水工钢结构潜孔平面钢闸门设计方案

1、¥工御箱褂潜 孔 式 平 面 钢 闸 门 设 计工程概况：闸门是用来关闭、开启或者局部开启水工建筑物中过水孔口的活动结构。其主要作用是控制水位、调节流量。闸门是水工建筑物的重要组成部分，它的安全与适用， 在很大程度影响着整个水工建筑物 的原行效果。设计目录：1. 水工刚结构潜孔式焊接平面钢闸门设计计 算书。1)设计资料及有关规定 。000000000000000000000002)闸门结构的形式及布置。00000000000000000000000<1>闸门尺寸的确定。00000000000000000000000<2>主梁的布置。00000000000000

2、0000000000000000003)面板设计。000000000000000000000000000000004)水平次梁、顶梁和底梁地设计。000000000000000000000005)主梁设计。000000000000000000000000000000006)横隔板设计。000000000000000000000000000000007)边梁设计。000000000000000000000000000000008)行走支承设计。00000000000000000000000000000000109)胶木滑块轨道设计。00000000000000000000000000000001

3、11110)闸门启闭力和吊座验3- O 00000000000000000000000002. 水工刚结构 潜孔式焊接平面钢闸门设计图附图)水工刚结构 潜孔式焊接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:潜孔式焊接平面钢闸门。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：C2Q 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

4、示）CU丽主耿寸用（軸：m1. 闸门孔口尺寸：孔口净跨：3.50m。孔口净高：3.50m。闸门高度：3.66m。闸门宽度：4.20m。荷载跨度：3.66m。计算跨度：3.90m。2. 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

5、最大的 主梁来设计，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/ 'Mt1 Jl11i*11'卜/绥g1II11g1/挟11w1iah1J/拯1ii1H1/蝶is11575T，-那，加r,JK.18139 >4羅：累掘布置尺寸图三、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

6、算t=a kpYo.9a6当 b/a <3 时，+,则 I & 160® kP当 b/a >3 时，a=1.55,则 t=akp0.9 1.55 160=0.067 a kp现列表1计算如下:表1区格a(mm)b(mm)b/akPN/mm麻t(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（Tmax=c=160N

7、/mnn,则p=0.07 x 14x 160=156.8.2N/mm ,面板与主梁连接焊缝方向单位长度内地应力：3VS 790 101000 14 272=398N / mm,T=2102 3776770000面板与主梁连接的焊缝厚度：hf hP2 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二6mm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P2（kN/mm）梁间距（m）a上十a下2(m)

8、a上+ a下 q=p 2(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）472.360.45212.560.456 （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

9、，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 x20.975 =15.85kN?m宾伍53kN/fikVVV T VV T V.9751B 1_.VCADZ975mJ ,975m1 .975im支座B处的负弯距：2 2M次B= 0.107ql =0.107 x 216.53 x 0.975 =22.0248kN?n22.0248 1061602. 截面选择=137655mm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=13699000mm b1= 70mm ;

10、 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：611B< b1+60t=70+60X 14=910mm ;式：612B=Z 1b （对跨间正弯距段）B=Z 2b （对支座负弯距段）。梁间距b= = 900 900 = 900mm 。对于第一跨中正弯距段2 2l o=O.8l= 0.8 X 975=780mm 对于支座负弯距段 I 0=0.41 = 0.4 X 975= 390mm。根据I 0/b查表6 1:对于 I 0/b = 780/900 = 0.867 得 Z 1 = 0.40，得 B=Z ib = 0.40 X 900 =360m

11、m ,对于 I °/b = 390/900 = 0.430 得 Z 2 = 0.16，得 B=Z 2b = 0.16 X 900 =144mm ,对第一跨中选用B= 360mm则水平次梁组合截面面积（例图 4）:2A=2929+36CX 14=6961mm4 ?组合截面形心到槽钢中心线得距离：离：4：360 14 98 , e=65mm ;8689跨中组合截面的惯性距及截面模量为：2I 次中=13699000+2929X 65 +36024X 14X 35 = 29662171mmVUn= 33130025 二 203165.6mm2155对支座段选用B= 144mm则组合截面面积：

