模板潜孔式平面钢闸门设计

1、、设计资料及有关规定二、闸门结构的形式及布置三、面板设计四、水平次梁、顶梁和底梁地设计五、主梁设计六、横隔板设计七、纵向连接系八、边梁设计九、行走支承设计十、 轨道设计一、止水布置方式十二、埋固构件十三、闸门启闭力十四、闸门的启闭机械目录101111131414151515、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 X高)：5.0m X 5.0m45m0m0m电动固定式启闭机3、上游水位：4、下游水位：5、闸底高程：6、启闭方式：7、材料： 钢结构：Q235-A.F焊条：E43型行走支承：米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

2、件：金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足K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+2X 0.2=5.4(m)r严* *一 I 41il设计水头：45mIIIp1'-Jr A11IIll*145IIIIflliLIkI . litI I司I ' w .« Ul.同保駅柯也d2、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=

3、5m,Lvh。所以闸门采用6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。3、主梁的布置本闸门为高水头的深孔闸门，主梁的位置可按主梁均匀间隔来布置。设计时按最下 面的那根受力最大的主梁来设计，各主梁采用相同的截面尺寸。>LJ/1r /主架/oKm" r / /Lfi丨 iiV1VI旳2飞r-l/ f吕-wJJ /w/ 1'巴o1Js.o1/1*加%S 1J主梁",UTi亘r1LTP6l£40L£4DL£401240l£4007440r-»ooS000CD0z氛Oo O2恳o 2卜6S 9

4、'I 6O O戈s4、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上的预留孔并被横隔板所支承。 水平次梁为连续梁，其间距应均匀，以减少计算量。5、连接系的布置与形式（1）横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置 5道横隔板，其间距为1.24m，横隔 板兼作竖直次粱。（2）纵向连接系，采用斜杆式桁架。、面板设计根据钢闸门设计规范S7 95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 = avkp?(0.9 a)当 b/a w3寸，a=1.5,则t = aV

5、k?(0.9 X 1.5 X160) = 0.068a Vkp当 b/a >3 时，a=1.4,则t = aV k?(0.9 X 1.4 X160) = 0.07a V kp现列表1计算如下:表1区格a(mm)b(mm)b/akpN/mm 2V kpt(mm)191012301.350.5100.5440.52732.61291012301.350.4290.5540.48830.20391012301.350.4290.5640.49230.44491012301.350.4290.5730.49630.69591012301.350.4290.5830.50030.946910123

6、01.350.4290.5930.50431.19791012301.350.4290.6030.50931.50891012301.350.4290.6130.51331.74991012301.350.4290.6220.51731.991091012301.350.4290.6320.52132.241191012301.350.4290.6420.52532.491286012301.430.5390.6520.59334.68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

7、时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力P为：P=0.07t rmax =O.O7 X 35 X 160=392(N/mm )面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：VS 4184600 X426 X35 X2240T=2Io= 2 X 44429130000=帖托何口耐面板与主梁连接的焊缝厚度：hf = VP2 + T2?(O.7 T) = V 392 + 15732?(O.7 X113) = 20.5(mm)角焊缝最小厚度:hf > 1.5V = 1.5 X v35 = 8.9(mm)面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度 hf = 21mm四、水平次梁，顶梁和底梁地设计1、荷载与内力验算水

8、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，即现列表2计算如下梁号梁轴线处水压力强度P（kN/mm 2）1（顶梁）5392 （主梁）548.93 （水平次梁）558.94 （主梁）568.85 （水平次梁）578.86 （主梁）588.77 （水平次梁）598.78 （主梁）608.69 （水平次梁）618.610（主梁）628.511 （水平次梁）638.512 (主梁)648.413 (底梁)657.9梁间距（m）1.0151.0151.0151.0151.0151.0151.0151.0151.0151.0151.0150.965a上+ a下 q =

9、 P2 (kN/m)0.5075273.51.0151.0151.0151.0151.0151.0151.0151.0151.0151.0150.9900.4825557.1567.3577.3587.5597.5607.7617.7627.9637.9648.1641.9317.4由列表计算后得刀 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 X 648.1 X 1=71.9（kN- m）支座B处的负弯距：M 次B = 0.106ql2=0.106

10、 X 648.1 X 12.=405.4（kN- m）q=648.1kNtti m川川mu川I屮山也U-iunuiuuuium2、截面选择9xYTXrM 105.4 X1063W = 160= 658750(mm 3)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;lx=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。(对跨间正弯距段) (对支座负弯距段)B<b1+60t=96+60 X 35=2196(mm)b1 + b21015 + 1015b

