水工钢结构课程设计平面刚闸门

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型橡皮；

行走支承：采用胶木滑道，压和胶木为MCS-2；

混凝土强度等级：C20；

二、闸门结构的形式及布置

(1)闸门尺寸确实定(图1)

1)(m);

2)闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：。=9机；

图1

图2

3)闸门计算跨度：L=L]+2d=9+2x0.2=9.40(m)o

(2)主梁的形式。主梁的形式应根据水头和跨度大小而定，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合力的作用线y=H/3=l.8m。

(图2)并要求下悬臂。之。之、上悬臂c")・45",今取

a=0.7^(m)

主梁间距23=2(F—a)X—0.66)弋(m)

那么c=H-2b-a=5.5-2.2-0.7=2.4(m)20.45H(满足要求)

(4)梁格的布置和形式。梁格采用复式布置和高等连接，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图3。

图3

(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2.35m,横隔板兼做竖

直次梁。

2)纵编连接系，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，行走支承采用胶木滑道。

三、面板设计

根据《钢闸门设计标准》(SL74-95)及2006修订送审稿，关于面板的设计，先估算面板厚

度，在主梁截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)面板厚度。假定梁格布置尺寸如图3所示，面板厚度按式uajo；']

当b/a«3时，5,那么…自存荷=068。廊

当"a〉3时，…，那么而篇而=。外师

现列表1进行计算。表1

根据表1计算，选用面板厚度t=8mni。

(2)0-x)计算，面板厚度t=8mm,并且近似地取板中最大弯应力5皿=M=16DN/mm2,

那么:

面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为：

由式/2八庐K/(0.7叵门)计算：

面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=6"而。

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

。卜+a

面水平压力可按式4=〃+七二F

列表2计算后得：ZqTSlaN/机

表2

141x634

图4顶梁荷载按下列图计算：R、=—2------2_=3.25ZW//«

1.56

图5

5m(S5)o

水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为：

支座B处的弯矩为：

(2)截面选择。

考虑利用面板作为次梁截面的一局部，初选[16b由附录6附表6.3查得：A=2515如〃」

4

IV=1168007^./r=9350000,n/n.b=65mni；d=8.5nm。

面板参加次梁工作有效宽度分别按式3+2c、及式B=导,〃=(A+4)/2计算，

对于钢Q235,c取30t,然后取其中较小值。

图6

按5号梁计算，设梁间距〃=(4+4)/2="号一二750〃〃〃。确定式8=勖或B=J2b和

,b.\b-,„,

〃二七」中面板的有效宽度系数4时，需要知道梁弯矩零点之间的距离，。与梁间距b比值。

对于第一跨中正弯矩段取：

对于支座负弯矩段取:

根据4)必查表6.1,得:

1QQ()

对于3人的=2.507.得J=0.78.那么8=^=0.78x750=585(mm);

940

对于4/人=旃=L253,得。=0.361,那么8=第=0.361x750=270(mm);

对于第一跨中选用B=500mm,那么水平次梁组合截面面积(图6)为：

500x8x4+2515x88

组合截面型心到槽钢中心线的距离为：《=88——500x8+2515-二跖皿

跨中组合截面的惯性距及截面模量为：

对支座段选用B=270mni,那么组合截面面积为：4=2515+270x8=4675〃〃/

_270x8x4+2515x88”

组合截面型心到槽钢中心线的距离为：八o8o8———=39mm

Z/UXo+Z313

支座处组合截面的惯性矩及截面模量为：

(3)水平次梁的强度验算。由支座B(图5)处弯矩最大，而截面模量最小，故只需验算

支座B处截面的抗弯强度，即：

说明水平次梁选用［16b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支座处截面的鸾矩已经求得乂侬=18.4KN•桃,那么边跨挠度可近似地计算：

5qpM次J=5x29.85x(235x10)'_________I8.4X1()62.35X10'二5日乂正.卜［二1

故水平次

5454-_

7-384£7^~\6EI.X~384x2.06xl0x2024.7xlO-16x2.06xl0x2024.7xlO-'乂|_7j25O

梁的选用［16b满足强度和即度要求。

(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［16b。

底梁也采用［16b。

五、主梁设计

（1）设计资料。

1）主梁跨度（图7）：净跨（孔口宽度）4=9”,计算跨度L=9.4m,荷载跨度4=9团；

图7

2）主梁荷载：q=74.IkN/m；

3）横向隔板间距:2.35m；

4）主梁容许挠度［v］=L/600。

（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面板局部弯曲与土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

②需要的截面模量。对Q235钢的容许应力［司=160N/〃削2,考虑钢闸门的自重引起的附

加应力作用，取容许应力为［曰=0.9乂160=140义/加/,那么需要的截面模量为：

907.7x1000=6303。/

144

③腹板高度选择。按刚度要求的最小高粱（变截面梁）为:

