露顶式平面钢闸门设计说明书

三峡大学水工钢结构课程设计----露顶式平面刚闸门设计露顶式平面钢闸门设计一、设计资料闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门；孔口净宽：9.00m；设计水头：5.50m；结构材料：Q235钢；焊条：E43；止水橡皮：侧止水用p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。规范：《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）。二、闸门结构的形式及布置（1）闸门尺寸的确定（图1）。1）闸门高度：考虑到风浪产生的水位超高为0.2m，故闸门高度=5.5+0.2=5.7（m）；2）闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=9m；3）闸门的计算跨度：L=L0+2d=9+20.2=9.4(m)；图1闸门的主要尺寸图（单位：m）（2）主梁的形式。主梁的形式应根据水头的大小和跨度的大小而定，本闸门属于中等跨度，为了方便制造和维护，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。为使两个主梁设计水位时所受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力的合力作用线y=H/3≈1.83(图1)并要求下臂梁Ha12.0≥和≥a0.4。上臂梁Hc45.0≤,今取)(66.012.064.0mHa=≈=主梁间距)(38.219.12)(2mayb=?=-=-则HmbHc45.0)(48.264.038.25.52≈=--=-=（满足要求）（4）梁的布置和形式。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冰被横隔板所支承。水平次梁为连续梁，其间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置具体尺寸如(图2)所示。图2梁格布置尺寸图（5）连接系的布置和形式。1）横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置道横隔板，其间距为2.35m，横隔板兼作竖直次梁。2）纵向连接系，设在两个主梁下的翼缘的竖平面内。采用斜杆式桁架。（6）边梁与行走支承。边梁采用单复式，行走支承采用胶木滑道。三、面板设计根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95），关于面板的计算，先估算面板的厚度，在主梁截面选择之后再验算面板的局部弯曲与主梁弯曲的折算应力。（1）估算面板厚度。假定梁格布置尺寸(图2)所示。面板厚度按式[]σα9.0________kpt≥计算当b/a≤3时，a=1.5，则kpakpat68.01604.19.0_________=??=当b/a>3时，a=1.4，则kpakpat07.01604.19.0_________=??=现列表1进行计算。表1面板厚度的估算注1、面板边长a、b都从面板宇梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽为140mm(详见后面)2、区格I、VI中的系数k由三边固定一边简支板查得。根据表1计算，选用面板厚度t=7mm。（2）面板与梁格的连接计算。面板局部绕曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力P按式σtP07.0=max计算，则σtP07.0=max=()mmN/4.78160707.0=??面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力()mmNIVST/12616170000002306757033400020=????==由式[])7.0/(22ωτffTPh+≥[]()()()mmTPhff8.11157.0/1264.787.0/2222=?+=+=ωτ面板与梁格连接焊缝取其最小厚度mmhf6=。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、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水平压力可按式2______下上aapq+=计算。列表2计算后得∑=mkNq/23.149根据表2计算，水平次梁计算荷载取30.38kN/m,水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.35m（图3）。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为()mkNqlM?=??==9.1235.238.30077.0077.022次中支座B处的弯矩为()mkNqlMB?=??==95.1735.238.30107.0107.022次ABCDEMM次中次支Aq=30.38KN/m图3水平次梁计算简图和弯矩图（2）截面选择。[]()361121881601095.17mmMW=?==σ考虑到利用面板作为次梁截面的一部分，初选[16a由附表6.3查的：22195mmA=；3108300mmWx=；48660000mmIx=；mmb63=;mmd5.6=。面板参加次梁工作有效宽度分别按式cbBt2+≤及式bB1ξ=或bB2ξ=（其中()2/21bbb+=）计算，然后取其其中较小值。()mmtbB48376063601=?+=+≤bB1ξ=（对胯间正弯矩段）bB2ξ=（对支座负弯矩段）按5号梁计算，设梁间距()=+=2/21bbb（770+730）/2=750（mm）。确定式中面板的有效宽度系数ξ时，需要知道梁弯矩零点之间的间距0l与梁间距b比值。对于第一跨中正弯矩段取0l=()mml188023508.08.0=?