.4=39422cm4;下翼缘底边 W min=I/y 2=3524317/95.7=36827cm2;弯应力(T =M ma/V min=5154.24 X 100/3682722=14.0 (kN/cm)v 0.9 X 16=14.4 (kN/cm)(平安)部位截面尺寸cmxcm截面面积Agm2 各形心离面板外表距离y fm Ay(cm3 )各形心离中和轴距离y _y _y1Ay2fm4)面板局部96 X 1.1105.60.5558.1-88.9834579.0上翼缘板30X 2.0602.1126-87.3457277.4腹板2.0 X 18

20、036093.1335163.74928.4下翼缘70X 2.0140184.12577494.71255532.6合计665.659474.12552317.4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?设计标准?规定,可不必验算整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度不必验算。2.截面改变。因为梁跨度较大，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h； =O.6h0 -108cm 图七梁高开始改变的位置去载邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧图八，离开支承端的距离为200 - 10 = 190 cm 。ocu单位：mm剪切强度验算：考虑到

21、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的强度。主梁支承端截面的几何性质见 表5。 表5 主梁端部截面的几何特性部位截面尺寸cm xcm Am2 )y fm )Ay(cm3 )y=y _ycm)Ay2(cm4 )面板局部96 X 1.1105.60.5558.1-53.6303384.6上翼缘板30X 2.0602.1126-52162240腹板2.0 X 10821657.112333.631944下翼缘70X 2.0140112.11569458470960合计521.628211.7938528.6截面形心距 y i=28211.7/521.

22、6=54.1cm截面惯性矩 I 0=2 X 1083/12+938528.6=1148480.6cm4截面下半部对中和轴的面积矩3S=140X 58+57X 2.0 X 57/2=11369cni剪应力:T =VmaxS/l ot co=1228X 11369/ (1148480.6 X 2.0 ) =6.08KN/cm2 t =9.5KN/cm2 (平安)3 翼缘焊缝。翼缘焊缝厚度(焊脚尺寸)hf按受力最大的支承端截面计算。最大剪应力 Vmax= 1228kN 截面惯性矩 I0 =1148480.6 cm4上翼缘对中和轴的面积矩S1=105.6 X 53.6+60 X 52=8780.2cm

23、;下翼缘对中和轴的面积矩S2=140X 58=8120criT 1.5t 0.5=1.5 X 200.5=6.7mm全梁的上、下翼缘焊缝都采用hf =8mm六、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分布荷载，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力 来代替(图一)，并且把横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁。那么每片横隔板在上悬臂的最大弯矩为M=3.8 X 37.24/2 X 2X 3.8/3=179kN.m(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1800mm X 10mm, 上翼缘利用面板，下翼

24、缘采用200mm X 10mm的扁钢。上翼缘可利用面板宽度按 8= 2b确 定，其中b= 2000mm，按I /b=2 X 3800/2000=3.8，从表3查得有效宽度系数 & 2=0.71 , 那么 B=0.71 X 2000=1420mm 取 B=1400mm计算如 图九所示的截面几何特性。图九横隔板截面截面形心到腹板中心线的距离为e = (1400X 10X 905-200 X 10X 905)/ (1400 X 10+200X 10+1800X 10) =319mm截面惯矩为3322441=10 X 1800/12+10 X 1800X 319+10X 200X 1224 +8X 1

25、400X 586 =1449559X 10 mm截面模量为W min=1449559X 104/1229=11794622mm验算弯应力为e =M/W min=179X 106/11794622=15.2N/mm e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hf =8mm。七、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。露顶式平面刚闸门门叶自重G按附录10 中的式 G 二 KzKcKgH1.43B0.88 9.8kN 计算G =0.012KzKcH1.65B185 9.8kN=0.012 X 1.0 X 1.0 X 151.65 x 161.85

26、X 9.8=176.7 (KN下游纵向连接系承受 0.4G=0.4 X 176.7=70.67 (KN纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如图10所示，其结点荷载为70.67/8=8.834( KN杆件内力计算结果如 图十 所示。4.417kN8启3 斗 kNa.83+kN斗 kN日3斗七凶S.G34kM4.4J7 kN1640035.34kN35.34kN图十纵向连接系计算图(单位：mrh2.斜杆截面计算。斜杆承受做大拉力N =31.57 KN.同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制应与压杆相同，即入w 入=200选用单角钢匚100X 10,由表附表6.4查得截面面积A