2,s2/5

经济梁高:hec=3,W=3.1X6303=102.6cm

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小，但不小于

%no现选用腹板高度％=必。〃o

4hVloo…一、

④腹板厚度选择。按经验公式计算：。=五=一］「二0-91。九，选用Q」.0c，"。

“Wth.6303100止“

⑤翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为：兀-定河-7-=46.4C"2

下翼缘选用％=2.0。"（符合钢板规格）

A464（hhA

需要4=3=——=23.2c7〃，选用A=24cm在~—=40-20cvn之间J。

上翼缘的局部截面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板连接，选用％=2°〃,

b.I=16cmo

面板兼做主梁上翼缘的有效宽度取为：8=A+605=16+6°X°.8=64C〃2

上翼缘截面积为：4=16X2+64X0.8=83.2C

ICOXED

co

240X20

图8

⑥弯应力强度验算。主梁跨中截面（图8）的几何特性见表3。微面形心矩为:

截面惯性矩：/=噜+Z4V=岸学+333588=41692IcM

141乙

I4169213

截面模量：上翼缘1I7顶边叱一=^256。”

/416921r/r。3

下翼缘底边Wmin=一=32=1678cm

907.7x100

22

弯应力:(J——二11.8伏N/cm)<0.9xl6=l4.4(4V/cm)(平安)

7678

表3

⑦整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接与钢面板相连，按《设计标准》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，故梁的挠度也不必验算。

图9

B=640

/

160x20.10

co

寸

O9

/2

240x20

\

图10

2）截面改变。因为土梁跨度大，为减少门槽宽度和支承边梁高度（节省材料），有必要将

主梁支承端腹板高度减少为"；=°仙）=60（7〃（图9）。

梁高开始改变的位置取在邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧（图10）,离开支承端的距

离为235-10=225cnio

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

可按工字型截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何性质见表4o

表4

5108.5

截面型心距：*=⑼D=26.7cm

工71・J

截面惯性矩：/。二岑tx143668=161668。〃

1乙

267

截面下半局部对中和轴的面积矩：=48x37.1+26.7x1.0x--=2137cm2

VS333.5x21374

由应力.T==----------------=4.4IkN/cm~2<团=9.5%/而（安全）

以〃./(A161668x1.0

3）翼缘焊缝。翼缘焊缝厚度力按受力最大的支承端截面计算。最大剪应力匕湫=333.5&/7,

截面惯性矩/。=161668c"

上翼缘对中和轴的面积矩：H=51.2x26.3+32x24.9=2143c/

下翼缘对中和轴的面积矩:S2=48x32.8=1574<S,

,VS.333.5x2143-八

需要.hf------(=_=]=-----------------------=0.279。"

而文，'1.4/0[r；]1.4x161668x11.3

角焊缝最小厚度：勿=L54=L5而=6.7

全梁的上下翼缘焊缝都采用hf=8〃〃〃

%100

4）腹板的加劲肋和局部稳定验算。加劲肋的布置：因为,===100>80,故需横向加劲

肪，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼做横向加劲肋，其间距

a=235cmo腹板区格划分如图10所示。

梁高与弯矩都较大的区格II可按（。//斤+（"%『工1验算：

区格II左边及右边截面的剪力分别为：

区格II截面的平均剪力为：

区格H左边及右边截面上的弯矩分别为：

“陷江+MN右704+907.7”‘一，

区格n的平均弯矩为：22=------2------=806kN・〃2

_807x477xl06

=82.2N/mnr

区格II的平均弯应力为:/-467600xlO4

100/1.0935

xJ—=0.56<0.85

177V235

计算心,由于区格长短边之比为2.35/1.0〉l.°,那么:

=[1-0.59(4-0.8)][o-]=[l-0.59(1.038-0.8)]95=81.77V//w??2

那么:

(Tc=0

将以上数据代入公式+詈01有（寓］+（当］=0,14+0.11=0.25<1.0

（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方。MlD+DyZuSOcm,因加”“,=80,不必验算，故在梁高

减少的区格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所需要的板屋较大，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3）按式=正y+9m+4J-bmy（式心+%）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：

对应于面板区格IV在长边中点的主梁弯矩（图7）和弯应力为：

741x3

M=74.1x5x3.5x——：———=893.2ZN•m

2

面板区格IV的长边中点的折算应力为：吗=十0一『一"（5心+5”）

上式中C”，5,“和5”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。

六、横隔板设计

(1)荷载和内力计算。横隔板同时兼作就直次梁，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。那么每片横隔板在上悬臂的最大

