水工钢结构钢闸门课程设计

1、水工刚结构 潜孔式焊接平面钢闸门设计计算书一、设计资料及有关规定：闸门形式：潜孔式平面钢闸门孔口净宽： 10m孔口净高： 13m上游水位： 73m下游水位： 0.1m闸底高程： 0m启闭方式：电动固定式启闭机启闭机械：液压式启闭机材料：钢材： 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。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规范：水利水电工程刚闸门设计规范 SL 1974-2005 混凝土强度等级： C30二、闸门结构的形式及布置107310.013.210.4（一）闸门尺寸的确定 （图 1

2、 示）1 闸门孔口尺寸：孔口净跨： 10m孔口净高： 13m闸门高度 : 13.2m闸门宽度 : 10.4m荷载跨度 : 13.2m1计算跨度 : 10.4m2 计算水头 :73m（二）主梁的布置1. 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=10m, 闸门高度 h=13m,L<h。所以闸门采用 5 根主梁。本闸门属中等跨度，为了便于制造和维护，决定采用实腹式组合梁。2. 主梁的布置本闸门为高水头的深孔闸门， 孔口尺寸较小，门顶与门底的水压强度差值相对较小。所以，主梁的位置按等间距来布置。设计时按最下面的那根受力最大的主梁来设计，各主梁采

3、用相同的截面尺寸。3. 梁格的布置及形式梁格采用复式布置与等高连接，水平次梁穿过横隔板所支承。水平梁为连续梁，间距应上疏下密，使面板个区格需要的厚度大致相等，布置图2 示三、面板设计根据钢闸门设计规范 SDJ78（试行）关于面板的设计，先估算面板厚度，在主梁截面选择以后再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。面板厚度按下式计算t=akp0.9a2当 b/a 3 时， a=1.65, 则 t=akp=0.065 akp1.651450.9当 b/a >3时， a=1.55, 则 t=akp=0.067 akp1.551600.9现列表

4、1 计算如下：区格a(mm)b(mm)b/akpkpt199520702.0800.6830.5930.63643.1299520702.0800.4970.6040.54835.4399520702.0800.4970.6150.55335.7499520702.0800.4970.6260.57835.7599520702.0800.4970.6370.56336.1699520702.0800.4970.6470.56736.3799520702.0800.4970.6580.57236.7899520702.0800.4970.6690.57736.9999520702.0800.49

5、70.6800.58137.21099520702.0800.4970.6910.58637.611109020702.0800.4970.7020.59137.91290020702.0800.4970.7120.61942.1根据上表计算，选用面板厚度t=44mm 。2. 面板与梁格的连接计算2已知面板厚度 t=44mm , 并且近似地取板中最大弯应力 max= =160N/mm, 则 p=0.07 44160=492.8N/mm ,面板与主梁连接焊缝方向单位长度内地应力：T VS =8589344 4.4 71.3 1062062 N / mm,2I 0222466398.66104面板

6、与主梁连接的焊缝厚度：hfP2T 2/ 0.7 tw 2120.6 / 0.7113 26.8mm ，面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度hf27mm。四、水平次梁，顶梁和底梁地设计1. 荷载与内力地验算水平次梁和顶，底梁都时支承在横隔板上地连续梁，作用在它们上面的水压力可3按下式计算，即q=p a上a下2现列表 2 计算如下：表 2梁号梁轴线处水梁间距（ ）a上 a下q=p a上a下压力强度P2m22（kN/mm）（m）(kN/m)1 顶梁600.350.55330.201.12 水平次梁611.001.1672.11.13（主梁）622.001.1684.21.14（水平次梁）633.001

7、.1696.31.15（主梁）644.001.1708.41.16（水平次梁）655.001.1720.51.17（主梁）666.001.1732.61.18（水平次梁）677.001.1744.71.19（主梁）688.001.1756.81.110（水平次梁）6991.1768.91.111（主梁）7101.1781.01.112 水平次梁（）721.000.975793.10.8513（底梁）728.50.4225409.28798KN根据上表计算，水平次梁计算荷载取 793.1kN/m，水平次梁为 5 跨连续梁，跨度为 2.08m，水平次梁弯曲时的边跨弯距为 : M 次中 0.077q

