水工钢闸门结构设计

1、6金属结构设计6.3金属结构设计计算设计资料(1) 闸门型式：露顶式平面钢闸门(2) 孔口尺寸(宽X高)：6mx 3m(3) 设计水头:3.16m(4) 结构材料：Q235钢(5) 焊条：E43(6) 止水橡皮：侧止水型号采用P45-A ,底止水型号采用1110-16(7) 行走支承：采用胶木滑道,压合胶木为MCS-2(8) 混凝土强度等级：C25(9) 规范：利水电工程钢闸门设计规范(SL74-95)闸门结构的形式及布置闸门尺寸的确定1.闸门高度:考虑风浪产生的水位超高，将闸门的高度确定为3m。2闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：Lo=6.Om3.闸门计算跨度：L=Lo+2d=6.O+2 X1

2、5=6.3m静水总压力闸门在关闭位置的静水总压力如图6.1所示，其计算公式为：P 二- =44.1kN /m2 2图6.1闸门静水总压力计算简图632.3主梁的形式主梁的形式应根据水头的大小和跨度大小而定，本设计中主梁采用实腹式组合梁。632.4主梁的布置根据主梁的高跨比，决定采用双主梁。两根主梁应布置在静水压力合力线 上下等距离的位置上，并要求两主梁的距离值要尽量大些，且上主梁到闸门顶 缘的距离c小于0.45H，且不宜大于3.6m，底主梁到底止水的距离应符合底缘 布置的要求。故主梁的布置如图6.2所示图6.2主梁及梁格布置图In出IVVJ:：11? 岂Qr-口寸VO632.5梁格的布置和形式

3、梁格采用复式布置并等高连接，并使用实腹式竖向隔板兼作竖直次梁，使 水平次梁穿过隔板上的预留孔而成为连续梁，其间距上疏下密，面板各区格需 要的厚度大致相等，具体布置尺寸如图6.2所示。面板设计根据利水电工程钢闸门设计规范SL74-95），关于面板的计算，先估 算面板厚度，在主梁截面选择之后再计算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折 算应力。初选面板厚度。面板厚度计算公式为：当 b/a >3 时，a =1.4 ；当 b/a W3 时，a =1.5。列表进行计算，见表6.1:表6.1面板厚度计算表区格a (mr)b (mr)b/akyq (N/mm2)S (mm)I650r 21003.23110

4、.7500.00322.131n65021003.2310.5000.00963.01出46621004.5060.5000.01502.70IV46621004.5060.5000.02003.11V46621004.5060.5000.02423.42出30021007.000 0.7500.02792.90由上表的计算结果，再加上2mm的腐蚀余度，选用面板厚度为6mm634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、底梁都是支承在隔板上的连续梁，作用其上的水平压力可按下式计算：a上+a下p = q列表计算，具体计算过程见表6.2:表6.2水平梁水平压力计算表梁号榮雜纯处静

5、水压强 q （kN/m*）茉间距（m）2p ( kN/m )1 （顶菜）I (i. 37 Jr 0 975fi.2112 （上主集）12.710,650. 5607, 134317.310.470* 470& 1364r 2L89 n0+d7r 0. 47010. 2885 （下上梁）26.460.470. 3B510.1876底梁）29.10,3d 1504,410经计算，水平次梁计算荷载取10.3kN/m ,水平次梁为三跨连续梁，跨度为2.1m。计算简图如图6.3所示：图6.3水平次梁计算简图q=10.3kN/mABCD故水平次梁弯曲时跨中弯矩为：M1 =0.08ql2 =0.08

6、 10.3 2.12 =3.63kN m支座B处的弯矩为：Mb =0.1ql2 =0.1 10.3 2.12 =4.54kN m（2）截面选择W*4.54 106160二 28375mm3考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选14a,查表得：A=1851mm 2； Wx=80500mm 3； Ix=5640000mm 4； b=58mm ； d=6mm。面板参加次梁工作的有效宽度：BrO-bi =60 6 58 = 418mmB二!b （正弯矩段）B = 2b （负弯矩段）按4号梁进行计算，梁间距为b=470mm ,对于连续梁的正弯矩段10 =0.81 =0.8 2100 =1680mm，l0