M=2.4x24x2.35x2.4

负弯矩为:=54.1kN♦m

2x3

(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1000”〃〃x8mm,上

翼缘利用面板，下翼缘采用200〃%x8mm的扁钢，上翼缘利用面板的宽度按B二Lb确定,

其中b=2350mm,按4/匕=2x2400/2350=2.04342=0,707,那么5=0.707x2350=1661mm,

取B=1650mmo

计算(如图11所示)的截面几何特性。

截面形心到腹板中心线的距离为：

截面惯性矩为：

图11

92864X1043788668W

截面模量为：叱向=

773

M54.1X106r1

验算弯应力为：。=落=荻拓葩=14.3"/加〃＜［可

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

〃/二6nlmo

七、纵向连接系设计

(1)荷载和内力计算。纵向连接系受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶自重G按附录10

中的式G=女人/"3"”隈9.8计算:

下游纵向连接系承受：0.4G=0.4x81.7=32.7ZJV

纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如图12所示，其结点荷载为:

327_

==8.175AN,杆件内力计算结果如图12所示。

(2)斜杆截面计算。斜杆承受最大拉力N二KN,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，B|M<[2]=200o

图12

选用单角钢L100X18,由附6.4表查得:

截面面积：A=15.6。/=1560/wn2

叵]转半径：zw=1.98cm=198〃小

斜杠计算长度：乙=0.9XV2.352+2.352+0.42=3.13

/313x103

长细比：尾十二…198=158.1<[刃=200

173x103,1

验算拉杆强度为：o=]560=1LIN/mnr<0.85[cr]=133N/mm2

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双腹式（如图13）,边梁的截面尺寸按照构造耍求确定，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

缘宽度不宜少于300mmo

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

考虑受扭影响的平安储藏。

（1）荷载和内力计算。在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑块。其尺寸布置如图M所示。

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。每个主梁作用于边梁的荷载为R=333.5kN。

,350

IO

10

.--

图13-

2）竖向荷载。有闸门自重，滑道摩擦力，止水摩阻力，启吊力等。

「333.5x2.35°…

上滑块所受的压力：%=—行一=252.8AN

下滑块所受的压力：R2=667-252.8=414.2^

最大弯矩：加皿=252.8x0.7=177攵N•小

最大剪力：曦、=q=252.85

最大轴向力为作用在一个边梁上的启吊力，估计为20GkN（详细计算见后）。在最大弯矩作

用截面上的轴向力，等于启吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力：

N=200-/?,/=200-252.8x0.12=169.7^,

图14

（2）边梁的强度验算。

截面面积：4-550/10+2K350Kl4-15300mm2

面积矩:=14x350x2X2+1。x350xl75=l994300”加

截面惯性矩：1=I。；；。+2x350x14x2822=917981033/WH4

„917981033

截面模量：卬z=—而—=3176405〃制3

界面边缘最大应力验算：

~+&J69.7XO177xl06

=66.8<0.8[a]=0.8x160=128N/mm2

AW153003176405

腹板最大剪力验算:

252.8xlO3x199430()

54.9N/iwiv<0.8[r]=0.8x95=76/V/mm2

It917981033x41

腹板与下翼缘连接处折算应力验算：。=了+—1^1常jv、=11.2+52.34x荻275=61.2N/〃加2

以上验算均满足强度要求。

九、行走支承设计

胶木滑块计算：滑块位置如图14所示，下滑快受力最大，其值为氏2=414.2机

设滑块长度为350mm,那么滑块单位长度的承压力为：

根据上述q值由表6.2查得轨顶弧面半径R=150mm,轨头设计宽度为b=35nnno

胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按0皿=1°4日进行验算：

选定胶木高30mm,宽120mm,长350mm0

十、胶木滑块轨道设计

(1)确定轨道底板=那么所需要的轨道底板宽度为：

q1183_

&p=---=——=169/72/77

卬7

]183

故轨道底面压力为：％=WG=5.915N/〃"〃2

(2)确定轨道底板厚度。轨道底板厚度S按其弯曲强度确定。

轨道底板的最大弯应力为：。=3%产4日

式中轨道底板的悬臂长度C=82.5mm,对于Q235钢，查得［曰=100N/。

故所需轨道底板厚度为：，==34.75/〃/〃

卜一、闸门启闭力和吊座计算

1.启闭力按循=1・9+1.2(j+马)+^计算

滑道摩阻力：&=.乃=0.12x1482=177.8407

止水摩阻力：TjZJbHp

侧止水平均压强：P=26.95kN/mm?

掖：7；=2x0.65x0.045x5.5x26.95=8.67KN

下吸力月底止水橡皮采用I