露顶式钢闸门设计举例

1、2na22a由公式 yk=3 2nHK 1.5 K11.5 得：水利水电钢闸门设计、 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 1974-2005 2 拦污栅设计： 拦污栅型式：固定式平面拦污栅尺寸（宽×

2、高） ： 4.0m×7.0m水头： 4m二、闸门结构的型式及布置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 = 4.4m2 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。25 47252 47 2 15.62254 2 472每根主梁距水面的距离：y1 47.74my2 49.20my3 50.62my4 52.00my5 53.34m图

3、一 闸门主要尺寸图（单位：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 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： t a 0.9kap当 ba 3时，a 1.5,则 t akp0.9 1.5 1600.068a kp ；当 ba 3时，a 1.4,则t a 0.9 1k.4p

4、 160 0.07a kp计算结果详见表一：表一 面板厚度的估算区格a(mm)b(mm)ba(mm)kp(Nmm2 )kpt(mm)13458702.50.860.460.6314.823858702.30.600.470.5313.933958702.20.600.470.5314.243908702.30.600.480.5414.353958702.20.600.480.5414.563958702.20.600.480.5414.573508702.50.610.490.5513.183958702.20.600.490.5414.593758702.30.600.500.5514.0

5、103808702.30.600.500.5514.2113458702.50.610.510.5613.1123458702.50.610.510.5613.1133808702.30.600.520.5614.5143358702.60.610.520.5612.8152558703.40.610.520.5610.0161958704.50.890.530.699.4根据上表计算，选用面板厚度 t=15mm2 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 0.07t max 计max算，面板厚度 t=15mm, 近似取板中最大弯应力max 160N m

6、m2 ，则P 0.07t max 0.07 15 160 168N mm2VS2I0面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：870N mm1387000 1040 15 4732 5879540000面板与主梁焊缝厚度：hfP2 T 2 /(0.7 tw )1682 8702 (0.7 115) 11mm面板与梁格连接取焊缝厚度 hf 11mm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：q pa上a下计算，计算结果见表二。表二 水平次梁、顶梁和底梁均布荷载计算q 3556kN /m水平次梁 q=230.7kN/m

7、梁号梁轴线处水 压强度 p(N/mm 2)梁间距( m)a 上 a下a下 qpa备注下下 (kN /m)2(m)21 顶梁4580.45022510312 水平次梁4630.4904721763 主梁4680.50049523164 水平次梁4730.460.48227.05 水平次梁4770.500.48229.06 主梁4820.500.50241.07 水平次梁4870.420.46224.08 水平次梁4910.500.46225.99 主梁4960.480.49243.010 水平次梁5010.450.465233.011 水平次梁5050.450.45227.312 主梁5090.

8、450.45229.313 水平次梁5140.450.45231.314 水平次梁5180.440.445230.715 主梁5230.360.40209.116 水平次梁5260.300.33173.717 底梁529.20.1579.4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：M 次中 0.077ql 2 0.077 230.7 0.882 13.7kN m 支座 B 处的弯矩为：M 次B 0.107ql 3 0.107 230.7 0.883 19.1kN m图三 水平次梁计算简图和弯矩图18a 由附录表得：2 截面选择2A=2569mmWx=14140

9、0 mm3 Ix 1 2 7 2 7 0m0m04b 68mm面板参加次梁工作有效宽度：d 7mmW 16019.1 106 119375mm3 初选B b 60t 68 60 15 968mm按 14 号梁计算，梁间距 b b1 b2 450 440 445mm 确定面板22的有效宽度系数 时，需要知道梁弯矩之间的距离l 0与梁间距 b 之比值。对于第一跨中正弯矩段取 l0 0.8l 0.8 880 704mm，对于支座负弯矩段 l0 0.4l 0.4 880 352mm根据 l0 b 查表 7-1：对于 l0 b 704 445 1.58,查表得 1 0.58 则 B 0.58 445 2

10、58mm对于 l0 b 352 445 0.79,查表得 2 0.23 则B 0.23 445 102mm 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=6439m m2组合截面形心到槽钢中心线的距离：e 258 15 59mm6439跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：2I 次中 12727000 2569 5922258 15 38.5227405997 m m4Wmin27405997 183933mm3149图四 面板参加水平次梁工作后的组合梁 （ 单位： ）2A=2569+102× 15=4099 2对支座段选用 B=102

11、，则组合截面面积： 结合截面形心到槽钢中心线距离：102 15 97.5e 36mm4099支座处组合截面的惯性矩及截面模量：2 2 4I 次B 12727000 2569 362 102 15 61.52 21843267mm421843267 3Wmin 173359mm3 1263 水平次梁的强度验算：次M次B19.1 106 110.2N mm2< 160N mm2 安全次Wmin173359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

