完整版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：9.00m；设计水头：5.50m；结构材料：Q235ffi;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：C2Q标准：?水利水电工程钢闸门设计标准?(SL 74-95 ).二、闸门结构的形式及布置(1) 闸门尺寸确实定(图1).1) 闸门高度：考虑到风浪产生的水位超高为0.2m,故闸门高度=5.5 + 0.2=5.7 (nj)；2) 闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：Li = 9m；3) 闸门的计算跨度：L = L.+ 2d =9+2 X 0.2=9.4(m);(

2、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 门届丁中等跨度,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.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丁水压力的合力作用线 y =H/3由1.83m(图1)并要求下臂梁aN0.i2H和a占0.4 m.上臂梁 * 0.45H ,今取主梁间距2b=2(y-a)=2x 1.2=2.4(m)那么c=H-2b-a=5.5-2.4-0.63=2.47< 0.45H (满足要求)(4) 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

3、隔板所支承. 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图2所示.(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 道横隔板,其间距为2.35 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,行走支承采用胶木滑道.三、面板设计根据?水利水电工程钢闸门设计标准?(SL74-95),关丁面板的计算,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.(1) 估算面板厚度.假定梁格布置尺寸图2所示.面板厚度按式kpt芝;计

4、算0.9I- Ikp当 b/a < 3 时,a = 1.5 ,贝Ut=a =0.68ajkp,0.9 1.4 160kp当 b/a > 3 时,a = 1.4 ,贝Ut = a ： = 0.07a而 0.9 1.4 160现列表1进行计算.面板厚度的估算区格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm)Jkpt(mm)I145023401.620.5840.0060.0595.81II106023402.220.5000.0190.0976.99III68023403.460.5000.0280.1185.61IV65023403.620.5000.0360.1346.09V59023

5、403.980.5000.0430.1476.07VI58023404.050.7500.0490.1927.79注1、面板边长a、b都从面板宇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中的系数k由三边固定一边简支板查得.根据表1计算,选用面板厚度t = 8 mm.(2) 面板与梁格的连接计算.面板局部绕曲时产生的垂直丁焊缝长度方向 的横向拉力P按式P =0.07k» max计算,面板厚度t=8mm并且近似地取板中 最大弯应力b max = 3】=160 N/mm那么P= 0.071.max = 0.07 X 8x 160=89.6 (N/mm面板与主

6、梁连接焊缝方向单位长度内的剪力T=VS/2I 0 =441000 X 620X 8X 306/2 X 1617000000=207(N/mm)由式hf Wp2 +T2/(0.7.仲)计算面板与主梁连接的焊缝厚度为hf=(p/1.22) 2+T)A(1/2)/(0.7t t= V 89.6 X 89.6+207 X 207/0.7 X115=2.8(mm)面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=6 mm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, a上+ a下作用在它们上面的水平压力可按式q = p 计算.2歹0表2计算后得& q=154

7、.75kN/m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 pkN /m2 梁间距ma± +a 下q =2(m>a上好下q =p2(kN/m)备注1顶梁顶梁荷载按以下图计算1.52213.41.35018.091.183上主梁25.00.97524.380.77432.50.74524.210.72539.60.71528.310.716下主梁46.60.68031.690.657底梁52.90.42522.48根据 表2计算,水平次梁计算荷载取 28.31kN/m,水平次梁为四跨连续梁, 跨度为2.35m 图3.水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为M次中=0.077ql 2

8、=0.077 X 28.31 X 2.35 X 2.35=12.04kN . m支座B处的弯矩为M次 b =0.107ql 2=0.107 X 28.31 X 2.35 X 2.35=15.63kN . m2截面选择.W=M/ b = X 106/160=97688mm考虑到利用面板作为次梁截面的一局部,初选18 a由附表6.3查的：A=2569mm3; W141400mm3 ； I12727000mm4 ； b=68mm； d=7mm.面板参加次梁工作有效宽度分别按式 B <灯+ 2c及式B = b或B=E2b其中 b=b +b2 2计算,然后取其其中较小值.B < b1+60t

9、= 68+6 x 8=548mmB = b 对胯间正弯矩段B = b (对支座负弯矩段)按5号梁计算,设梁间距b =(bi+炕2 =(720+710)/2=715(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. 对丁第一跨中正弯矩段取1.= 0.81=0.8 X 2350=1880.对丁支座负弯矩段取l0=0.4X 2350=940表3面板有效宽度系数匕和&2L°/b0.51.01.52.02.5345681012-10.200.400.580.700.780.840.900.940.950.970.981.00匕20.1

10、60.300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92根据L°/b查表3,得对丁 L°/b= 1880/715 = 2.63,得乌=0.78 ,贝U B =0.78 X 715=558(mm);对丁 L0/b= 940/715 = 1.31,得弓=0.364,贝U B = 0.364 X 715=260(mm);对第一跨中选用B=488mm ,那么水平次梁组合截面面积图3为一 2Wmin=20970172/135=155335 mrn(3) 水平次梁的强度验算.由支座B(图3)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

