水利水电工程水工钢结构课程设计

露顶式平面钢闸门设计

2007101316王亮春

一、设计资料

闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门；

孔口净宽：14.00m；

设计水头:6.00m：

结构材料：Q235；

焊条：E43；

止水橡胶：侧止水用P形橡皮，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、闸门的结构形式及布置

1.闸门尺寸的确定（图1）

闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.3m,故闸门高度为9+0.3=9.3米

闸门的荷载跨度为两侧止水的间距即为孔口净宽：

闸门的计算跨度：

2.主梁的形式

本闸门为中等跨度，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

闸门高跨比采用双主梁，为使两个主梁在设计水位时所受的水压力相等，两个主梁的位置

应对称于水压力的作用线（图2）,并要求下悬博和。

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，其间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置的具体尺寸

见详图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，其间距为横隔板兼作竖直次梁。

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.边梁和行走支承

变量采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。

三、面板设计

1、根据SL7495《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整体方曲的

折算应力。

2、估算面板厚度

假定梁格布置尺寸如上图所示。面板厚度按式（7-3）计

算：

t=ap^

^0.9f/[cr]

当时，，则

当时,，则

现列表（如下）计算：

表1

面板厚度的估算

区格a(iran)b(mm)b/akp(N/mnT)两t(iron)

I258036361.410.512o.on0.06413.17

II156036362.330.4950.0320.12713.35

III130036362.80.50.0480.15513.69

IV112036363.250.50.0610.17513.69

V101036363.60.50.0730.19113.51

VI77036364.72C.750.0830.24913.45

注I.面板边长a、b都从面板。梁格的连接焊缝算起,主梁上翼缘宽度为260mm（详见于后）;

2.、区格I、VI中系数k由三边固定一边简支板查得。

3、根据上表计算，选用面板厚度

4、面板和梁格的连接计算

面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力p按式（7-6）计算。

已知面板厚度t=14mm,并且近似地取版中最大弯应力，则

P=00751ax=0.07x14x160=156.8（N/mnf）

面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：

1417500x1100x14x637=433(N/〃"叫

2x16053500000

由式(7-7)计算面板与主梁连接的焊缝厚度：

h,=VF+F/(0.7[r/t,])=56.82+4332/(0.7x!13)=5.82(〃〃〃)

面板与梁格连接焊缝取其最小厚度%=10〃〃〃.

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

它们上面的水压力可按式（7-8）计算，即

°上

列表（如下）计算后得

工q=427KNIm

梁轴飒

水压强度P梁间距(a上+a。/2

梁号（KN/m2）G）㈤备注

—

1（顶梁）8.51

2.65解荷俄拉T®计酊

223.52.2552.88生出巨

1.75J

3（上主梁）40.71.665.12

1.4523.5xN：：•

454.91.32572.74

1.2

566.61.279.92__

1.242g2.4

6（下主梁）78.41.0582.32卜i.64

0.9

7（底梁）87.20.7565.4

根据表2计算，水平次梁计算荷载去79.92KN/m。水平次梁为五跨连续梁，为2.92米。水平

次梁弯曲时的边跨中弯矩为

2

M欠中=0.077/2=o.O77x79.92x3.65=87.7(/^V/w)

22

“次B=0.107^/=0.107x79.92x3.65=111.2(A7V/m)

111200(X)0

W=—=695000m3

㈤160

考虑利用面板作为次梁截面的一部分初选[36b。由附录三表4查得

2

A=6809mmWx.=702900〃〃/fx=126518000〃〃〃"b=98mmd=1\nvn

面板参加次梁工作有效宽度分别按式(7—11)及式(7—12)计算，然后取其中较小值。

式(7—11)B+60/=98+60x14=938〃?〃?

