水工钢结构课程设计

露顶式平面钢闸门设计

1、设计资料

1.1闸门形式：露顶式平面钢间门。

1.2设计水头:6.00m。

1.3孔口净宽：9.00m。

1.4结构材料:碳素钢Q235B-F。

1.5焊条：E43型手工焊。

1.6止水橡皮；侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮。

1.7行走支承：采用胶木滑道，压合木为MCS-2。

1.8启闭方式：电动固定式启闭机。

1.9制造条件：金属结构制造，手工电弧焊，焊缝满足III级质量检验标准。

1.10执行标准:《水利水电工程钢闸门设计标准》(SL74-95)

2、闸门结构的形式及布置

2.1闸门尺寸确实定(图1)。

(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+0.2=6.2(m)；

(2)闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：Ll=9(m);

(3)闸门的计算跨度:L=L0+2X0.2=9.0+0.4=9.4(m);

2.2主梁的形式

主梁的形式根据水头合跨度大小而定，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。

2.3主梁的布置

根据闸门的高跆比，决定采用双土梁。为使两个主梁在设计水位时所承受的水压力相等，两个土梁

的位置应对称于水压力合力的作用线用=H/3=2.0(m)(图I),并要求下悬臂a20.12H和a20.4叫

上悬臂、CW0.45H,今取,a=0.7m^0.12H=0.67(m)

那么主梁间距：2b=2(]-a)=2.6("。

那么c="一2〃一。二6—2.6—0.7=2.7。〃)=0.45/7(满足要求)

2.4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，其间应上疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁布置的具体尺寸详见羽2。

2.5连接系的布置和形式

横向联接系根据主梁的跨度决定布置三道隔板，其间距为2.6叫横隔板兼作竖直次梁。

纵向联接系设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。

2.6边梁与行走支承

边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。

3、面板设计

3.1估算面板厚度

假定梁格布置如图2所示。面板厚度按，=。kp

0.92af[cr]

当b/aW3时，a=l.5,那么t=a=0.068a

0.9x1.5x160

当b/a>3时，a=1.4那么t=a=0.Olayfkp

0.9x1.4x160

现列表计算如下

区格a(mm)b(mm)b/akP(%一痴t(mm)

)

I165025901.570.5840.0070.0647.18

II101025902.570.5000.0210.1027.01

III86025903.010.5000.0310.1257.50

IV77025903.370.5000.0400.1427.65

V69025903.750.5000.0480.1557.48

VI53025904.890.7500.0550.2037.53

根据上表计算，选用面板厚度t=8mm.

3.2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，面板厚度t=8mm,并且近似地取板中最大弯

应力。的二⑸二⑹“"h那么

面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：

Tyy=441(XX)x620x8x3)6

=2O7N/mm2

-2^-~2x1617000000

计算面板与主梁连接的焊缝厚度:

面板与梁格连接焊缝最小厚度〃,二6〃〃〃。

4、水平次梁、顶梁和底梁的设计

4.1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，作用在它们上面的水压力按q=p〃上+。广

2

现列表计算如下:

刀=80.3

梁轴线水备注：

/+勺(m)q=pa±+aT

梁号压强度梁间距1.顶梁荷载按图计算

22

[kN/,）（mm）1.57xl5.4L51

/nun'x

(m)/?,=-----^T)-二368(KN/m)

1（顶梁）

1.72

215.41.42521.95

1.13

3（上主梁）26.51.04027.56

0.95

435.80.89532.04

0.84

544.00.82536.30

0.81

6（下主梁）51.90.70536.59

0.60

7（底梁）57.80.40023.12515,例

根据上表计算，水平次梁计算荷载取36.30KN/.二1J"叫

水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.6m（图3）。所示。水二般欠梁弯曲财的边城鹭斗弯矩

为：M=0.0771//2=0.077x36.3x2.62=18.9(KN/〃z)

支座B处的负弯矩为：

4.2截面选择

考虑利用面板作为次梁截面的一局部，初选槽钢18a,由表查得：

23A

A=2569mm：Wx=141400zw?7;/JV=12727000mm；=68mm;d=7mm。

面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取较小值.