12、A=2929+144 X214=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：2I 次b= 13699000+2929X43+14424X 14X 35 = 23680365.8mm23680365.8 2Win=189442.9mm21253. 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622 0248 工 10次二 a.024810"6.24N/mm2 ：二=160n /mm2,189442.9说明水平次梁选用18b满足要求。轧成梁

13、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=22.0248kN?n,则边跨挠度可近似地按下式计 算：w 5 ql3 M 次 bI _ / _ r _384 EI次 _16EI 次_5沢216.53汉975322.0248 x 106 x 9755一5384 2.06 102966217116 2.06 1029662171w 1_ 0.0002 < 一0.004丨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1）主梁跨度：净跨（孔口净宽）10 _ 3.5m ;

14、计算跨度I _3.9m ;荷载跨度11_ 3.66m oP总5046 342）主梁荷载：q 二_（9.8 509.8 46.34）/4 = 431.9kN 3）横向隔422板间距：0.975m o4）主梁容许挠度：W=L/750 o（二）主梁设计1. 截面选择（1）弯距：弯距和剪力弯距与剪力计算如下：431.9 3.66/3.93.66、Mmax 二2（ 2 一 4）= 818kN m剪力：x/ql1431.9T.66 ” “hiVmax-790kN2 2需要的截面抵抗距 已知A3钢的容许应力（T=160N/mm2 ,考虑钢闸门自重引 起附加应力的影响，取容许应力c= 0.9 160 =144

15、N/mm2,则需要的截面抵抗矩为;Mmax 818 1063W=5681cm o144按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为:(3) 腹板高度选择经济梁高：hec =3.1W2/52/5= 3.1 (5681.833)= 98.43cm。hmin= 0.208flEw/I0.16 215 3.9 10352.06 105 1/750=42.5cm,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= 90cm。(4) 腹板厚度选择tw f：'h/11 = .90/11 = 0.86cm,选用 tw= 1.0cm。(5) 翼缘截面

16、选择：每个翼缘需要截面为WJ=568竺一=58亦,hn6h。90下翼缘选用11= 2.0cm (符合钢板规格)，需要b| =已=58 = 29cm,取Bi = 30cm,t12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11= 2.0cm，b>= 16cm面板兼作主梁上翼缘的有效高度为 B= h+60t = 16+60X 1.4 =100cm 。2上翼缘截面面积 A=18X2.0+100 X 1.4=172cm。(6) 弯应力强度验算IZ Ay 9926 8截面形心距：y' 丄=99268 = 31.82cm,Z A 312截面惯性距：112典 2Ay -

17、31 0 龙 904335010 =377677 cm412截面抵抗距：上翼缘顶边Wmax -1 - 377677 -11869.17cm3,y131.82下翼缘底边Wmin -I37767736568cm ,y257.5M818 x100弯应力：二二 亠业二=12.45kN/cm2 ：0.9 16 = 14.4kN/cm2,安全Wmin6568表3部位截面尺寸(cmX cm)截面面积A(c卅)各型心离面 板表面距离y'( cm)Ay' (cni)各型心离中和 轴距离y=y' -y 1(cm)Ay2 (cm4)面板部分r 100X 1.4140.00.7980-27.2

18、1103578上翼缘16X 2.032.02.476.8-25.520808腹板90 X 1.090.043.4390615.519220下翼缘:30 X 2.060.084.4506456.5191405合计3129926.8335011(7)因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体匚稳定性，因梁咼大于按咼度要求的最小梁高，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h； =0.6% =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度。尺寸表 4所示:表4部位截面尺寸(cmX cm)截面

19、面积A(cnf)各型心离面 板表面距离 y'( cm)Ay' (cm)各型心离中和 轴距离y=y' -y 1(cm)Ay2 (cm4)面板部分P 100X 1.4140.00.7980-27.21103578上翼缘16X 2.032.02.476.8-25.520808腹板54 X 1.054.043.42343.615.519220下翼缘P 30X2.060.050.643038.456.5191405合计2868710.8335011I0 土 小122卅y8710=30.45cm12 286S=62.5 58.95 60.2 1.6 602 = 6584cm3, 2