11、= 2= 2= 1015(mm):10=0.81=0.8 X 1240=992(mm) l0=0.4l = 0.4 X 124C= 496(mm)B= 81b B= 82 b 按11号梁计算，梁间距对于第一跨中正弯距段 对于支座负弯距段： 根据lo/b查表7-1 :对于 lo/b = 992/1015 = 0.997 得 8= 0.40，得 B=Eib = 406(mm) 对于 l0/b = 496/1015 = 0.489 得 8= 0.16，得 B= 82b = 162.4(mm) 对第一跨中选用B = 406mm,则水平次梁组合截面面积(如图)：A=6089+406 X 35=21199

12、(mm 2) 组合截面形心到槽钢中心线得距离：406 X35 X 197.5_48b,.312kJ|35“cc= 132(mm)21199跨中组合截面的惯性距及截面模量为：I 次中=118742000+6089X 132 2+406 X 35 X 6525=285801188(mm 4)2858011882Wmin = 312= 916029(mm 2)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162.4 X35 X 197.5 e =而3= 95(mm)支座初组合截面的惯性距及截面模量为：惯性距：I次中=1

13、18742000 + 6089 X952 + 162.4 X35 X112.52 = 245633350(mm 4)图；面板爹加水平次粱后工作K面(mm )截面模量：2456333502Wmin = = 926918(mm 2)2653. 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：WminM次中(7=Wmin7次=驚=蔦8：；0 = 78.4(N?mm2) < 7 = 160(N/mm 2)10爲80 = 113.7(N?mm2) < ?= 160(N?mm2)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。

14、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=71.86kN?m,则边跨挠度可近似地按下式计算：35 ql3 M次 bIT= 384 EI次 - 16EI次5 X 648.1 X12403384 X2.06 X105 X285801188 31=0.000179 < 斤=250= 0.004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)(2)(3)(4)71.86 X1016 X 124016 X2.06 X105 X285801188主梁跨度：净跨 主梁荷载：q = 横向隔板间距： 主梁容许挠度：

15、(孔口净宽)L0= 7.0m ;计算跨度L= 7.44m ;荷载跨度L1=7m ;(9.8 X55 + 9.8 X67) X12?(2 X6) = 1195.6(kN/m)1.24mW=L/600弯距与剪力计算如下:(二)主梁设计 1、截面选择 (1)弯距和剪力。 弯距：Mmin1195.6 X 77.44X(芈二 1 X 1195.62 2剪力:VmaxX7 = 4184.6(kN)(2) 需要的截面抵抗距：已知 Q235钢的容许应力7=160N/mm2，考虑钢闸门自重引起附 加应力的影响，取容许应力7 =0.9 X 160=144N/mm2则需要的截面抵抗矩为：Mmax8243.7 X10

16、03、W = _- = - = 57247.9(cm 3)7144 X 0.1、)(3) 腹板高度选择：按刚度要求的最小梁高(变截面梁)为：hmin = 0.96 X 0.23：上=0.96 X0.23 X 豊? J= 70.3(cm)E g?LminLc2.06 X10-)=8243.7(kN/m)4 X(1 ?600)经济梁高：hec = 3.1W2?5 = 3.1 X 57247.92?5 = 248(cm)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ho = 240cm。选用tw= 4cm(4) 腹板厚度选择tw = Vl

17、h11 = v240?11 = 1.4(cm)(5) 翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为46240- 78.5(cm2)W twh057247.91 h06240下翼缘采用ti-2cm (符合钢板规格)需要 bi - Ai?ti - 78.5?2 - 39(cm)，选用 bi-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ti = 2cm，bi = i4cm，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为bi+60i4+60 X 3.5= 224(cm)上翼缘截面面积 Ai-i4 X 2.0+224 X 3.5-8i2(cm )(6)弯应

18、力强度验算 截面形心距：工A151558yi- N-9F-80.1(cm)截面惯性距：twh3_24 X2403I -7-+ 刀 Ay2 - + 1027417712 ' 12 -14882177(cm 4)截面抵抗距： 上翼缘顶边I148821773Wmax - - - 185795(cm 3) yi80.1下翼缘底边I 148821773-，-88902(cm 3) y2167.4' )224X3.5、14X2240X480X2.Wmin弯应力：MmaxwmnCT-8243.7 X100-9.3 < 0.9 X d 88902-0.9 X16 - 14.4(kN/cm