12、 次 B=19.1kN·m，,则边跨挠度可近似地按下式计算：w 5ql 3M 次Bll 384 EI次 16EI 次5 230.7 880319.1 106 8805 4 5 4385 2.06 105 2741 104 16 2.06 105 2741 1041.76 10 w 1 0.004l 250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的影响，也采用18 a。五、主梁设计一）设计资料主梁跨度： 净跨（孔口宽度） L0=4.0m，计算宽度 L=4.4m ，荷载跨度 L 1=4.0m，1 2 1 29.81 542

13、9.81 472主梁荷载： q P n2 2 693.6kN m5横向隔板间距： 880 主梁容许挠度 w L 600。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：693.6 4 4.4 4M max 693.6 4 (4.4 4) 1665N m2 2 4剪力：Vmax ql1 693.6 4 1387kN222）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= 0.9 160 144N /mm2, 则需要的截面模量为；W=max1665 100144 0.1311563cm33） 腹板高度选择。按刚度要

14、求的最小梁高（变截面梁）为：hmin 0.96 0.23 E wLl0.96 0.2340.7cm144 100 4.4 1002.06 107 1 600经济梁高：22hec 3.1W 5 3.1 11563 5 130.8cm选择腹板高度 h0 110cm 则 tw110 11 0.95cm 选用 t w 10mm5） 翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为：因为tw h0h011563 110 1.0110 6286.8cm2 ,h2.5 h544cm 22cm ，所以选择 b=35cm ，则 t A1 b86.8352.5cm上翼缘的部分截面积可以利用面板，选用 t 2.5cm b1 14c

15、m面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为B b1 60 14 60 1.5 104cm翼缘截面面积 : A1 14 2.5 104 1.5 191cm2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/y （cm）A y/(cm3)各形心离 中和轴距 离 y（cm）Ay2 ( cm4 )面板部分104×1.51560.75117-42.45281112上翼缘板14×2.5352.7596-40.4557267腹板110×1

16、.011059649015.827460下翼缘板35×2.587.5115.251008472.05454230合计388.516787820069截面形心矩：Ay'y11678743.2cm,1A388.5截面惯性距：I tw h02Ay231.0 1103 4820069 930986cm41212截面模量：翼缘顶边 Wmax I 930986 21551cm3 ,max y1 43.2I 930986 3 下翼缘底边 Wmin12701cm 3 ,y273.3弯应力： M max 1665 100 13.1kN /cm2 0.9 16 14.4kN / cm2 ,安全

17、Wmin12701（ 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 h0s 0.8h0 88cm 。（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 88 17.5=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表四。图六 主梁支承端截面（单位：）表四 主梁端部截面的几

18、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/y （cm）A y/(cm3)各形心离 中和轴距 离 y（cm）Ay2 ( cm4 )面板部分104×1.51560.75117 34.25182998上翼缘板14×2.5352.7596.25 32.2536402腹板88×1.0884842241314872下翼缘板35×2.587.593.25815958.25296893合计366.512796531165截面形心矩：y1 12796 35cm1 366.5惯性矩：31.0 8834I 0 531165 587

19、954cm4 0 1257 3截面下半部对中和轴的面积矩： S 87.5 58.25 57 1.0 6721cm3I0tw587954 1.0剪应力Vmax S 1387 6721 8.6kN cm29.5kN cm2 ，安全。3 翼缘焊缝翼缘焊缝厚度按受力最大的支承端截面计算。Vmax 1387kN面惯性矩： I 0 587954cm4翼缘对中和轴的面积矩：S13156 34.25 35 32.25 6472cm3翼缘对中和轴的面积矩：S287.5 58.25 5097 S1需要 fVS11387 6472角焊缝最小，1.4I0 wf 0.95cm,1.4 587954 11.5hf 1.5

20、 t 1.5 25 7.5mm的上下翼缘焊缝都采用 hf 11mm。5 板的加劲肋和局部稳定性验算。h 110a 88cm 。梁格与弯矩都较大的加劲肋的布置：因为 0 110 110 80, 故需设置加劲肋，以保证腹板的局部稳 tw 1.0定性。因闸门上已布置横向隔板兼可作横向隔板，其间距22crcr区格可按式区格左边及右边的剪力为：c,cr1验算。V左 V右 1387 ( 2 0.44) 1 693.6 (2 0.44) 305kN2区格的平均剪应力：(V左 V右)/2305h0tw110 1.027.7N mm2弯矩分别为： M 左 1387 (2 0.44) 1 693.6 (2 0.4

21、4)2 1319.7kN m2M max 1665kN m区格的平均弯矩：平均弯应力：M M左 M max1319.7 16651492kNMy0 1492 550 106930986 10488.1N mm2计算 cr ：h0177twfy110 1.0235 177 2352350.62 0.85cr160 N mm2算 cr ，由于区格长短边之比为 0.88 1.0 1.0h0 tw41 4 5.34( h0 a)2110 1.041 4 5.34(100 88) 20.8cr95 N mm2代入数据：88.1 216027.7 2950 0.39 1满足局部要求。 所以不需要再设横向加