20、"工二二曲曲心皿皿卅，因误差未超过"，安全3. 翼缘焊缝翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。Vnax= 790kNo I0=13122cnn,上翼缘对中和轴的面积距：S=32.0 X 25.5+140 X 27.2=4624cnf，下翼缘对中和轴的面积距：S=60X 56.5 = 3390cm<S,需要VS11.4I°：790 46241.4 13122 11.3=0.511cm角焊缝最小，hf -1.5 t =15. 20 = 6.7mm。全梁的上下翼缘焊缝都采用hf二8mm。4. 加筋肋验算畤嚼=8°,不需设置横向加劲肋。闸门上已布置横

21、向隔板可兼作横加劲肋, 其间距a= 0.975m。腹板区格划分见图25. 取面板区格川验算其长边点的折算应力my20.5 0.0098 49.915 300162二 110N/mm ,a=450-80-90=280mm,2 -mx 二 V；冋二 0.3 110 = 33N / mm ,面板区格川的长边中点的主梁弯距和弯应力0x6M 784 10W -13537 1032=58N / mm ,该区格长边中点的折算应力二h =曲爲（二 mx ；0x）2 ；my（；mx%x）2 2 2 2.110(33 58) 110(33 58) =100.8N/mm ：:； =1.65 160 =264N/mm

22、故面板厚度选用 14m m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 水平荷载传递的集中荷载：qR =(0.607 0.536)q 次 ln-1.143 216.53 0.975 =241kN;取q=Mql0 丄 RI0J 216.53 0.92 1 241 0.9=76.15kN m84842. 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800X 10mm上翼缘利用面 板，下翼缘采用200mm X 800mm的扁钢，上翼 缘可利用面板的宽度 公式按式B= Z 1b确 / b =

23、900/975 = 0.923, 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：e = 360 10 405 -200 8 405 61mn截面惯性 360x10 + 200x8 +800x1010 800312800 10 6128 200 465210 360 3442 =122840 104mm4 Wmin2619190mm3 ，469验算应力:M 76.15 106Wmin2619190 二纱/血心距: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 =

24、 6mm。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,1” 300><141 一 R17m R Y *800x15"790kN * M1179dkN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。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，底梁传来的水平荷载，为了简

25、 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 R= 790kN(2) 竖向荷载有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，起吊力等。上滑块所受压力：R =2 790kN，下滑块所受压力：& =2 790 =1580kN，M max = 790 0.9 = 711kN m,Vmax = 790kN ,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-尺彳=650-1580 0.12=460.4kN ,2. 边梁强度验算截面面积 A = 2 400 20 800 16 = 28800mm2,3Smax = 20 400 4104

26、00 16 200 = 4560000mm ,316 8001222 400 20 410二 3372266667 mm4W -8029206 mm3420截面边缘最大应力验算:二 maxNMmaxA W36460.4 10711 10802920664282532 2= 111N/mm : 0.8 H0.8 157=126N/mm腹板最大剪应力验算:Vmax SmazItw790 103 4560000 = 68N / rWI 16：0.8 =0.8 75= 76N/mm2,腹板与下翼缘连接处则算应力验算:NMax 土 _ 460.4 103A W y 一 28800711 106 迴802

27、9206 420-84.4N / mm2,Vmax S1Itw790 103 400 20 410 =48N/mm216I222222二 2h -3S'84.43 48 =119N/mm ： 0.8 =0.8 160=128N/mm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则二 max= 1042 2= 494N/mm匚 j = 500N / mm。滑块单位长度承受压力31580103q二I580 iu二4514N / mm,由表2查得轨顶弧面半径350R=200mm轨头设计宽度为b= 40mm胶木滑块与规定弧面的接触应

28、力验算: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(T = 7N/mm2,则所需轨道底板宽度为：Bnq 2257取 Bh= 350mm故轨道底面压应 力：=322mm.举"4N/mm23502.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：2c3m -t轨道底板悬臂长度 C= 102.5mm 对于A3查表得c = 100N/mm2,故:3 6.4 102.52100= 44.9mm ,故 t = 50mm。十、闸门启闭力和吊座验算1.启门力：T启=1.1G+1.2(T2d+ts)+Px G=0.022K胫1.34!40.63 X 9.8其中，A=3.5 X 3.5=12.25mm ,可查知：系数 &心,心，均取为1.0 , G=0.022X 1.0 X 1.0 X 1.0 X 12.25 1.34 X 50°.63 X