=。对于支座负弯矩段取0l=()mml94023504.04.0=?=。表3面板有效宽度系数1ξ和2ξ根据bL/0查表3，得对于bL/0=1880/750=2.507，得1ξ=0.78，则B=()mmb58575078.01=?=ξ;对于bL/0=940/750=1.253，得1ξ=0.364，则B=()mmb273750364.01=?=ξ;对第一跨中选用B=488mm，则水平次梁组合截面面积(图4)为图4面板参加水平次梁工作后的组合截面A=()2598574882568mm=?+组合截面形心到槽钢中心线的距离为()mme5155765.837483=??=跨中组合截面的惯性矩及截面模量为()42225.179403765.3274835121598660000mmI=??+?+=次中()2min437.13694913117940376mmW==对支座B=273mm，则组合截面面积为A=()2410672732195mm=?+组合截面形心到槽钢中心线的距离为()mme3941068357273=??=支座处组合截面的惯性矩及截面模量为()422157828535.4472733921958660000mmIB=??+?+=次()2min13261911915781853mmW==（3）水平次梁的强度验算。由支座B（图3）处弯矩最大，而截面模量最小，故只需验算支座B处的截面的抗弯强度，即()[]226min/160/3.13511326291095.17mmNmmNWMB=<=?==σσ次次说明水平次梁选用[16a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mkNMB?=95.17次，则边跨挠度可近似地计算为次次次EIlMEIqllB1638452-=υ()45364533100376.17941006.2161035.21095.17100376.17941006.23841035.238.305???????-=004.02501000676.0==???≤=lυ故水平次梁选用[16a满足强度和刚度要求。（5）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，所以也采用[16a。底梁也采用[16a。五、主梁设计（1）设计资料。1）主梁跨度（图5）；净跨（孔口宽度）()mL90=，计算跨度mL4.9=,荷载跨度mL91=；图5平面钢闸门的主梁位置和计算简图2）主梁荷载：mkNq/2.74=；3）横向隔板间距：2.35；4）主梁容许挠度[]600/L=υ。（2）主梁设计。主梁设计包括：○1截面选择；○2梁高改变；○3翼缘焊缝；○4腹板局部稳定验算；○5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()mkNM?=?????-??=8184924.9292.74max()kNqLV33492.742121max=??==○2需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力[]2/160mmN=σ，考虑钢闸门自重应力引起的附加应力作用，取容许应力为[]2/1441609.0mmN=?=σ，则需要的截面模量为[]()3max56811.0144100818cmMW=??==σ○3腹板的高度选择。按高度要求的最小高梁（变截面梁）为[][]()()cmLELh1.87600/11006.2104.91014423.096.0/23.096.0722min=???????=?=υσ经济梁高()cmWhec9856811.31.35/25/2=?==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ech小，但不小于minh。现选用腹板高度cmh900=。○4腹板厚度选择。按经验公式计算：cmht86.011/9011/===?，选用cmt0.1=?。○5翼缘截面选择。每个翼缘截面为()2001426900.19056816cmhthwA=?-=-=下翼缘选用cmt0.21=（符合钢板规格）需要cmtAb210.2/42/111===，选用cmb221=(在cmhh20~405~5.2=之间）。上翼缘的部分截面面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用cmt0.21=，cmb141=。面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为()cmbB567.06014601=?+=+=δ上翼缘的面积为()212.677.0560.214cmA=?+?=○6弯应力强度验算。主梁跨中截面（图6）的几何特性见表4。截面形心矩为图6主梁跨中截面积()cmAAyy1.442.2099226'1===∑∑截面惯性矩()432303214922544621290112cmAyhtI=+?=+=∑ω截面模量：上翼缘顶边()31min72901.44321492cmyIW===下翼缘底边()32min65888.48321492cmyIW===弯应力()()()安全22minmax/4.14169.0/4.126588100818cmkNcmkNWM=?<=?==σ表4主梁跨中截面的几何特性○7整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按《设计规范》规定，可不必验算整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度不必验算。2)截面改变。因为梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度（节省钢材），有必要将主梁支承端腹板高度减小为cmhhs546.000==（图7）梁高开始改变的位置去载邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧（图8），离开支承端的距离为235–10=225cm图7主梁支承端截面图图8主梁变截面位置图剪切强度验算：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接，故可按工字形截面来验算剪应力的强度。