7、/b =1680 / 470 =3.57，查表得 &=0.87 ,故B = !b =409mm。对于其负弯矩段 l0=0.4l=0.4 2100 =840mm , l0 / b =840/470 = 1.79 ,查 表得 20.64，故 B = 2b =301mm 。面板参加水平次梁工作后的组合截面如图6.4所示：图6.4组合截面图对于第一跨中，选用B=409mm，则水平次梁的组合截面积为A=1851+409 X 6=4305mm组合截面形心到槽钢中心线的距离为：409 6 734305=42mm跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：h =5640000 1851 422 409 6 31

8、 11263458mm水平次梁的挠度验算11263458112=100567mm3对支座段选用B=301mm ,则组合截面面积为：A=1851+301 X 6=3657mm组合截面形心到槽钢中心线的距离为：301 6 733657二 36mm支座组合截面的惯性矩及截面模量为：I1 =5640000 1851 362 301 6 37 = 10511310mm410511310106=99163mm3= 0.677ql4100EI1l二 0.67710.3汉2.1很109100 2.06 105 * 10511310= 0.0003乞二 0.004故水平次梁选用14a满足强度和刚度要求。(5)

9、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，必须加强顶梁的 刚度，故采用16a。底梁采用14a。635主梁设计(1) 设计资料主梁荷载：q=P/2=22.05kN/m主梁跨度：计算跨度L=6.3m ，何载跨度Lq=6m。隔板间距：2.1m主梁允许挠度：f=1/600(2) 内力计算主梁计算简图如图6.5所示：图6.5主梁计算简图q=22.05kN/mMmaxqLq20 (66109.15kN m24Vmax归=22.05 6 =66.15kN(3) 需要的截面模量已知Q235钢的允许应力(T =160N/mm2考虑钢闸门自重引起的附加应力作用,取允许应力为(7=0.9 xi60

10、=144N/mmf,则需要的截面模量为：109.15 10003cj I758cm144考虑利用面板作为主梁截面的一部分，初选I40a ,查表得：A=86.1cm2 ; Wx=1090cm3 ; Ix=21700cm4 ; b=142mm ; d=10.5mm ; t=16.5mm。面板参加主梁工作有效宽度：B =60、 bl =60 6 142 =502mm取 b=0.5m , l0=6.3m , b/b=12.6 ,查表得 &=0.99 ,故B 二 1b =0.99 X 0.5=495mm故选用B=495mm ,则主梁组合截面面积为：A=86.1+49.5 X 0.6=115.8c

11、m2组合截面形心到工字钢中心线的距离为：49.5 0.6 20.3 厂e5.2cm115.8组合截面的惯性矩及截面矩为：h =21700 86.1 5.22 49.5 0.6 15.1 30800cm4308003Wmin1222.2cm325.223S=14.2 1.65 24.4 0.5 1.05 23.6864.1cm(4) 弯应力验算2 2=89.3N / mm <144N / mmM max = 109.15 灯06Wmin =1222.2 10333= 17.67MPa< L .1 - 120MPaVmaxs66.15 灯0 X864.10max=4-30800 104

12、 10.5校核主应力：、cmax（二mx-ox） =121.6N/mm 2 - 1.仁 U 246.4N/mm -3 .max 89.32 3 17.672 =94.4MPa< lc I故满足要求。(5)挠度验算f 5 ql37 _384 Ei15汉 22.05汉 63"09384 2.06 105 30800 104= 0.001= 0.0017J(6)面板参加主梁工作的折算应力验算由上述的面板计算可知，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格V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，所以选取区格V验算其长边中点的折算应力。面 板区格V在长边中点的局部弯曲应力为2 弋2

13、 0.5 X 0.0242 X46622二my=kyqa /、二2=73 N / mm6二mx = 3my=0.3 73=21.9N /mm2对于面板区格V在长边中点的主梁弯矩为：M=109.15kN m6= 89.3N /mm2M109.15H0c。=故折算应力为x W 1222.8 10故面板厚度选用6mm，满足强度要求竖直次梁(隔板)竖直次梁按支承在主梁上的双悬臂梁计算,受力简图如图6.6所示:图6.6竖直次梁计算简图(1) 内力计算支座A断面上的弯矩为：MaHa3b = 7.54k N m支座B断面上的弯矩为：丫（H +Ha）2(2) 截面选择隔板的腹板选用与主梁腹板一致,采用380m