11、度,即b 次=MWWnin=15.63 X 106/155335=101N/mm<=160N/mn2说明水平次梁选用18a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,最大挠度发生在边跨,由丁水平次梁在B支座处截面的弯矩已经求得 M次B=20.48kN.m,那么边跨挠度 可近似地计算为v/l=5/384 X ql 主梁荷载：74.1KN/M; 横向隔板间距：2.35 ;/EI 次-M次J/16EI 次=5X 28.31 X (2.35 X 103) 3/384 X 2.06 X 10 弯矩与剪力.弯矩与剪力计算如下X_4_6_3_527

12、04 X 104-15.63 x 106 X 2.35 X 103/16 X 2.06 X 105 X 2704 X 10主梁容许挠度w=L/550.(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；.5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.=0.000093<W/L=1/250=0.004故水平次梁选用18a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, 必须增强顶梁的刚度,所以也采用18a.底梁也采用18a.五、主梁设计(1) 设计资料.1) 主梁跨度(图5);净跨(孔口宽度

13、)L°=9(m),计算跨度 L = 9.4m,荷载跨度L =9m ；ma=74.1 X 9/2 X (9.4/2-9/4)=817(kN. m)Vma= qLi/2=0.5 X 74.1 X 9=333KN 需要的截面模量.Q235钢的容许应力Jzr =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】=0.9x160 = 144N/mm2 , 那么需要的截面模量为W=Mma/ b =817 X 100/144 X 0.1=5674cm2 腹板的高度选择.按高度要求的最小高梁变截面梁为hmin=0.96 X 0.23 X b L/Ew/L=0.96 X

14、0.23 X 144 X 100 X 9.4 X100/2.06 X 107X 1/550=79.8cm经济梁高 h e=3.1W/5=3.1 X 56742/5=98.4cm由丁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,但不小丁 hmin.现选用腹板高度屏=90cm.腹板厚度选择.按经验公式计算：t 死/11 =790/11 = 0.86cm ,选用 y =1.0cm.翼缘截面选择.每个翼缘截面为 . . 2A1=W/h-t WW6=5674/90-1.0 X 90/5.5=61cm下翼缘选用t1 =2.0cm 符合钢板规格需要,选用 b1=A/t 1 =61/

15、2.0=30.5cm,选用 b1= 32cm在JLh =4020cm 之间.2.5 5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=14cm面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为B=bi+60 b =14+60X 0.8=62cm；上翼缘的面积为 .,_ _ 2A1=14X 2.0+62 X 0.8=77.6cm弯应力强度验算.主梁跨中截面图6的几何特性见表4.截面形心矩为i=E Ay'/ E A=10751/235.6=45.6cm；截面惯性矩I=t截面模量：h3/12+£ Ay2=1 X 903/12+312490=373

16、200cm上翼缘顶边W min=I/y 1=373200/45.6=8184cm4;下翼缘底边. 2W min= I/y 2=373200/49.2.2=7585cm ;弯应力 b =MMWmin=1191x 90/7585=14.1kN/cm2<0.9 x 16=14.4kN/cm2,平安.表4主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸fm Xcm 截面面积Afm2 各形心离面板外表距离yfmAy fm3 )各形心离中和轴距离y=y -y1Ayfm4)面板局部62 X 0.849.60.419.8-45.2101335上翼缘板14X 2.028.01.850.3-43.452740腹板90 x

17、 1.09047.843202.2437下翼缘34 X 2.068.093.86378.448.2157980合计235.610751312490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.乂因梁高大丁按刚度要求的最小梁高,故梁 的挠度不必验算.2截面改变.由于梁跨度较大,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 hj =0.6h0 =54cm 图7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8,离开支承端的距离为 235 - 10 = 225 cm剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支

18、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 Kcm A (cm2 )'JLy fm )Ay (cm3 )'J _ _ _ Ly =y _y1(cm)2/4、Ay cm J面板局部62 X 0.849.60.419.8-27.738058上翼缘板14X 2.028.01.850.3-26.319367腹板54 X 1.054.029.81609.21.7156下翼缘34 X 2.068.057.83930.429.759982合计199.65610117563截面形心距yi=5610

19、/199.6=28cmy 2=588-281=307截面惯性矩I0=1 X 54 X 54 X 54/12+117563=130685crn截面下半部对中和轴的面积矩 _3S=68X 29.7+30.7 X 1.0 X 30.7/2=2491cm剪应力T =VmaS/I 0t co =333x 2491/130685 X 1.0=6.35KN/cm2< r =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 = 333,截面惯性矩10= 130685.上翼缘对中和轴的面积矩S1=49.6 X 27.7+28 X 26.3=211