19、 2)主梁跨中截面團(单位：cm)表3部位截面尺寸 (cm cm)截面面积A(cm2)各型心离面 板表面距离y ' (cm)Ay y(cm3)各型心离中和 轴距离y-y y-yi(cm)Ay2 (cm4)面板部分224X 3.57841.751372-78.35上翼缘14X2284.5126-75.6160030腹板240X4960125.512048045.4下翼缘60X2120246.529580166.4合计1892151558(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(单位：cm)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

20、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h0 = 0.6h0 = 144cm。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:部位截面尺寸 (cm cm)截面面积A(cm2)各型心离面 板表面距离y (cm)Ay y(cm3)各型心离中 和轴距离y=y -y1 (cm)Ay2 (cm4)面板部分224X 3.57841.751372-40.85上翼缘14X2284.5126-38.140645腹板144X457677.5446

21、4043.9701573下翼缘60X2120150.518060107.9合计150864198表4截面形心距:64198y1 = 42.6(cm)截面惯性距:3-+ 3447585 = 4442913(cm 4)3.5 X144 l0=截面下半部对中和轴的面积距：4S= 120 X 107.9 + 106.92 X = 35803(cm 3)剪应力:3、翼缘焊缝翼缘焊缝厚度上翼缘对中和轴的面积距: 下翼缘对中和轴的面积距: 需要Vmax= 4184.6 X35803 = 8.4(kN/cm 2) < T = 9.5kN/cm 2 lot 34442913 X4'lo=cm 4,

22、hf按受力最大的支承端截面计算。Vmax = 4184.6kN。S1=784X 40.85 + 28X 38.1=33093(cm 3)S2=120X 107.9 = 12948(cm 3) < S4184.6 X 33093VS1 hf = TlTTT 1.4 X4442913 X11.3 = 2伽)=20(mm)角焊缝最小厚度 hf > 1.5vt = 1.5 Xv40 = 9.5(mm) 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h0?t 3 240?4 60 < 80，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

23、的验算 取面板区格12验算其长边中点的折算应力计算kpa20.539 X 0.652 X86022352± 0.3X 212 ± 63.6(N/mm2)dny p ± 212(N/mm2)面板区格12的长边中点的主梁弯矩和弯应力1195.6 X2.922M 7944.8 X1062dx W 185.8 X106 42.8(kN/mm )M 1195.6 X3.5 X3.1 - z 7944.8(kN m)该区格长边中点的折算应力dh = Vcmy + (+ dx)2 -(+d)x)V2122 + (63.6 - 42.8)2 - 212 X(63.6 - 42.8

24、) = 202(N?mm2) < ? d 1.55 X160 = 248(N/mm 2)35mm满足强度要求。22、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2400mmX 20mm，上翼缘利用面板，下翼 缘采用200mrX 10mm 的扁钢，上翼缘可 利用面板的宽度公式按式B=?b确定其中 b=1240mm,按 l0/b=2 X 1.015/1.24=1.64, 查表得1 = 0.46，贝UB=0.46 X 1240=570mm,取 B = 570mm。 计算如下图所示截面几何特性。313200X 10.-截面型心到腹板中心线距离570 X35 X 1222.5 - 20

25、0 X 10 X 1222.5 e 570 X35 + 2400 X 20 + 200 X10313(mm)截面惯性距：20 X240032I + 20 X2400 X3132 +124.867265899 X1010(mm4)570X35模隔板截面图(单位；rain)10 X200 X15182 + 35 X570 X904.52故面板厚度选用六、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：(9.8 X55 + 9.8 X 56.015) X1.0151.015X1.24 X 34

26、7.5(kN -m)2400X20截面模量:Wmin4.86726囂 X 1o10 = 3195841o(mm 3)验算应力:M 347.5 X 106N(T =108 () < ?Wmin31958410 'mm2 丿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 = 1.5v20 = 6.7(mm)，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G= 0.073K1 K2K3A0.93 HO.79 X 9.8= 0.073 X1 X1 xO95 X(7 X 12)0.93 X6

27、70.79 X9.8 =1160(kN)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464 =77.33(kN)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 佔为=150选用单角钢L110 X 12由附录三表2查得：截面面积 A=25.2cm 2回转半径iyo =21.5cm斜杆计算长度长细比lo = 0.9 xV 1.O15 + 1.242 + O.42 = 1.49(m)入=lo?iyo = 1.49 x103?21.5 = 69.3 < 为=150验算拉杆强度尸 "U =