22、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。面板区格 1 在长边中点的局部弯曲应力：mykpa2t220.86 0.46 345 2152209 N mm 2mx u my 0.3 209 62.7 N mm2对于面板区格 1 在长边中点的主梁弯矩和弯矩力为：M 693 .6 2 1.32693.6 1.2221330 kN m,0x1330 10621.55 106120N / mm2,面板区格 1 的长边中点的折算应力：zhm2y ( mx0x) 2my( mx0x)209 2 62.7

23、 61.7 2 209 62.7 61.7208.5 1.55 160 248 N mm2 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：458 468M 0.94 0.88 0.468 179.2kN 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 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B 1b确定。 l0 /b 0.94 2/ 0.88 2.1,查表得 10.51.则B=0.5 1× 880=448.8

24、 ， 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）e 450 15 577.5 200 10 555 134450 15 1100 10 200 10截面惯性矩：310 11003122 2 28434.6 108 mm41100 10 1342 200 10 6892 450 15 423.52截面模量：34.6 1083Wmin4995320 mm3694验算应力：M 179.2 106235.8N /mm2 安全Wmin4995320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 6mm。

25、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 。由于受力情况复杂， 故在设计时将容许应力值降低边梁是闸门的重要受力构件，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， 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R 1387kN（2）竖向荷载 有闸门

26、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。1387 5 每个滑块所受压力： R1 R2 R32312kN3 最大弯矩： M max 1351kN m最大剪力：Vmax925kN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：N 1500 R1 f 1500 2312 0.13 1199kN2 边梁的强度计算2截面面积： A 2 500 30 880 10 38800mm23面积矩： Smax 30 500 455 440 1

27、0 220 7643000mm3惯性矩：310 8803 2 4I 2 500 30 4552 6778643333 mm4 12I 6778643333 3 截面模量： W 14422645mm3y 470截面边缘最大应力验算：N M max 1199 103 1351 106maxmax A W 38800 144226452231 94 125N / mm2 0.8 0.8 160 128N /mm2腹板最大剪应力验算：Vmax SmazItw925 102 7643000 10.4N/ mm2 0.8 0.8 95 76N/mm26778643333 10腹板与下翼缘连接处折算应力验算

28、：N Mmax y 31 94 440 119N / mm2A W y 470VmaxS1 925 102 500 30 455 9.3N /mm2，Itw6778643333 102h2 3 21192 3 9.32 120N /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：滑块受力均匀，其值为R 2312kN ，设滑块长度为 700mm，则滑块单位长度承受压力 q32312 103700 3303N /mm,查表得轨顶弧面半径 R=300mm，轨头设计宽度为 b 50mm，胶木滑块与规顶弧面的接触应力验算：max 104Rq 104 333

29、0003 345N /mm2 j 500N /mm2。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 h 7N mm2 ，则所需要的轨道底板宽度为：3303471.8mm取 Bh 480mmq 3303 2故轨道底面压应力： h Bqh 3438003 6.8N mm22 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：3 hc223 6.8 215

30、2100取厚度 t 100mm97mm，图九 胶木滑块支承轨道截面（单位：）十、闸门启闭力和吊座计算1 启门力计算：T启 1.1G 1.2（Tzd Tzs） Px其中闸门自重： G 0.022K1K 2K 3 A1.34 H s0.63 9.81.34 0.630.022 1.1 1.0 1.0 281.34 470.63 9.8 233.2kNP=693.6×5×4=13872kN滑道摩阻力： Tzd fp 0.13 13872 1803kN止水摩阻力： Tzs 2 fbHp1 fbL0 p2458 529p1494kNp2 458kN1 2 2 因橡皮止水与钢板间摩擦系

31、数 f0.65， 橡皮止水受压宽度取为 b 0.06m， 每边侧止水受压长度 H 7.2mTzs 2 0.65 0.06 7.2 494 0.65 0.06 4.4 458 356kN 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： Px 20 4.4 0.016 1.4kN故闸门启门力： T启 1.1 233.2 1.2 (1803 356) 1.4 2849kN2 闭门力计算T闭1.(2 Tzd Tzs) 0.9G 1.2 (1803 3

32、56) 0.9 233.2 2381kN 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 65N mm2 ，由于水压力较大，所以采用 4 吊点，每边起吊力为：P 1.2 T启 1.2 2849 854.7kN44吊轴每边剪力：V p 854.7 427kN22需要吊轴截面积：V 427 1036526569mm2d20.785dA 6569故吊轴直径： d91.5mm 取 d 140mm，0.785 0.785( 2)吊耳板强度验算。 按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按下式计算，查 表得 Q235 钢的 cj 80N mm2 ，故76mm, 取 t=80mmP 854.7 103td cj 140 8040mm 的轴承板。轴承板采用圆形，固在边梁腹板上端部的两侧各焊一块为其直径取为 3d 3×140420mm吊耳孔壁拉应力计算：R2r2R20.8 k P 854.7 103 cjcj td 80 140276N/