B=C.b（对跨间正弯矩段）;

B二一b（对支座负弯矩段）；

按5号梁计算，设梁间距b=（bl+b2）/2=825mnu确定上式中面板的有效宽度系数g时，需要知道梁

弯矩零点之间的距离L。与梁间距b之比值。对于第一跨中正弯矩段取L0=0.8L=2080mm;对于支座负

方矩段取L0=0.4L=1040mm.根据L0/b查表2-1得：

L/b=2.521,得K1=0.78,那么B=C由=644(〃M)；

m主梁内力：主梁简支于边梁上，最大弯矩在路中,最大剪力在支承处

qlI

MilldX=--4---(、L—2)"==432.2KN•m

(2)需要的截面抵抗矩(考虑闸门自重引起的附加应力的影响)

W=_字、=3(X)2加

0.92[CF]

(3)腹板高度h°选择(刚度条件求得最小梁高

九八M二90cm

%c=2.8W“5=70cm

经济梁高选取的梁高h一般应大于心°但比儿，稍小，故应选取h=8()emo

(4)腹板厚度选择：腹板厚度4=亚=回=0.86,选Z,L0cm

1111

(5)翼缘截面选择：

Wth

每个翼缘所需截面为：A,=--一七工二=18.4o/

46

下翼缘选用。=1.0cm,4=」=18.4C〃2,因此需要选用々=19。〃。(在q--4二36-18。〃?之间)，

42.55

上翼缘的局部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

。=1.0cm,A=12cmo

面板兼做主梁上翼缘的有效宽度B=4+5t=48cm

(6)弯应力强度验算：

主梁跨中截面的几何特性如下表;

部位截面尺寸截面面积各形心离面板各形心离中心

AVAy2

cm'cm2外表距离y’轴距离y=yz-y

面板局部48X0.828.80.38.64-39.544935

上翼缘板12121.113.2-38.717972

腹板100X1.09046.641946.84162

下翼缘板19X1.01992.11749.152.351971

合计149.85965.74119040

VAy596574

截面形心矩：yi=^—==39.8cw

少149.8

截面惯性矩：/=LA-+£A),2J.0*90+u904GE79790C/.

12A.12

I17979()

截面抵抗矩：上翼缘顶边¥,1="空=4517.

>Ji39.8

j।79790

下翼缘底边：Ww=—=----------=3405。记。

y252.8

弯应力：o-==432,2：；：1(X)=\2.Q9kN/cm2^^

%访3405

(7)整体稳定性与挠度验算因主梁上翼缘宜接同钢板相连，按标准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。

(8)整体稳定与刚度验算。

因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按《钢结构设计标准》(GB50017—2003)规定可不必验算其整体稳定

性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的刚度也不必验算。

5.2.2.翼缘焊缝

(1)上翼缘对中和轴的面积矩5上=Ay=43.2x37.78+28x36.38=2650.74cm3

⑵下翼缘对中和轴的面积矩6=50X45.62=2281cn?<SI:

yS35

需要焊缝厚度勺=请访=245xl()x2650.74xlO

=235cm>\.5A//max=0.67cm

1.4X247152X104X80

因此全梁上、下翼缘焊缝均取为二9〃而。

5.2.3.腹板的加劲肋和局部也定验算

加劲肋布置为包•=坦=80>80)”=66。因闸门已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距

tw1.0V345

a=225cm.

V

r=-----<r1

梁高与弯矩都较大的区格可按式*c匕J<屋.

区格2左边截面的剪力V=176.4・39.2**(4.5-2.25)=88.2KNn.

该区格截面的弯M=176.4*2025-39.2*9((4.5-2.25)/2)2=297.68KNm.

My.297.68*100*39.2、

<y==-------------------------=6.49KN/mm-

腹板弯曲应力1179790。

0(^)2=65*(〃尸=53

100*100*1.0查表得c=0.997.

由a/b=2.25/0.9=2.5由表查得力匕型的

T=——=0.98<0.659*0.997*16=10.5

所以90*1.0KN/cm；平安。

故在横隔板之间不必增设横加肋。在从剪力最大的区格1来考虑:

该区格的腹板平均高度ho=O.5*(90+54)=72cm.

lilho/t.=72/1.0=72不必验算，液在梁高减小的区格1内也部比另设横加劲勋。

6、横隔板设计

6.1荷载和内力的计算

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承在主梁上的

双悬臂梁。那么每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为

6.2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1OOO〃〃〃X8〃7W,上翼缘利用面板，下翼缘采用200〃?牝x8/〃〃7的

扁钢。上谑缘可利用面板的宽度按8二乙8确定，其中b=2600mm,

按｝=2x2700=2.077,从表查得有效宽度系数

h2600

幺=0.5LMB=0.51X2600=1326（mm）,取B=1300mm。

计算图9所示的截面儿何特性c

截面形心到腹板中心线的距离：

我面惯矩：

截面模量：

验算弯应力

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〃/=6〃加。

7、边梁设计

边梁的截面形式采用双腹式，边梁的截面尺寸按构造要求确定，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。为了便于腹板的焊接两腹板间距为300—400mm,闸门每侧边梁上各设两个滚轮。