8、l 2 =0.077 793.1 2.08 2=246.2kN?m4支座 B 处的负弯距：M次 B0.107ql 2=0.107 793.1 2.08 2=366.31kN?m2. 截面选择W=M366.11062.53 106 mm3145考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选56C由附录三表四查得：2x63Ix4A=157.78cm ; W=2.551 10mm ;=71430cm ; b1=170mm ; d=16.5mm 。面板参加次梁工作的有效宽度分别按式6 11 及式 612 计算，然后取其中较小值。式： 611 B b1+60t=170+6044=2810mm ;式： 612 B

9、=1b (对跨间正弯距段 )B=2b（对支座负弯距段） 。b1b2110011201110mm。对于第一跨中正弯距段梁间距 b=22l =0.8 l= 0.8 2080=1644mm 对;于支座负弯距段 l0=0.4 l 0.4 2080 832mm。0根据 l 0/b 查表 61：对于 l/b 1664/1110 1.499得 0.58，得 B=1b 0.58 1110 634mm ,01对于 l 0/b 832/1110 0.430 得20.750，得 B=2b0.16 1110255.3mm,对第一跨中选用B 634mm取 640mm,则水平次梁组合截面面积（例图4）:556020764

10、044A=157.78+64 4.4=439.38cm2 ;组合截面形心到槽钢中心线得距离：64044324e=207mm ;跨中组合截面的惯性距及截面模量为：I 次中 71430+157.7820.7 2+64 4.4 9.5 2 164451.4cm4Wmin=164451.43376.82cm 348.7对支座段选用 B260mm，则组合截面面积： A=1578.8+264.4=271.58cm 2 ; 组合截面形心到槽钢中心线得距离：e= 26044324 =133.85mm26998支座初组合截面的惯性距及截面模量为：I 次 B71430+157.7813.46 2+264.4 16

11、.8 2 131682.25cm4Wmin=131682.53180.73cm 34143. 水平次梁的强度验算由于支座 B 处（例图 3）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 366.31 106115.16N / mm2 145N / mm2 ,3180730说明水平次梁选用 56c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=22.0248kN?m,则边跨挠度可近似地按下式计算：6w5ql 3M 次 Bll384EI 次16EI 次

12、5 793.1 20803366.3 10620802.06105164451104162.0610516445110 43840.0002025 w10.004l 250故水平次梁选用 56c 满足强度和刚度要求。5, 顶梁和底梁顶梁和底梁受得水压力都比较大，所以都采用56c五、主梁设计( 一) 设计资料1）主梁跨度：净跨（孔口净宽） lo 10m ；计算跨度 l 10.4m ；荷载跨度 l1 13.2m 。2）主梁荷载：qP总(9.8 737359.8横向隔板间距：49.8 59.8) / 5 1717.92 kN 3)222.07m 。4）主梁容许挠度： W=L/750。（二）主梁设计1

13、. 截面选择（ 1） 弯距和剪力弯距与剪力计算如下：弯距： M max1717.91 13.2 (10.413.2)30613.3kNm224剪力： Vmaxql1 1717.92 13.28589.5kN22需要的截面抵抗距已知 A3 钢的容许应力 =145N/mm2 , 考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力 =0.9145130.5N / mm2 , 则需要的截面抵抗矩为；M max30613.31023 W=130.50.1234584.6cm 。 （ 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： hW2/53.1(234584.6)2 / 5cm。ec3.14

14、36hmin 0.208fl0.23130.510210.41027500.962.06107109.1cm,E w / l 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 h0300cm 。(4) 腹板厚度选择t wh /11 300 /11 1.52cm, 选用 t 1.5cm 。w7(5) 翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为Wtw h0234584.61.5 3002,A16300721.8cmh06下翼缘选用 t 1 8.0cm（符合钢板规格），需要b1A1721.890.1 , 取190cm,上t18cmB翼缘的部分截

