水工刚结构露顶式焊接平面钢闸门设计计算书

1、水工刚结构露顶式焊接平面钢闸门设计计算书一、 设计资料闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门；孔口净:10.00m；设计水头：6.00m；结构材料：Q235焊条：E43；止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮；行走支承：采用胶木滑道,压合胶木为MCS-2;混凝土强度等级:C20二、 闸门结构的形式及布置1.闸门尺寸的确定（例图7-1）闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m，故闸门高度=6+0.2=6.2m；闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=10m；闸门计算跨度：L=L0+2d=10+2×0.2=10.40m。例图7-1 闸门主要尺寸图（单位：mm） 2.主梁的形式主梁的形式

2、应根据水头和跨度大小而定，本闸门属于中等跨度,为了便于制造和维护,决定采用实腹式组合梁。3.主梁的布置根据闸门的高跨比,决定采用双主梁.为了使两个主梁在设计水位时所受到的水压力相等,两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线H/3=2.0m例图71)，并要求下悬臂a0.12H和a0.4m、上悬臂c0.45H，今取 a=0.7m0.12H=0.72m主梁间距：2b=2(-a)=2×1.3=2.6m则 c=H-2b-a=6-2.6-0.7=2.7m=0.45H(满足要求)4梁格的布置和形式梁格采用复式布置和等高连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支承。水平次梁为连续梁，其间距应上

3、疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁格的布置具体尺寸见例图7-2。 5.连接系的布置和形式（1）横向连接系，根据主梁的跨度决定布置3道横隔板，其间距为2.6m，横隔板兼做竖直次梁。（2）纵向连接系，设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。6.边梁与行走支承。边梁采用单复试，行走支承采用滚轮支承。例图7-2 梁格布置尺寸图（单位;mm）三、面板设计根据SL74-1995水利水电工程钢闸门设计规范修订送审稿，关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁界面选择之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例图7-2所示，面板厚度按下式计算：t=a当b/

4、a3时，=1.5，则t=当b/a3时，=1.4,则t=现列例表7-1计算如下:例表7-1 面板厚度的估算区格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm2)t(mm)165025901.570.5840.0070.0647570.5000.0210.1027.0186025903.010.5000.0310.1257.5077025903.370.5000.0400.1427.6569025903.750.5000.0480.1557.4853025904.890.7500.0550.2037.53注：1.面板边长a、b都从面板与梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽度为140

5、mm; 2,区格、中系数k由三边固定一边简支板查得。根据上表计算，选用面板厚度t=8mm。2.面板与梁格的连接计算面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力P，已知面板厚度t=8mm,并且近似地取板中最大弯应力则 (N/mm)面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力： T=207(N/mm）计算面板与主梁连接的焊缝厚度：=2.9(mm)面板与梁格连接焊缝最小厚度=6mm四、水平次梁、顶梁和底梁的设计1.荷载与内力的计算水平次梁和顶底梁都是支承在隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力按 列例表7-2计算后得：=181.24kN/m 例表7-2 水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算梁号梁轴线处水压

6、强度p(kN/)梁间距(m)（m）(kN/m)1(顶梁)3.681.72215.41.42521.951.13326.51.04027.560.954(主梁)35.80.89532.040.84544.00.82536.300.81651.90.70536.590.60757.80.40023.12备注：顶梁荷载按下图计算根据例表7-2计算，水平次梁计算荷载取36.30KN/m, 水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.6m（例图7-3）。水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为： =0.077ql2=0.077×36.3×2.62=18.9（KN.m） 支座B处的负弯矩为： =0.107q

7、l2=0.107×36.3×2.62=26.26(KN.m)例图7-3 水平次梁计算简图和弯矩图2. 截面选择 W= =164125()考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选，由附录三表4表查得 A=2569()； =141400(); 12727000()；=68(mm); d=7 (mm)。面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取其中最小值。 B+60t=68+60×8=548(mm) B=1b( 对跨间正弯矩段）； B=2b(对支座负弯矩段）；按5号梁计算，设梁间距b=(b1+b2)/2=(840+810)/2=825（mm).确定上式中面板的有效宽度系数