主梁支承端截面的几何性质见表5。表5主梁端部截面的几何特性截面形心距()cmy272.17346651==截面惯性矩()4301082899516712541cmI=+?=截面下半部对中和轴的面积矩()2203727.290.17.297.3052cmS=?+?=剪应力()[]()安全220max/5.9/28.60.11082892037334cmkNcmkNtISV=<=??==ττω3）翼缘焊缝。翼缘焊缝厚度（焊脚尺寸）fh按受力最大的支承端截面计算。最大剪应力kNV334max=，截面惯性矩40108289cmI=。上翼缘对中和轴的面积矩()3117533.252865.262.39cmS=?+?=下翼缘对中和轴的面积矩()13215967.3052ScmS<=?=需要[]()cmIVShff342.03.111082894.117533344.101=???==ωτ角焊缝最小厚度()cmthf7.6205.15.1=?=≥全梁的上、下翼缘焊缝都采用mmhf8=。4）腹板的加劲肋和局部稳定验算。加劲肋的布置：因为80900.1900>==ωth，故需设置横向加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋，其间距a=235cm。腹板区格划分如（图8）所示。梁高与弯矩都较大的区格II可按式()()1///22≤++?crcccrcrσσττσσ验算：区格II左边及右边截面上的弯矩分别为()()01744334==-?-=右左；IIIIVkNV区格II截面的平均剪应力()()220/7.9/97.00.1902/1742/)(mmNcmkNthVVIIII==?=+=ωτ右左区格II左边及右边截面上的弯矩分别为()()mkNMII?=-?-?=613435.23342左mkNMMII?==818max右区格II的平均弯矩为()mkNMMMIIIIII?=+=+=71628186132右左区格II的平距弯应力为()2460/2.961032149210432716mmNIyMIIII=???==σ计算crσ85.051.02352351770.1/90235177/0<=?==ybfthωλ[]2/160mmNcr==σσ计算crτ，由于区格长短边之比为2.35/0.9>1.0，则()()9.0235235260/90434.5410.1/90235/434.541/2200=+?=+?=ysfahthωλ则()[][]()[]()2/4.89958.09.059.018.059.01mmNscr=?--=--=τλτ0=cσ将以上数据代入公式122≤+???+??????ccrccrcrσσττσσ有0.123.001.022.04.897.91602.9623<=+=??+?????（这里无局部压应力）。满足局稳要求，故在横隔板之间（区格II）不必增设横向加劲肋。再从剪力最大的区格I来考虑；该区格的腹板平均高度()()cmh722/54900=+=-，因72/0=-ωth，不必验算，故在梁高减小的区格I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。从上述的面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格IV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IV(图2)按式()()[]σασσσσσσσ1.122≤+-++=OxmxmyOxmymyzh（其中mymxμσσ=，22/tpakymy=σ）验算其长边中点的折算应力。面板区格IV在长边中点的局部弯曲应力为()22222/1857700037.05.0mmNlkpamy±=??==σ()2/561853.0mNmymy±=?±==μσσ对应于面板区格IV在长边中点的主梁弯矩（图5）和弯应力为()mkNM?=?-??=79427.32.742()2660/9810092.810794mmNWMx=??==σ面板区格IV的长边中点的折算应力为()()xmxmyxmymxzh0202σσσσσσσ+-++=()()9856185985618522-?--+=()[]()22/4.246160/209mmNmmN=??=<=σα上式中myσ、mxσ和x0σ的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。故面板厚度选用7mm,满足强度要求。六、横隔板设计（1）荷载和内力计算。横隔板同时兼作竖直次梁，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（图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弯矩为()mkNM?=???=5.583448.2（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mmm7900?，上翼缘利用面板，下翼缘采用7200?mm的扁钢。上翼缘可利用面板宽度按bB2ξ=确定，其中b=2350mm,按11.2235024802/0=??=bl1，从表3查得有效宽度系数52.02=ξ，则mmB1222235052.0=?=，取mmB1200=。计算如(图9)所示的截面几何特性。图9横隔板截面图截面形心到腹板中心线的距离为()mme19779007200712005.45372005.45371200=?+?+???-??=截面惯矩为22235.256120075.65020071979007129007??+??+??+?=I()4410181