28、 121(N?mm2) < O.85 q| = 133(N?mm2) 252O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 150mmX 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。 面。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=

29、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 X 0.1=1881.5kN490X35、每个主轮位于主梁后41J !«D150X20300190150Xi边梁截面图（单位：nmi）A2、边梁强度验7.06'SIS.Bis.ej13L3.ff-IL1.25-st 24jlJ-If2155I截面面积 A= 490 X35 + 150 X 20 X 2 + 40 X1460 X2 = 140020(mm 2) yi=700mm上半部分对中和轴的面积矩Si = 35 X490 X(700 - 17.5

30、) + 40 X(700 - 35) 2 = 29393875(mm 3)下半部分对中和轴的面积矩二 2 X150 X 20 X (1490 - 700 + 10) + 2 X(1490 - 700) 2 X40 十2 =30111000 (mm3)截面惯性距:1=3.31176 X 10(mm 4)截面模量:I 3.31176 X1010 W = 432截面边缘最大应力验算：_ N Mmax 1881.5 X103 =A+ W =T40020+432=76661049(mm 3)2092.3 X10676661049=13.4 + 27.3 = 40.7(N?mm2) < 0.8 d

31、= 0.8 X 157 = 126(N/mm 2)腹板最大剪应力验算：41894.6 X 1032 X 30111000T - TFVm ax Sm ax=It 3 =9.5(N?mm2) < 0.8 T = 0.83.31176 X1O1° X40X95 = 76(N/mm 2)D=900mm,宽度b=150mm,轮轴直径 ZG35GrlMo.0、XJr滚轮验算圆柱形滚轮与平面轨道接触应力:I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=200mm,轴套工作长度b1=250mm ,;轮子材料用/JX2.06 X105P E209300max =

32、 0.418 活=0 X450=1056(N?mm2) <3fy = 3 X390 = 1170(N?mm2)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：P 209230022寸丙= 2501X200= 41.8(N?mm2) F 函=50(N?mm2)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/mm2。轮轴与轴承板间局部承压应力N 104600022ocj = 200X0= 65(N?mm ) < =80(N?mm )N:轴承板

33、所受的压力(N=Pl/2 ),N ； 以上计算均满足强度要求。十、轨道设计滚轮荷载R=2092.3kN,混凝土为C25,其tr=9N/mm 2。轨道材料为35Mn2,轨道选156c, 由附录三表4查得：Wx=2551400mm 3;lx=714300000mm 4; b=170mm ; tw=16.5mm; h=560mm1、轨道底板混凝土承压应力：3 EIx3 206000 X 7143000003.3 氐=3.3/30000 X170= 17725(mm)P 需?0 = 0.7(N?mm2) < 罰=9(N?mm2)ab17 725 X 1702、轨道局部承压应力:ai=3.3 aX

34、= 3.3 V8100 = 1158.7(mm)tfb16.5209230022ccd = = = 109.4(N?mm2) < ocd = 150(N?mm2)a1tfb1158.7 X16.5p形磁XI7昭4侧止水顶i上水、/*""1 ?故满足要求。卜一、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i条形底止水十二、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。隔扳潜?U闸门胸境护面板形式侧止水座底止水座十三、闸门启闭力闸门自重G=11

35、60kN滚动摩擦阻力Wfk、R1Tzd=（3 +止水摩阻力1)=厶02：0.1 X(40+ 1) = 335(kN)Tzs = 2fbhp 上托力Pt=0KN=2 X 0.65 X 0.06 X 12 X559.5(kN)闭门力 T闭=1.2(Tzd + Tzs)- 0.9G= 1.2 X(335 + 559.5) - 0.9 X1160 = 29.4kN < ?起门力计算下吸力 Pc = 20 X 7 X0.016 = 2.3kN则启门力为：T启=1.1G+ 1.2(Tzd + Tzs) + Pc = 1.1 X 1160 + 1.2 X(335 + 559.5 + 2.3) = 23

36、52(kN) 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QPKY4500/2500-15.0型 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。型号表示方法液压缸支承型式I或n 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号参数型号'持住力Fg (KN)启门力Fq (KN)最大行程L man(m)缸内径D(mm)活塞杆直径d(mm )缸内计算压力Fg/ Fq(MP a)1QPKY-60/60 -8*60608.01005