27、=1926mm 2回转半径 | =19.6mm斜杆计算长度l0=0.9 X . 2.052 12 0.42 =2.08m长细比入=1 Ji yo=2.08 X 103/19.6=106.1入=200验算拉杆强度3 2 2e=31.57 X 10/1926=16.39N/mm0.85e=133N/mm考虑到单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行计算八、边梁设计边梁的截面形式采用双腹式图十一，边梁的截面尺寸按构造要求确定，即截面高 度与主梁端高度相同，腹板厚度与主梁腹板厚度相同，为了便于安装滚轮，两个下翼缘为 用宽度为200mm勺扁钢做成。图十一边梁截面边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情

28、况复杂，故在设计时可将容许应力值降低15%乍为考虑受扭影响的平安储藏。Q主梁作用力大小为1228KN1.荷载和内力计算。在闸门每侧边梁上各设6个滚轮。其布置尺寸见图十二-893517,313517.3最大轴向力为作用在一个边梁上的启吊力，估计为9956kN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N=9956- Rif=9956-1170.0 X 0.11=9827.3kN。2. 边梁的强度验算。截面面积A=5502X 60+2X 200X 60+20X 1560X 2=119400mm面积矩S3max=38898000mm截面惯性矩1=5104X 1

29、0 mm截面模量W=5103X 10 /780=64169770mm截面边缘最大应力验算(T ma:=N/A+M ma/W=9827.3 X 1000/119400+818.7 X 1000000/64169770=95.06N/mm0.8 t =120N/mnn腹板最大应力验算T =V max S maJIt w=1169.5 X 100X 38898000/ (5X 1010X 20)=45.49N/mn2/W)X( y/y )=82.3+12.8 X 780/840=94.2 N/mrnT = V max S /2It w10 2=1169.5 X 1000X 2X 200X 60X 8

30、10/ (2X 5X 10 X 20) =11.4N/mmT 2h=，3 2 = 94.22 . 3 11.42 =96.2 N/mm20.8 t =128N/mm以上验算均满足强度要求。九、行走支承设计滚轮计算：轮子的主要尺寸是轮径D和轮缘宽度b,这些尺寸是根据轮缘与轨道之间 的接触应力的强度条件来确定的，对于圆柱形滚轮与平面轨道的接触情况是线接触，其接触应力可按下式计算，其中第五个滚轮受力最大，其值为1284.9kN，设滚轮轮缘宽度b=120mm,轮径 D=500mmT max =0.418 EE “418 1.1 12849 206 105 bR120 250=41.18(N/mm) v

31、 2.5f=2.5 X 235=587.5(N/mni)为了减少滚轮转动时的摩擦阻力，在滚轮的轴孔内还要设滑动轴承，选用钢对铸铁铝磷青铜10-1轴和轴套间压力传递也是接触压力的形式。可按下式验算:_1.1R . i_0 egcgdb1取轴的直径d=250mm，轴套的工作长度b=300mm滑动轴套容许应力% =50N/mm20 eg =1.1Rdb-1.1 1284.9 103250 3002= 18.85(N/mm )vt eg =50(N/mm )轮轴选用45号优质碳素钢,取轮轴直径d=200mm,其工作长度为b=300mm,对其进 行弯曲应力和剪应力验算:M maX332=2093333(

32、N/mm )d 3.14 200 W=12 12er=M maxW=161.25 1020933332二 77.1(N/mm )v 0.8.1=116 (N/mm2)P 1284 9V max=-642.45 (k N)2 2max4642.45 1033.14 10= 20.46(N/mm 2)v 0.8 卜=76(N/mm 2)轴在轴承板的连接处还应按下式验算轮轴与轴承板之间的紧密接触局部承压应力:轴承板所受的压力取轴承板叠总厚度PN=642.45 ( k N) 2二 t =75mm故- cj3N 642.25 10 .ee 2 i 2=42.82 (N/mm ) v 0.8 匕 cJ=1

33、28(N/mm )2 t 200 75cj十、胶木滑块轨道设计2CI_ q io7o7.5“ X广 ioo故轨道地面压应力:1。7。7.5iio2=97.34(N/mm )单位：mm1.确定轨道底板宽度。轨道钢板宽度按钢板承压强度确定。根据Q235钢的容许承压应力为4h100N/mm式中轨道底板的悬臂长度c =40mm,对于Q235钢，查得【c】=ioo N/mm故所需轨道底板厚度为3二 hc23 97.34 402r石】=、；五，那么所需的轨道底板宽度为Pq=訂284少 iooo/i2o=io7o7.5mm2= 107.o8 N/mrr(取 B h=1iomm)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2=68.35mm(取 t=70mm)卜一、