边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力值降低20%作为考虑受扭影

响平安储藏。

7.1荷载和内力计算

在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑块。其布置尺寸见图。

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。每个主梁作用于边梁的荷载为R=441kN。

边梁所受的竖向荷载：闸门自重、滑道摩擦力、止水摩擦力、起吊力等。

745x?14

如下图，可计算出上滑块所受的压力：",-=184.61KN

2.14+0.7

下滑块所受压力：R2=3+〃2）-飞=245x2-184.16=305.19KN

边梁最大弯矩：％皿=1秣6陵0.7=129.23KN-m,最大剪力：%3=%=184.61KN,启门力：

,、W

O=1.2（7；/+7；）+l.lG+p”对于滑动轴承的滚轮：&=a（力r+/）

查附录十二得J；=0.25,人=0.1,初定滚轮直径D=600mm,R=D/2=300nun

li2l2,

W=-^ZZ=-X9.8X5X8=98OKN,轮轴半径i=50n皿

&=毁x(0.25x50+0.1)=4L16KN

止水摩擦力：,查附录十二得力

TES=f.Pzs=0.65

yH9.8x5.._.

/?„=---=-------=24.5KIMZ1/1m"2,

522

px=20x8.6x0.016=2.752KM/m

/L=hHps=0.6x5x24.5=73.5KN

T:x=2j\p:s=2x0.65x73.5=95.55KN

Z"=1.2(7“+/，+l.lG+p,=1.2X(41.16+95.55)+1.1X79.33+2.752=254.07KN

单根边梁受到的启门力：N=l.2X7^/2=1.2X254.07/2=152.4KN

7.2边梁的强度计算

截面面积：A=450X20+800X10X2+460X20=34200ninr

截面上半局部对中和轴的面积矩

S=460x20x(830-422.4)+2x(820-422.4)2xl0xl=5249257.6mm3

截面惯性矩

/=2Xm10X8003+2X20X800X(420-422.4)2+450x20x(422.4-10)2

+460x20x(830-422.4)2=3912648885mm'

3912648885

截面惯性模量印二二7139870.23,加*

840-422.4548

截面边缘最大应力验算

得(工厂+人)=152.4-^^x(0.25x50+0.1)=142.91KN

N'=N

山+以”=3/29.23运

=IS.lN/mm2<0.8[o]=0.8X230=184N/mm2

AM'342007139870.23

（计算式中，0.8为考虑到边梁为闸门的重要受力构件，且受力复杂，故将容许应力降低21%作为考虑

受妞等影响的平安储藏.以下计算相同J

腹板最大剪应力验算：

3

vn5n184.61x701670Qlxl0

T__HUlAIlldX_=24.96N/mm2VO.8[。]=0.8X95=76N/mm2

Itw-3912648885x10

腹板与下翼缘连接处折算应力验算：

叫=、3+3汇2=J17.24?+3x17.4/=34.74N/〃m?<i.ix0.8[o]=140.08N/mm2以上验算均

满足强度要求。

8、纵向连接系设计

8.1荷载和内力计算

纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶自重G按附录十一式（附11—1）计算：

下游纵向连接系承受0.4G=0.4x101.5=40.6（ZN）

纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹杆布置如图10所示：

其结点荷载为苧=10.15（ZN）

杆件内力计算结果如图10所示。

8.2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，即丸《［2］=200。

优用单角钢100x8,由表查得：

截面面积A=15.6cm2=1560〃?"2

回转半径ZOv=1.98C7H=19.8〃加z

222

斜杆计算长度/0=0.9xV2.6+2.6+0.4=3.33（6）

3.33x103

长细比=168.2<[A]=200

19.8

验算拉杆强度：

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。

9、行走支承设计

胶木滑块计算：滑块位置如图12所示，下滑块受力最大，其值为R2=534ZN0设滑块长度为350mm,

534x1（）2/、

那么滑块长度的承压力为—=1526（N/〃〃小

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进行验算：

选定胶木高30mm,宽120mm,长350mm。

10、胶木滑块轨道设计

10.1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查得混凝土的容许承压应力

为旧］=7N/mm2,那么所需要的朝L道底板宽度为

2

故轨道底面压应力：ah=毁=6.4（N/mm）

10.2确定轨道底板厚度

轨道底板厚度5按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力：p-<[cr]

式中轨道底板的悬臂长度c=102.5mm,对于Q235由第二章表2—8查得⑸=100(N/"?/)。

故所需轨道底板厚