露顶式钢闸门设计举例

1、.水利水电钢闸门设计一、设计资料：1 潜孔式平面闸门设计：潜孔式平面闸门 孔口尺寸（宽×高）： 4.0m ×7.0m 上游水位： 47m 下游水位： 0m 闸底高程：0m 启闭方式：电动固定式启闭机材料 钢结构：Q235-A.F 焊条：E43型 行走支承：滚动支承或胶木滑道 止水橡皮：侧止水和顶止水用P型橡皮，底止水用 条形象皮 制造条件：金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足级焊缝质量检验标准规范：水利水电工程钢闸门设计规范SL 1974-20052 拦污栅设计： 拦污栅型式：固定式平面拦污栅尺寸（宽×高）：4.0m×7.0m水头：4m二、闸门结构的型式

2、及布置 1 闸门尺寸的确定： 闸门净高：7.0m 闸门高度：7.4m 闸门的荷载跨度为两侧止水之间的间距：L=4m闸门的计算跨度：L= L0+2d = 4+2×0.2 = 4.4m 2 主梁的形式: 本闸门属于小跨度中水头闸门，所以主梁采用实腹式组合梁。 3 主梁的布置 因为闸门跨度L小于闸门高度H，所以采用主梁式。主梁根数采用5根。 由公式 yk= 得： 每根主梁距水面的距离： 图一 闸门主要尺寸图（单位：m） 4 梁格的布置和形式： 根据面板的计算结果，采用复式。详细布置见图二。 图二 梁格布置尺寸图（单位：m）5 连接系的布置和形式： （1） 横向连接系，根据主梁的跨度，布置4

3、道横隔板，其间距为0.88m，横隔板兼做竖直次梁。 （2） 纵向连接系，由于面板尺寸较小，水平次梁较多，可以不必设置纵向连接系。6 边梁和行走支承 边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。三、面板设计 1 估算面板厚度： 计算面板厚度的公式： 当； 当 计算结果详见表一： 表一 面板厚度的估算区格(mm)b(mm)k13458702.50.860.460.6314.823858702.30.600.470.5313.933958702.20.600.470.5314.243908702.30.600.480.5414.353958702.20.600.480.5414.563958702.20.

4、600.480.5414.573508702.50.610.490.5513.183958702.20.600.490.5414.593758702.30.600.500.5514.0103808702.30.600.500.5514.2113458702.50.610.510.5613.1123458702.50.610.510.5613.1133808702.30.600.520.5614.5143358702.60.610.520.5612.8152558703.40.610.520.5610.0161958704.50.890.530.699.4根据上表计算，选用面板厚度t=15mm2

5、 面板与梁格的连接计算面板局部挠曲时产生的垂直与焊缝长度方向的横向拉应力P按式：P计算，面板厚度t=15mm,近似取板中最大弯应力，则 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力： 面板与主梁焊缝厚度： 面板与梁格连接取焊缝厚度四、水平次梁、顶梁和底梁的设计 1 荷载与内力计算 水平次梁和顶梁、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式：计算，计算结果见表二。 表二 水平次梁、顶梁和底梁均布荷载计算梁号梁轴线处水压强度p(N/mm2)梁间距（m） (m)备注1 顶梁458022510310.452 水平次梁46304721760.493 主梁468049523160.504 水平

6、次梁4730.48227.00.465 水平次梁4770.48229.00.506 主梁4820.50241.00.507水平次梁4870.46224.00.428 水平次梁4910.46225.90.509 主梁4960.49243.00.4810 水平次梁5010.465233.00.4511 水平次梁5050.45227.30.4512 主梁5090.45229.30.4513 水平次梁5140.45231.30.4514 水平次梁5180.445230.70.4415 主梁5230.40209.10.3616 水平次梁5260.33173.70.3017 底梁529.20.1579.4

7、 水平次梁 q=230.7kN/m 水平次梁为五跨连续梁，跨度为0.88m。 水平次梁弯曲时的边梁中弯矩为： 支座B处的弯矩为： 图三 水平次梁计算简图和弯矩图 2 截面选择 初选 18a由附录表得： A=2569mm2 Wx=141400 面板参加次梁工作有效宽度： 按14号梁计算，梁间距确定面板的有效宽度系数时，需要知道梁弯矩之间的距离与梁间距b之比值。对于第一跨中正弯矩段取，对于支座负弯矩段根据查表7-1： 对于 则对于 则对于第一跨中选用B=258，则水平次梁组合截面积为： A=2569+258×15=6439组合截面形心到槽钢中心线的距离： 跨中组合截面的惯性矩及截面模量为

8、： 图四 面板参加水平次梁工作后的组合梁(单位：)对支座段选用B=102，则组合截面面积：A=2569+102×15=40992结合截面形心到槽钢中心线距离： 支座处组合截面的惯性矩及截面模量： 3 水平次梁的强度验算： < 安全 说明水平次梁选用18a满足要求。 扎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，由于水平次梁在B支座处截面的弯距已经求得M次B=19.1kN·m，,则边跨挠度可近似地按下式计算： 所以水平次梁选用槽钢18a满足强度和刚度要求。4 顶梁和底梁 顶梁和底梁受荷载较小，但由于其他偶然荷载

9、的影响，也采用18。五、主梁设计（一）设计资料 1 主梁跨度：净跨（孔口宽度）L0=4.0m，计算宽度L=4.4m，荷载跨度L1=4.0m， 2 主梁荷载： 3 横向隔板间距：880 4 主梁容许挠度。（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：弯距： 剪力： （2）需要的截面模量。 已知Q235钢的容许应力=160N/mm2 ,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力= 则需要的截面模量为；W= （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： 选择腹板高度则 选用 （5） 翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为：因为，所以选择b=35cm，则 上翼