15、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t 8cm，1b180cm，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为Bb1+60t 16+604.4 344cm 。上翼缘截面面积A1=808+3442(6) 弯应力强度验算截面形心距：y'Ay '306905.9102.1cm,A3003.6t wh03Ay21.530034,截面惯性距： I52641320.3 56016320 cm1212截面抵抗距：上翼缘顶边WmaxI56016320548641.7cm3 ,y1102.1下翼缘底边 WminI56016320256602.5cm3 ,y2218.3弯应力：M max3061

16、3.3 10011.9 /20.914.5 13.05/2, 安全Wmin256602.5kNcmkNcm表 3Ay2截面尺寸截面面积各型心离Ay各型心离中和部位（ cm A(cm2)面板表面（cm3）轴距离(cm4)cm）距离 y y=y -y 1(cm)（cm）面板部分3444.41513.62.23329.9-99.9815129946.21上翼缘14X81128.42688- 93.72809500.8腹板3001.5450162.47308060.31636240.58下翼缘908720316.4227808214.333065632合计3003.6306905.952641320.

17、3（ 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。1. 截面改变因主梁跨度较大，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 h0s 0.6h0 0.6 300 180cm 。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：180表 4Ay2截面尺寸截面面积各型心离Ay各型心离中和部位（ cm A(cm2)面板表面（cm3）轴距离(cm4)cm）距离 y y=y -y 1(cm)（cm）面板部分344. 1513.62.23329.9-71.37694673.21.

18、4上翼缘1481128.42688-66.9501268.32腹板180 61080102.411059227.14795505下翼缘908720196.4141408121.110558951.2合计3425.6258017.919550398.66I 06 180319550398.66cm4y1 250817 .975.3cm123425.69截面下半部对中和轴的面积矩:S720121.1117.16117.1128329.23cm3 ,2Vmax S8589.5 128329.238.17kN / cm2 8.5kN / cm2, 因误差未超过10，安I 0 t w22466398.6

19、66全3. 翼缘焊缝4翼缘焊缝厚度 hf 按受力最大的支承端截面计算。 Vmax 8589.5kN。I0 =22466398.66cm，上翼缘对中和轴的面积距： S1=1513.6 71.3+1.2 66.9=115412.48cm3，3下翼缘对中和轴的面积距：S2=720121.1 86472cm<S1,需要VS18589.5115412.482.8 ,h f1.422466398.66 11.3cm1.4I 0 wf 角焊缝最小， h f1.5 t1.580 13mm。全梁的上下翼缘焊缝都采用hf 28mm。4. 加筋肋验算因h030050 <80不需设置横向加劲肋。闸门上已布

20、置横向隔板可兼作横加劲肋，其t w6间距 a2.08m 。腹板区格划分见图2。5. 取面板区格验算其长边点的折算应力my0.497 0.712 9002148N / mm2 ,442mxVmy0.314844 /2,Nmm面板区格的长边中点的主梁弯距和弯应力M8589.5 53.12 - 8589.5 2.9220.597320kN m,M9732010620 xW548641103177 N / mm ,该区格长边中点的折算应力20 x )2my ( mx0 x )zhmy(mx 11482(44 -177) 2148(44177)141.1N / mm2 1.65 160 264N / m

21、m2故面板厚度选用44mm满足强度要求 。六、横隔板设计1. 荷载和内力计算如图所示水平次梁为5 跨均布连续梁，R可看作它所受的最大剪力，10由规范表查知：作用于竖直次梁上由水平荷载传递的集中荷载：R(0.6070.536)q次 l n1.143 793.12.08 1881.2kN ; 取 q q 次M1 ql 021 Rl 01793.1 2.082 11881.2 2.08 1406.1N m84842. 横隔板和截面选择和强度验算腹板选用与主梁腹板同1261740高，采用 300060mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm20mm的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式B1b2402

22、00x20 确定。 l 0 / b2.2 / 2.081.05,查表得 10.418 ，B=0.418×2080=869.44mm，取 B870mm。计算如下图所示截面几何特性截面型心到腹板中心线距离：3000x60874.4154.4202154.4e874.4300620224CM截面惯性距：3I630030062422021752870x4412874.4130.4222270992.4 cm4I3Wmin122368cm，验算应力：M1406.110611.5 /2 , Wmin122368103N mm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