8、时，需要知道梁弯矩零点之间的距离L0与梁间距b之比值。对于第一跨中正弯矩段取l0=0.8l=0.8×2600=2080(mm);对于支座负弯矩段取l0=0.4l=0.4×2600=1040（mm)。根据l0/b查表7-1： 对于l0/b=2080/825=2.521，得1=0.78，则B=1b=0.78×825=644(mm) 对于l0/b=1040/528=1.261，得2=0.364，则 B=2b=0.364×825=300(mm)例图7-4面板参加水平次梁工作后的组合截面(单位：mm)对于第一跨中弯矩选用B=548(mm)，则水平次梁组合截面面积（

9、例图7-4）： A=2569+548×8=6953(mm2) 组合截面形心到槽钢中心线的距离： e=(548×8×94)/6953=59(mm)跨中组合截面的惯性矩及截面模量为： I次中=12727000+2569×452+300×8×492=23691625(mm4) Wmin=23691625/135=175493(mm2)对支座段选用B=300(mm).则组合截面面积：A=2569+300×8=4969 (mm2)组合截面形心到槽钢中心线的距离：e=(300×8×94)/4969=45(mm)。支座

10、处组合截面的惯性矩及截面模量： I次B=12727000+2569×452+300×8×492=23691625(mm4) Wmin=23691625/135=175493(mm2)3. 水平次梁的强度验算 由于支座处B（例图7-3）弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即： =26.26×106/175493=149.6N/mm2=160N/mm2说明水平次梁选用 槽钢满足要求。 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，截面的弯矩已经求得M次B

11、=26.26KN.m,则边跨挠度可近似地按下式计算： =×- =- =0.000725=0.004故水平次梁选用14槽钢满足强度和刚度要求。5. 顶梁和底梁顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度，所以也采用 槽钢。底梁也采用。五、主梁设计（一）设计资料 （1）.主梁跨度（例图7-5）：净宽（孔口宽度）L0=10.00m;计算跨度L=10.40m；荷载跨度L1=10m； （2）主梁荷载q=88.2KN/m； （3）横向隔间距：2.6m； （4）主梁容许挠度：=L/600 。例图7-5 平面刚闸门的主梁位置和计算简图（2） 主梁设计 主梁设计内容包括：截面选择；

12、梁高改变；翼缘焊缝；腹板局部稳定验算；面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。1.截面选择（1）弯矩与剪力 弯矩与剪力计算如下： Mmax=1191(kN.m) (2)需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力=160KN/mm2， 考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力=0.9×160=144N/mm2,则需要的截面模量为 W=8271cm2(3)腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）： hmin=0.96×0.23×=0.96×0.23×=96.3（cm）由于钢闸门中的横向隔板质量将随主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比小，但不

13、小于。现选用腹板高度。(4)腹板厚度选择。按经验公式计算： ，选用。(5)翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为： 下翼缘选用(符合钢板规格）需要=,选用（).上翼缘的部分截面可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用,.面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为： 上翼缘截面积： (6)弯应力强度验算。主梁跨中截面（例图7-6)的几何特性见例表7-3。截面形心矩：截面惯性矩：截面模量： 上翼缘顶边： 下翼缘底边：弯应力：<（安全）例表7-3 主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸截面面积A各形心离面板表面距离（cm3）各形心离中和轴距离(cm4)面板部分62×0.849.60.419.

14、8-50.1124300上翼缘板14×2.028.01.850.3-48.766200腹 板100×1.010052.852802.3530下翼缘34×2.068.0103.8705853.3193200合计245.612408384230整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢板相连，按设计规范规定可不必验算整体稳定性。又因梁高大于刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。2.截面改变。 因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度（节省钢材），有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小（例图7-7）。 梁高开始改变的位置取在临近支承段的横向隔板下翼缘的外侧（例图7-

15、8），离开支承段的距离为260-10=250cm。例图7-7 主梁支承端截面（单位：mm） 例图7-8 主梁变截面位置图(单位：mm) 剪切强度验算：考虑到主梁段部的腹板及翼缘部分分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字钢截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何特性见例表7-4。例表7-4 主梁端部截面的几何特性 部位截面尺寸（cm×cm)A(cm2)y,(cm)Ay,(cm3)y=y,-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分62×0.849.60.419.8-30.646443上翼缘板14×2.028.01.850.4-29.223874腹 板60×

