水工钢结构平面钢闸门设计计算书

1、水工钢结构平面钢闸门设计计算书一、设计资料及有关规定:1闸门形式：潜孔式平面钢闸门。2. 孔的性质：深孔形式。3. 材料： 钢材：Q235焊条：E43;手工电焊；普通方法检查。止水：侧止水用P型橡皮，底止水用条型橡皮。行走支承：采用胶木滑道，压合胶布用 MC2。砼强度等级：C20b启闭机械：卷扬式启闭机。4. 规范：水利水电工程刚闸门设计规范(SL74-95)，中国水利水电出版社1998.8二、闸门结构的形式及布置(一)闸门尺寸的确定(图1示) 1闸门孔口尺寸：孔 口净跨(L) : 3.50m。 孔口净高：3.50m。闸门高度(H) : 3.66m。 闸门宽度：4.20m。荷载跨度(H1) :

2、 3.66m。 计算跨度(L1) : 3.90m。学号为1学号为2学号为3学号为4学号为5L=3.5m，L1=3.9mL=3.55m，L1=3.95mL=3.6m，L1=4.0mL=3.65m，L1=4.05mL=3.7m，L1=4.1mH=4.05m, H仁 4.05mH=4.05m, H仁4.05mH=4.05m, H仁 4.05mH=4.05m, H仁 4.05mH=4.05m, H仁 4.05m学号为6学号为7学号为8学号为9学号为0L=3.75m，L仁4.15mL=3.8m，L1=4.2mL=3.85m，L1=4.25mL=3.9m，L1=4.3mL=3.95m，L1=4.35mH=

3、4.05m, H仁 4.05mH=4.05m, H仁4.05mH=4.05m, H仁 4.05mH=4.05m, H仁 4.05mH=4.05m, H仁 4.05m2. 计算水头：50.00m。(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=3.50m,闸门高度h=3.66m,L<h。所以闸门采用4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

4、，各主梁采用相同的 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SD 78 (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匸9 OF：当 b/a < 3 时，a=1.65,则 t=akp=0.065 a% kp0.9 1.65 160当 b/a >3 时，a=1.55,则 t=akp0.9 1.55 160=0.067

5、 a., kp现列表1计算如下:表1区格a(mm)b(mm)b/akt(mm)I4059652.3830.7320.490.6013.795n3459652.800.500.490.5011.21253459652.800.740.490.6013.455根据上表计算，选用面板厚度t=14mm。2.面板与梁格的连接计算已知面板厚度t=14mm ,并且近似地取板中最大弯应力c max=c=160N/mnn,则p=0.07 x 14x面板与主梁连接焊缝方向单位长度内地应力：VS 790 103 1000 14 272T=398N/mm,21。2 3776770000面板与主梁连接的焊缝厚度：hf

6、. P2 T2 /0.7 tw 398/0.7 113 5mm，面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度 hf 6mm。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 按下式计算，即a上 a下现列表2计算如下：表2梁号梁轴线处水压力强 度P(kN/mrr)梁间距(m(ma上a下q=p2(kN/m)1（顶梁）454.130.225115.800.512 （主梁）459.130.48220.380.453（水平次梁）463.540.45208.590.454 （主梁）467.950.45210.580.455（水平次梁）472.

7、360.45212.560.456 （主梁）476.470.45214.410.457（水平次梁）481.180.45216.530.458 （主梁）485.590.45218.510.459 （底梁）4900.225110.25刀二 1727.61kN/m根据上表计算，水平次梁计算荷载取216.53kN/m，水平次梁为4跨连续梁，跨度为0.90m,水平次梁弯曲时的边跨弯距为：M 次中=0.077ql 2=0.077 x 216.53 x 0.9752=15.85kN?m支座B处的负弯距：M次b= 0.107ql 2=0.107 x 216.53 x 0.9752=22.0248kN?m2.