23、度hf 6mm。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G=0.073K1K 2K3 A0.93 H 0.79 9.8= 0.0731.01.00.86629.65130 0.939.81699.4KN则下游纵向连接系承受 0.4G=679.4KN纵向连接系视作平面简支桁架，如图 8 所示纵向连接系视作平面简支桁架，其结点荷载为679.4135.8( KN )5112. 斜杆截面计算斜杆承受的最大的拉力为366.8KN，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200选用单角钢L100X16，由附录三表2查得：截面

24、面积 A=30.1cm2回转半径 i y0 =2.19cm斜杆计算长度 l=3.05m长细比l 03.05103200l y 0139.321.7验算拉杆强度366.810 3121.8 N mm20.85123.3N mm23010八、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 850mm，上翼缘直接采用面板，下翼缘用200mmX40mm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，在每个主梁上分别布置6

25、个大小相等的主轮。每个主轮受力为 8589KN。具体计算根据结构力学求解器。最大弯矩 M =4723.95KN mmax最大剪力 Vmax=4294KN最大轴向力为作用在边梁上的一个起吊力，估为 1699X2=3398KN 在最大弯矩作用截面上轴向力为： N=3398-8589X0.1=2540KN122. 边梁强度验算截面面积 A800606018022008021016(cm 4 )y1 =74mm上半部分对中和轴的面积矩S1680712668261824cm 3下半部分对中和轴的面积矩S22208 (122 - 4)2611822 121304cm3I26180 368071218067

26、6 222082116225033760cm 412WI3382940 cm3。74截面边缘最大应力验算：maxNM max254010 34723 10 638.9N / mm20.8 0.8 157 126 N / mm2AW101600338294010 3腹板最大剪应力验算：13Vmax Smaz4294 10512130434.7 N / mm20.8 0.8 75 76 N / mm2It w2503376010 360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=1600mm,宽度 b=200mm,轮轴直径d=300mm,轴套工作长度 b1 =18

27、0mm，；轮子材料用 ZG35GrlMo.滚轮验算：PE1 V42940.52147 KN2PE2147 2.061053f y3 345max0.4180.418X800bR200Pl214710322cgdbl180 30039.7 N mmcg50 N mm胶木轴套内径 d1=240+0.5x2=241mm胶木轴套外径 d2=240+25=265mm则 cjN2147103263.8(N / mm2 )dt24070以上计算均满足强度要求。十、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14十一、闸门启闭力闸门自重 G=1176KN滑动摩

28、擦阻力TzdWf 1rf k66510.413 (12 0.10.1)1168.8( KN )R800止水摩阻力T zs20.650.0613665674.2( KN )上托力 Pt =0KN闭门力 T1 1.2TzdTzsnG GPt1.21168.8 674.21 16990 511.4(KN )起门力计算下吸力Px200.016 10.43.3( KN )WX=0 KN则启门力为：T21.2(TzdTzs )n'G GPxG jWx1.2(1168.8674.2)1 16993.304082(KN )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

29、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。15侧止水座底止水座十三、 轨道设计滚轮荷载 R=4294KN,轨道材料为 35Mn2,轨道截面尺寸如图所示：（ 1）轨道底板混凝土承压应力：P214710009.9(N / mm2 )3hB3 240300二期混凝土为 C30,其2=11（N/mm ）(2) 轨道横断面弯曲应力：I 24 4.5 14230 4.5 16.5282432824 380795 ( cm4)12WI807954893(cm3 )y183Ph3 2147 24 1039.9( N / mm2 )130( N / mm2 )8W84839故满足要求。十四、闸门的启

30、闭机械由于启闭力 T=4600KN 3000KN，故采用液压式启闭机。查资料如下16QPKY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Q P K Y/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号型号Fg（ KN）Fq（ KN）LmanDdFg / F q（ m）（mm）(mm）（MPa）1QPKY-60/60-8*60608.0100509.99/9.992QPKY-80/80-8*80808.01106010.39/10.393QPKY-100/100-8*1001008.01256310.7/10.74QPKY-125/125-8*1251258.01407010.6/10.65QPKY-160/160-8*1601608.0160709.7