10、缘的部分截面积可以利用面板，选用 面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为 上翼缘截面面积:图五 主梁跨中截面（单位：）（6）弯应力强度验算。主梁跨中截面（见图五）的几何特征性见表三。 表三 主梁跨中截面的几何特征 部位截面尺寸（cm×cm）截面面积A（2）各形心离面板距离(cm)A()各形心离中和轴距离（）面板部分104×1.51560.75117-42.45281112上翼缘板14×2.5352.7596-40.4557267腹板110×1.011059649015.827460下翼缘板35×2.587.5115.251008472.0545423

11、0合计388.516787820069截面形心矩： 截面惯性距： 截面模量： 上翼缘顶边 下翼缘底边 弯应力：安全 （7） 整体稳定性与挠度验算。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。（见图六） 梁开始改变的位置取在临近支承端的横向隔板下翼缘的外侧，离开支承端的距离为8817.5=80.5。 剪切强度验算：考虑到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，故可按工字形截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何特征见

12、表四。 图六 主梁支承端截面（单位：） 表四 主梁端部截面的几何特征部位截面尺寸（cm×cm）截面面积A（2）各形心离面板距离(cm)A()各形心离中和轴距离（）面板部分104×1.51560.7511734.25182998上翼缘板14×2.5352.7596.2532.2536402腹板88×1.0884842241314872下翼缘板35×2.587.593.25815958.25296893合计366.512796531165 截面形心矩： 惯性矩： 截面下半部对中和轴的面积矩： 剪应力，安全。 3 翼缘焊缝翼缘焊缝厚度按受力最大的支承

13、端截面计算。 面惯性矩： 翼缘对中和轴的面积矩： 翼缘对中和轴的面积矩： 需要 角焊缝最小， 的上下翼缘焊缝都采用。5板的加劲肋和局部稳定性验算。加劲肋的布置：因为故需设置加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板兼可作横向隔板，其间距。梁格与弯矩都较大的区格可按式验算。 区格左边及右边的剪力为： 区格的平均剪应力： 弯矩分别为： 区格的平均弯矩： 平均弯应力： 计算： 算，由于区格长短边之比为 代入数据： 满足局部要求。所以不需要再设横向加劲肋。5 面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算： 从表一的面板计算可见，区格1需要的板厚较大，所以选用区格1验算其长边的中点的折算应力。

14、面板区格1在长边中点的局部弯曲应力： 对于面板区格1在长边中点的主梁弯矩和弯矩力为： 面板区格1的长边中点的折算应力： 所以面板厚度为15满足强度。六、横隔板设计 1 荷载和内力计算 横向隔板兼做竖直次梁，每片横向隔板在上悬臂梁的最大负弯矩为： 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1100×10，上翼缘利用面板，下翼缘采用200×10的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度公式按式B1b确定。查表得10.51.则B=0.51×880=448.8，取B=450计算如图七所示的截面几何特征。截面形心到腹板中心线的距离： 图七 横隔板截面（单位：mm） 截

15、面惯性矩： 截面模量： 验算应力： 安全 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，边梁的截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁端部高度相同，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。 图八 边梁截面和边梁计算图（单位：） 1 荷载和内力计算 在闸门每侧边梁上各设置三个胶木滑块，其布置见上图八。 （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，底梁传来的水平荷载

16、，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R1387kN（2）竖向荷载有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，起吊力等。因为五根主梁间距比较接近，为了简化计算，所以可以近似的把边梁受的荷载处理为均布荷载。 每个滑块所受压力： 最大弯矩： 最大剪力： 最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为1500kN。在最大弯矩作用截上的轴向力，等于起吊力减去滑块的摩擦力，该轴向力为： 2 边梁的强度计算 截面面积： 面积矩： 惯性矩： 截面模量： 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折算应力验算： ， 均满足强度要求。八、行走支承设计 胶木滑块计算：滑

17、块受力均匀，其值为R2312kN，设滑块长度为700mm，则滑块单位长度承受压力查表得轨顶弧面半径R=300mm，轨头设计宽度为b50mm，胶木滑块与规顶弧面的接触应力验算：。 选定胶木高30，宽120，长700。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混凝土压强度确定，根据C20混凝土由附表十查得混凝土的容许承压应力为，则所需要的轨道底板宽度为： 取 故轨道底面压应力：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：轨道底板悬臂长度C215mm，对于Q235查表得100N/mm2 ，故所需轨道底板厚度：，取厚度t100mm 图九 胶木滑块支承轨道截面

18、（单位：）十、闸门启闭力和吊座计算1 启门力计算： 其中闸门自重： P=693.6×5×4=13872kN 滑道摩阻力：止水摩阻力： 因橡皮止水与钢板间摩擦系数f0.65， 橡皮止水受压宽度取为b0.06m，每边侧止水受压长度H7.2m 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4.4m，根据规范SL 7495，启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m2计算，则下吸力： 故闸门启门力： 2 闭门力计算 显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。需采用机械加压。 3 吊轴和吊耳板验算 （1） 吊轴 采用Q235钢，查表得，由于水压力较大，所以采用4吊点，每边起吊力为： 吊轴每边剪力： 需要吊轴截面积： 又 故吊轴直径：d 取d140mm， （2）吊耳板强度验算。按局部紧接承压条件，吊耳