8、截面选择6W=137655 mm22.0248 10160考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选18b,由附录三表四查得:234A=2929mm W x=152200mm I x ; b仁70mm ; d=9mm 。面板参加次梁工作的有效宽度分别按式611及式612计算，然后取其中较小值式：611式：612B=B < b1+60t=70+60X 14=910mm ;B= Z 1b （对跨间正弯距段）9009002Z 2b（对支座负弯距段）。900mm。对于第一跨中正弯距段 1。=0.81= 0.8 X 975=780mm ;对于支座负弯距段10=0.41 = 0.4 X 975= 390

9、mm。根据lo/b查表6 1:对于 10/b = 780/900 = 0.867 得 Z 1 = 0.40，得 B=Z 1b = 0.40 X 900= 360mm ,对于 lo/b = 390/900 = 0.430 得Z 2 = 0.16，得 B=Z 2b = 0.16 X900= 144mm ,对第一跨中选用B= 360mm则水平次梁组合截面面积（例图4）:A=2929+36CX 14=6961mFn组合截面形心到槽钢中心线得距离：4743：L8b4：360 14 98 f e=65mm ;8689跨中组合截面的惯性距及截面模量为：I 次中 X 65 主梁荷载：q P = （9.8 50

10、 50 9.8 46.34兰聖）/4 431.9kN 3）横向隔板间距：422+360X 14X 354）主梁容许挠度：W=L/750。（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：431.9 3.66 3.93.66、mrm“331300252Win=203165.6mm155对支座段选用B= 144mm则组合截面面积：A=2929+1442X 14=4592mm组合截面形心到槽钢中心线得距离：118.8 14 98 , e=35mm4592.2支座初组合截面的惯性距及截面模量为：224I 次BX43+144X 14X 35mmXA/ 23680365.82WZn=1894

11、42.9mm1253. 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6189442.9(7次=22.0248_1°116.24N / mm2 160N / mm0.975m。,说明水平次梁选用18b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B支座处截面的弯距已经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 求得M次B=22.0248kN?m,则边跨挠度可近似地按下式计算：35 216.53 9756=.”22.0248 10975384 2.06 10弯距：Mmax（）818kN m

12、224 29662171 16 2.06 105 29662171=0.0002 < w0.004l 250故水平次梁选用18b满足强度和刚度要求。五、主梁设计（一）设计资料o（n _n ）O1）主梁跨度：净跨（孔口净宽）10 = 3.5m ;计算跨度I = 3.9m ;荷载跨度11 = 3.66m剪力：V439366790kN2需要的截面抵抗距已知A3钢的容许应力c=160N/mm2 ,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力c= 0.9 160144N/mm2,则需要的截面抵抗矩为;W=仏 818 101445681cm3。(3)腹板高度选择 经济梁高：hec 3.1W2/5按刚

13、度要求的最小梁高(变截面梁)为:3.1 (5681.833)2/598.43cm。3215 39 1042.5cm,由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增加, hmino现选用腹板厚度ho = 90cm。(4)腹板厚度选择tw . h/11,90/110.86cm,选用 tw= 1.0cm o故主梁高度宜选得比 hec为小，但不小于hmin0.208 fl0165Ew/I 2.06 101/750(5)翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为F翼缘选用t1= 2.0cm (符合钢板规格)，需要b£5829cm,取B = 30cm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

14、连，选用帖=2.0cm, bp 16cm,面板兼作主梁上翼缘的有效高度为 B= b1+60t = 16+60X 1.4 = 100cm。2上翼缘截面面积 A=18X 2.0+100 X 1.4=172cm。(6)弯应力强度验算截面形心距：yAyA9926831.82cm,312截面惯性距：Itwh；12Ay21.0 90335010377677 cm4,12截面抵抗距：上翼缘顶边Vmaxy137767731.8211869.17cm3,Wminy237767757.56568cm3,弯应力:Mmax 818Wmin100656812.45kN / cm20.9 1614.4kN /cm2,安全

15、表3部位截面尺寸(cmX cm)截面面积A(cm)各型心离面 板表面距离y '(cm)Ay'(cm5)各型心离中和 轴距离y=y' -y 1(cm)Ay2 (cm4)面板部分100X 1.4140.00.7980-27.21103578上翼缘16X 2.032.02.476.8-25.520808腹板90 X 1.090.043.4390615.519220下翼缘30X 2.060.084.4506456.5191405合计3129926.8335011(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。2.截

16、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h0 O.6ho 54cm。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部位截面尺寸(cmX cm)截面面积A(cm)各型心离面 板表面距离 y'(cm)Ay'(cm5)各型心离中和 轴距离y=y' -y 1(cm)Ay2 (cm4)面板部分100X 1.4:140.00.7980-27.21103578上翼缘16X 2.032.02.476.8-25.520808腹板54 X 1.054.043.42343.615.519220下翼缘r 30X 2.0r 6