20、0cm3;下翼缘对中和轴的面积矩S2=68X 232.7=2220cnf<S;需要 hf=VS/1.4I o t wf=333 X 2110/1.4/130685 X 11.5=0.340m角焊缝最小厚度 hf > 1.5t 0.5=1.5 x200.5=6.7mm全梁的上、下翼缘焊缝都采用hf =8mm4 腹板的加劲肋和局部稳定验算.加劲肋的布置：由于电=丝=90?80 ,1.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 =235cm.腹板区格划分如图8所示.梁高与弯矩都较大的区格II可按式o/scr 2 +/%,+Sc/Sc.M1

21、验算：区格II左边及右边截面上的剪力分别为Vu 左=333-74.1 X 5-2.35 =137 KN； V 右=0区格II截面的平均剪应力T = Vu左+Vu右/2/h 0t后137/2/90 X 1.0=0.77KN/cm2 =7.7 N/mrm区格II左边及右边截面上的弯矩分别为Mu左=333X 2.35-74.1 X 5-2.35 2/2=522kN.mn=Mna=817 kN.m区格II的平均弯矩为M n = (M 2+M右)/2=(522+817)/2=670(kN.m)区格II的平距弯应力为 2(T n = M nyo/I=670 X 333X 1000000/373240 X

22、10000=59.8 N/mmf 计算；"rb cr= h Jt w/177 XVf y/235=90/1.0/177 XV 235/235=0.51<0.852o- cr= o- =160 N/mm计算Tcr ,由丁区格长短边之比为2.35/1.0>1.0 , WJT s= h°/t W41 X V 5.34+4(h 0/a) 2 V f y/235=90/1.0/41X V5.34+4(90/235) 2V235/235=1.0那么T cr=1-0.59( Y s-0.8)北T =1-0.59(1-0.8) X 95=83.8 N/mm2r 、2(>2

23、 心将以上数据代入公式 三 +<1 有cr J 顿3 J .ccr (74.1/160) 3+(11.5/83.8) 2= 0.10+0.02=0.12<1.0(这里无局部压应力).满足局稳要求,故在横隔板之间(区格II )不必增设横向加劲肋.再从剪力最大的区格I来考虑；该区格的腹板平均高度h0=(90+60)/2=75,因h°/t®=75,不必验算,故在 梁高减小的区格I内也不必另设横向加劲肋.5面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算.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

24、选取区格IV图2按式 bzh =柯3 +my +b°x 2 -bmybmx +Ox 菱1.1口序 其 中 .mx =心 my , %y =ky pa2 /t2 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T ma=kpa2/l 2=0.5 X 0.04 X 650X 650/8 x 8=+132N/mm22o- my=er my=+0.3 x 1 32=+40N/mn;i对应丁面板区格IV在长边中点的主梁弯矩图5和弯应力为M=74.1X5X 3.9-74.1 X 3.7 X 3.7/2=938 kN.m(T 0x=M/W=938 1000000/9.27 X 10

25、00000=101 N/mrri面板区格IV的长边中点的折算应力为(T zh= ( (T my+( (T mx- (T 0x) - (T my( (T mx- (T 0x)=(132 2+(40-101) 2-132 X (4 0-101) 1/2=171N/mm<1.1a b =1.1 x 1.4 x 160=246.4N/mn2;上式中bmy、Lx和0x的取值均以拉应力为正号,压应力为负号.故面板厚度选用7mm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

26、力来代替图1,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=2.5 X 25.0/2 X 2.35 X 2.5/3=61.2kN.m2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 , 上翼缘利用面板,下翼缘采用1000mm x 8mm的扁钢.上翼缘可利用面板宽度按B = &b 确定,其中 b= 2350mm,按 l o/b=2 X 2500/2350=2.13,从表 3 查得有效 宽度系数 £ 2=0.52,贝U B=0.52 X 2350=1222mm 取 B=1200mm.计算如 图9所示的截面几何特性.截面形心到腹板中央线的

27、距离为e =1200X 8X 504-200 X 8X 504/1200 X 8+200X 8+900X 8=219mm 截面惯矩为33224I=8 X 900/12+8 X 900X 219 +8X 200X 726 +8X 1200X 282 =243807mm 截面模量为W min=243807X 104/730=3339822mm验算弯应力为e =M/Wmin=61.2 X106/3339822=18.3N/mn2 <e由丁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 =6mm.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

28、平面刚闸门门叶自重G按附录10中的式KzKcKgH )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.每个主梁作用丁边梁的荷载R =333kN.43B°.89.8kN计算1.430.88G =KzKcKgHB 9.8kN=0.81 X 1.0 X 0.13 X 5.5 1.43 X 90'88 X 9.8=81.7kN下游纵向连接系承受0.4G=0.4 X 81.7=32.7KN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32.7/4=8.18杆件内力计算结果如 图10所示(