16、;1.06032.819681.8194下翼缘板34×2.06863.8433832.873157合计205.66376143668截面形心距：截面惯性矩：截面下半部中和轴的面积矩：剪应力：<（安全） 3.翼缘焊缝翼缘焊缝厚度按受力最大的支承端截面计算。最大剪应力，截面惯性矩。上翼缘对中和轴的面积矩：下翼缘对中和轴的面积矩：<需要 角焊缝最小厚度 全梁的上、下翼缘焊缝都采用。4.腹板的加劲肋和局部稳定验算加劲肋的布置：因为>80，故需设置横向加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因为闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋，其间距。腹板区格划分见例图7-8。梁高与弯矩都较大的

17、区格可按验算：区格左边及右边截面的剪应力为： 区格截面的平均剪应力为： 区格左边及右边截面上的弯矩分别为： 区格的平均弯矩为：区格的平均弯应力为：计算 <0.85 计算，由于区格长短边之比为2.6/1.0>1.0，则则 将以上数据代入公式 有<1.0（满足局部要求）。故在横隔板之间（区格）不必增设横向加劲肋。再从剪力最大的区格来考虑：该区格的腹板平均高度。因，不必验算，故在梁高减少的区格内也不必另设横向加劲肋。5面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。从上述的面板设计可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格所需板厚度较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取区格（

18、例图7-2），并验算其长边中点的折算应力。 面板区格在长边中点的局部弯曲应力为： 对应于面板区格在长边中点的主梁弯矩（见例图7-5）和弯应力为： 面板区格的长边中点的折算应力为： 上式中的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。故面板厚度选用8mm，满足强度要求。9 横隔板设计1荷载和内力计算横隔板同时兼做竖直次梁，它主要承受水平次梁、顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替（例图7-1），并且把横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为：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1000mm

19、5;8mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm×8mm的扁钢，上翼缘利用面板的宽度按B=2b确定，其中b=2600mm，按,查表可得有效宽度系数2=0.51，则B=0.51×2600=1326（mm），取B=1300mm计算如例图7-9所示的截面几何特性。截面形心到腹板中心线的距离为： 截面惯矩为： 截面模量为： 验算弯应力为：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、纵向连接系设计1.载荷和内力计算纵向连接系受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶自重G按下式计算： 下游纵向连接系承受: 纵向连接系视为简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如例图

20、7-10，其结点荷载为 杆件内力计算结果如例图7-10所示。例图7-10 纵向连接系计算图（单位:mm）2.斜杆截面计算斜杆承受最大拉力N=21.53kN，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即选用单角钢100×8，由附表查得：截面面积： 回转半径： 斜杆计算长度： 长细比： 验算拉杆强度为： 考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。3.斜杆与结点板的连接计算（略）。八、 边梁设计 边梁的截面形式采用单腹式（例图7-11），边梁的截面尺按照构造要求确定，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

21、，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，故在设计师将容许应力值降低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两个胶木滑块。其布置尺寸见例图7-12。例图7-11 边梁截面（单位：mm） 例图7-12边梁计算图（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。为了简化起见，见假定这些荷载由主梁传给边梁。每个主梁作用于边梁的荷载为R=441kN。 （2）竖向荷载。有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、起吊力等。 上滑块所受的压力 ： 下滑快所受的压力： 最大弯矩： 最大剪力： 最大轴向力为作用在一个边

22、梁上的起吊力，估计为200kN（详细计算见后）。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滚轮的摩阻力，该轴向力。2.边梁的强度验算。 截面面积： 面积矩： 截面惯性矩： 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： 以上验算均满足强度要求。9、 行走支承设计胶木滑块计算：滑块位置如例图7-12所示，下滑快受力最大，其值为。设滑块长度为350mm，则滑块单位长度的承压力为： 根据上述q值由表7-2查得轨顶弧面半径R=150mm，轨头设计宽度为b=35mm。胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按下式进行验算： 选定胶木高30mm，宽120mm，长350mm。十、胶木滑块轨道设计（例图7-13）1.确定轨道底板宽度轨道底板宽度按混凝土承压强度决定。根据C20混凝土由附录十表2查得