17、0.050.643038.456.5191405合计2868710.8335011度。尺寸表4所示:表4I OtwV max S10kN / cm29.5kN/cm2,因误差未超过10%，安全790 658413122 1.03. 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= 790kNo I0=13122cnn,上翼缘对中和轴的面积距：S=32.0 X 25.5+140 X 27.2=4624cn，旳u 需要h f苗飞 0.511cm,下翼缘对中和轴的面积距：S=60X 56.5 = 3390cm<S,角焊缝最小，hf 1.5t 1.5 206.7mm。全梁的上下翼缘

18、焊缝都采用 hf二8mm。4. 加筋肋验算因匹 聖 80,不需设置横向加劲肋。闸门上已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距a =tw 1.00.975m。腹板区格划分见图2o5. 取面板区格川验算其长边点的折算应力a=450-80-90=280mm,面板区格川的长边中点的主梁弯距和弯应力该区格长边中点的折算应力100.8N / mm2 1.65 160 264N / mm2。K=,1102(33 58)2110(33 58)故面板厚度选用14mm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4跨均布连续梁，R可看作它所受的最大剪力，由规范表查知：作用于竖直次梁上由水平荷载传递的

19、集中荷载：R (0.607 0.536)q次ln1.143 216.53 0.975 241kN; 取 q = q 次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 800 X 10mm上翼缘利用面板，下翼缘采用200mnX 800mnU 扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按 式B=Z 1b确定。辭：挪加 Z孑l°/b 900/9750.923,查表得 Z 1 =0.369 ，B=0.369>975=360mm 取 B= 360mm。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：360 10 405 200 8 405e= 61mn截360 10200 8

20、800 10面惯性距：310 80032 2I800 10 618 200 4651210360 3442122840 104mm4Wmin2619190 mm3 ，469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 七、边梁设计边梁的截面形式采用单腹式，如下图，边梁的截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁hf = 6mm。300 44端部高度相同，腹板厚度与主梁腹 板厚度相同，为了便于安装压合胶 木滑块，下翼缘宽度不宜小于TWkN790kNrmN载，为了简化起见，可假定这些荷载由主梁传给边梁，每个边梁作用于边梁荷载为 (2)竖向荷载有闸门自重，滑道摩

21、阻力，止水摩阻力，起吊力等。上滑块所受压力：300mm。边梁是闸门的重要受力构件，由于 受力情况复杂，故在设计时将容许 应力值降低20%作为考虑受扭影响 的安全储备。1.荷载和内力计算在闸门每侧边梁 上各设4个胶木滑块，其布置如下 图：(1)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R= 790kNR12 790kN ,下滑块所受压力：R22 7901580kN ,M max 790 0.9711kN m,Vmax790 kN ,最大阻力为作用于一个边梁上的起吊力，估计为650kN,有N= 650kN进行强度验算,N 650 R1 f 6501580 0.12460

22、.4kN2. 边梁强度验算截面面积 A 2 400 20 800 1628800mm2,316 8001222 400 20 41043372266667 mm , WI38029206mm。420截面边缘最大应力验算：腹板最大剪应力验算：腹板与下翼缘连接处则算应力验算:Vmax S1Itw790 103 400 20 410248N/mm2,16I 22h-2J22223 2. 84.42 3 482 119N/mm2 0.8 0.8 160 128N/mm2。均满足强度要求八、行走支承设计胶木滑块计算：下滑块受力最大，起值为R= 1580kN,设滑块长度为350mm则滑块单位长度承受压力q

23、1580 1033504514 N/mm,由表2查得轨顶弧面半径R=200mm轨头设计宽度为b= 40mm胶木滑块与规定弧面的接触应力验算:qzf M *JI s一15:一41) 一155一-«!350max2494 N / mm九、胶木滑块轨道设计1.确定轨道底板宽度轨道底板宽度按砼承压强度确定， 查表得：砼允许承压应力为c = 7N/mm2,则所需轨道底板宽度为：3亡竽322"-取Bh=350mm故轨道底面压应力:2. 确定轨道底版厚度轨道底板厚度S按其弯曲强度确定，轨道底版的最大弯应力：轨道底板悬臂长度 C= 102.5mm对于A3查表得c = 100N/mm2,22故: t J3 nC102.544.9mm，故 t = 50mm。 100十、闸门启闭力和吊座验算1.启门力：T 启=1.1G+1.2(T2d+£s)+PxG=0.022K胫尿4163 X 9.8其中，A=3.5X 3.5=12.25mm ,可查知：系数 KKK,均取为1.0 , G=0.022X 1.0 X 1.0 X 1.0 X 12.25 1.34 X 500.63 X 9.8=80.1kN ,滑道摩阻力：T2d fp 0.12 4 431.9 3.66