14、M 10mm上翼缘利用面板,F翼缘采用200mr 10mm 的扁钢。面板参加竖直次梁工作的有效宽度：b=2.1m , 10=0.7 x 1.4m=0.98m b/b=0.46 ,查表得 3=0.18。故有效宽度为B=31b=378mm截面形心到腹板中心线的距离：378 6 190-200 10 190e6.3mm378 6+380 10+200 10截面惯性矩:I = 1 383 38 1 0.63 37.8 0.6 18.672 20 1 20.132 = 70897cm4 12截面模量为：Wmin70897-3437cm320.63中和轴一侧静面矩：S=20 1 19.6 0.5 1.05

15、 19 582cm3(3) 弯应力验算Mwmn7.54 1063437 103= 2.19N/mm2v 卜 I故满足强度要求边梁设计边梁的截面形式采用双腹板式，截面尺寸按构造要求确定，高度与主梁端 部等高，腹板厚度与主梁腹板高度相同。为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘 宽度不宜小于300mm。双腹板的间距应根据滑块的尺寸确定。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将允许应 力值降低20%作为考虑受扭影响的安全储备。边梁在水平方向承受主梁、水平次梁以及由面板传来的水压力和行走支承反力，为简化计算，边梁的水平荷载折算成主梁的集中荷载。在竖直方向，还承受门重、水柱重、启闭闸门时的启门

16、力、下吸力、上托力以及行走支承与止 水上的摩擦阻力等荷载。图6.7边梁计算简图R1R2每根主梁作用与边梁的集中荷载为 R=66.15kN如图所示,上滑块所受到的压力为Ri=46.31kN ,下滑块所受到的压力为R2=86kN 。边梁最大弯矩为：Mmax= 46.31 X 0.6=27.8kN m最大剪力为：Vmax=46.31kN最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为180kN o在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去滑块的摩阻力，该轴向力为：N=180- R 1f=180- 46.31 X 0.17=172Kn(2) 截面选择选40a槽钢，查表得：A=75.4cm 2; Wx=8

17、79cm 3; Ix=17600cm 4; b=100mm ; d=10.5mm。图6.8边梁组合截面图350截面面积:A=75.4+30X 1=105.4 cm截面形心到腹板中心线的距离：30 1e0.3cm105.4截面惯性矩:224I =17600 75.4 0.330 1 20.3 = 29970cm面积矩:S=10 1.8 19.6 0.5 1.05 18.5 442.6cm3截面模量：299703Wnin1476cm20.3(3) 弯应力、剪应力验算:WminVSmaxI、27.8 10631476 10=18.8N / mm2<3346.31 10442.6 1029970

18、 104 6故满足要求。638行走支承设计胶木滑块计算：滑块位置如图所示，下滑块受力最大，其值为R2=86kN。设滑块长度为250mm，则滑块单位长度的承压力为：q=0.344 kN/ mm 。根据上述q值查得轨头弧面半径 R=100mm，轨头宽度S=25mm。胶木滑道与轨头弧面的接触应力进行验算：二max =104, q =104 、. 344 =192N/mm2 ；j =500N/mm2选定胶木高30mm，宽100mm，长250mm。胶木滑块的轨道设计(1) 确定轨道底板宽度根据C25混凝土查得混凝土允许承压应力为(n=9N/mm 2，则所需的轨道底板宽度为：Bh- 344 = 38mm&

19、amp; 9取Bh=120mm，故轨道底面压应力为：593 “ /2-n5N / mm120(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：2ct2故所需轨道底板厚度为3 5 852100二 33mm故取 t=40mm。闸门启闭力和吊座计算(1) 启闭力计算闸门启闭力按下式计算：Tq =1.2(Tzd Tzs) 1.1G Px闸门自重为G=45kN滑道摩阻力为：Tzd=fP=0.17 X 264.6=45kN止水摩阻力为：Tzs=0.65 X( 2X 4.5 X 0.07+4 X 0.07) X 27=16kN止水橡皮采用1110-16型，其规格为宽16mm、长110mm。底止水沿门跨 长6m。下吸力为：Px=20X 0.016 X 6=1.92kN故闸门的启闭力为:TQ=1.2X( 45+16 ) +1.1 X45+1.92=124.62kN(2) 闭门力计算闭门力计算公式为：Tw =12(Tzd +Tzs)0.9G + R上托力为：Pt=9.8 X 2.5 X 0.16 X 6=23.52kN故闭门力为：TW=1.2X(