29、2)斜杆截面计算.斜杆承受做大拉力N =17.95 KN.同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力,谷长细比的限制应与压杆相同,即 入V 入=200选用单角钢LX 100X 8,由表附表6.4查得截面面积A=15.6cm1 2)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=1560mm回转半径i=1.98cm=19.5mm;斜杆计算长度l=0.9X £'2.2. x2.2 +2.35x 2.35 + 0.4 x 0.4 =2.92m长细比入=l 0/i y0=2.92 X 103/19.8=147.5入=200验算拉杆强度e=17.95 x 103/15

30、60=11.51N/m宿0.85e=133N/mm2考虑到单角钢受力偏心的影响,将容许应力降低15%S行计算.(3) 斜杆与结点板的连接计算(略).八、边梁设计边梁的截面形式采用单腹式(图11),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,为了便丁安装压 合胶木滑块,下翼缘宽度不宜小丁 300mm边梁是闸门的重要受力构件,由丁受力情况复杂,故在设计时可将容许应 力值降低20%乍为考虑受扭影响的平安储藏.(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12.Ri=333X 2.35/2.92=268kN下滑块所受的压力R2=882

31、-268=614 kN最大弯矩Mma=268X 0.7=187.6kN.m最大剪力Vma=R=268kN最大轴向力为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,等丁启吊力减去上滑块的摩阻力,该轴 向力 N=200- Rf=200-268 X 0.12=167.84kN.(2)边梁的强度验算.截面面积 2 A=540X 10+2X 300X 14=13800mm面积矩 3 Sma=14X 300X 277+10X 270X 135= 1527900mrm截面惯性矩e=10 X 540 X 540 X 540/12+2 X 300 X 14 X

32、 277X 277=775743600mm截面模量W=775743600/284=2731492 mm 3截面边缘最大应力验算b ma=N/A+ML/W=167.84X 1000/14400+187.6 X 1000000/2731492=80N/mr2<0.8 .=128N/mnn腹板最大应力验算T =VmaSmat w=268x 100 X 1527900/775743600 X 10=52.8N/mm<0.8 r =76 N/mrn腹板与下翼缘连接处折算应力验算 .2b ma=N/A+Ma7W.y'/y=12+69 X 270/284=77.6 N/mmT =Vmax

33、S/It w=268X 1000X 300X 14X 284/77.5743600 X 107x 10=41.2 N/mm2bzh-J2 +3I77.6X77.6+3H1.2X41.2 =105.4<0.8 b=128N/mm以上验算均满足强度要求九、行走支承设计胶木滑道计算：滑块的位置如 图12所示,下滑块受力最大,其值为设滑块长度为350mm,那么滑块单位长度的承压力为 614kNq =614X 100/350=1754 N/mm根据 表6查得轨顶狐面半径R =150mm,轨头设计宽度为b =35mm支承压力q(N/mm)<100010002000200030003000400

34、0轨道圆弧半径R(mm)100150200300轨道设计宽度b(mm)25354050表6钢轨工作外表宽度与圆弧半径注b值不得与滑块中间的一条胶木同宽I胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按式；E = 104、R 土 I进行验算(T m；= 04. q =104 .R150175422=355 N/mm<(tj=500 N/mm选定胶木搞30mm,宽120mm,长350mm .十、胶木滑块轨道设计(图13)(1)确定轨道底板宽度.轨道底板宽度按混凝土承压强度确定.根据C20混凝土附表9.2查得混凝土的容许承压应力为 tr=7N/mm2,那么所需的轨道底 板宽度为Bh=q=1754/7=251mm

35、 龈 Bh= 280mm)故轨道底面压应力为2bh=1754/280=6.3N/mn2(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式中轨道底板的悬臂长度c =102.5mm,对丁 Q235钢,查得【°】 =100 N/mrm故所需轨道底板厚度为23 6.3 102.5=44.6mm 取 t=50mm100卜一、闸门启闭力和吊座计算(1)启门力按式 T启=1.2(孩 +TG+nGG+Px+Gj +Wq (其中 PpDzB)计算T启=1.1G+1.2 (Tzd+TZs)+Px其中闸门自重G=81.7kN滑道摩阻力Tzd = fp =0.12 1482 =178kN止水摩阻力Tzs=2fbHP由于橡皮止水与钢板间摩擦系数f=0.65橡皮止水受压宽度取为b=0.06m每边侧止水受水压长度H=5.5m侧止水平均压强P=27kN/mrnTzs =2X 0.65 X 0.06 X 5.5 X 27=12.1KN下吸力Px底止水橡皮采用I11016型,其规格为宽16mm、长110mm.底 止水沿门跨长9.4m.根据?水利水电工程钢闸门设计标准?：启门时闸