式(7—12)3=4例对跨间正弯距段)

B=与双对支座负弯距段)

按5号梁计算。设梁间距b=幺士2=I2+12=]2(掰)=1200(〃〃〃)。对于第一跨中正

22

弯矩段取/0=0.8/=0.8x3650=2920(〃?5)。

对于支座负弯矩段4=0.4/=0.4x3650=1460(〃〃〃)。

由查表7—1：

对于4/6=2920/1200=2.4得*0.769则5=晶=0.769乂1200=922.8(刎

对于/。/人=1460/1200=1.21得&=@3504则8=务人=03504x1200=420(

对第一跨中选用B=923mm,则水平次梁组合截面面积为

4=6809+923x14=1973\rnni2

组合截面形心到槽钢中心线的距离为

g=923xl4xl87=12

19731,

跨中组合截面的惯性矩及截面模量为

4

/次中=126518000+5510x122?+923x14x(58+77=263024290(w/n)

w263124290n

叱nm=———=871272(〃?〃？)

对支座段选用B=420mmo则组合截面面积:

4=6809+420x14=12689〃加

组合截面形心到槽钢中心线距离:

420x14x187I\

e=-----------=87(inm)

1268917

支座处组合截面的惯性矩及截面模量:

224

/次s=126508(XX)+5510x87+420xl4x(73+7)=205855190/??m

160772640

=833422mm3

247

3、水平次梁的强度验算

由于支座B（图3）处穹矩最大，截面模量较小，故只需脸算支座B处截面的抗穹强度，即

_11120000022

=133.4(N/mm)<［。］=160(N/mm)

证;二833422

说明水平次梁选用［36b满足要求。轧成梁的剪应力一般眼小可不必验算。

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。则边跨挠度可近似地按下式计算：

w_5qF

—^-=().(XX)55<—=(1(X)4

7―荻•瓦16EI中250

■A

故水平次梁选用［36b满足强度和刚度要求。

五、顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度。所以

采用［36b,底梁也采用［36b。

六、主梁设计

（一）设计资料

I）主梁跨度（如图5）:净跨（孔口宽度），计算跨度L=14.6m,荷载跨度；

2）主梁荷教：；

3）横向隔板间距:3.65m;

4）主梁容许挠度:

L」600

（二）主梁设计

1）主梁设计内容包括：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。

2）截面选择

剪力和弯矩。弯矩与剪力计算如下：

人.削/外汽也怨一升5386.5C）

%普二1417.5KN

2.需要的截面模量。已知Q235A-F钢的容许应力，则需要的截面模量为

卬二加1皿—5386.5x100

=37406.25（加

[cr]144x0.1

3.腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为

“min=135.2c〃?

2/5

经济梁高hec=3.1W=209.2cm

4、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，不小

于。现选用腹板高度。

5、腹板厚度选择。按经验公式计算,，选用。

6、翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为

ALA=140.4C7〃2

46

卜翼缘选用乙=3.0CM

需要"=&=46.7c/n取b、-48c/〃。

上翼缘的部分截面积可以利用面板，故需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用

八=3.0c"?A=20cm

面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为

8=4+603=1105？

上翼缘截面积

4=26x3.0+110x1.4=164.8加

弯应力强度验算，主梁跨中截面的几何特性见下表

各形心离面各形心离中和

截面尺寸截面面积雪表面距离Ay，轴的距离户y'

CITICIT

部位（*））A（5，）y（cm）（cin。）-y:（cm）Ay"(cirT)

面板部分110*1.41540.7107.8-89.61236337

上雪缘板26*3782.9226.2-87.4595823

腹板200*1.4280104.42923214.155667

下翼缘48*3144205.929649.6115.61924324

合计63059215.63812151

4

截面形心距:

yi=------=90.3cm

二.ZA

O

O

1000*10Z

截面惯性矩:

480・30截面模量：

生竺旦52552加

O上翼缘顶边叱3

y90.3

图6

下翼缘底边也血二'=4745484

=40525c/

%200+3+3+1.4+90.3

穹应力。=”以=5386.5x100=13.3<0.9x1.6=14.4KN/cm2(安全)

叱“加40525

整体稳定性与挠度验算。因为:主梁上翼缘直接通钢面板相连，，按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。估量的挠度也不必验算。

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），有必要将主梁支承端腹板高

度减小为（图7）

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8）。

离开支承端的距离为364-15=349cnio

剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同式承边的腹板及翼缘相焊接，可按工

字形截面来验算剪应力强度。主梁与支承端截面的几何特性见下表

各形心离面各形心离中和

截面尺寸截面面积零表面距离Ay'轴的距离尸必

部位(cin*cni)A(cm")y(.cm)Cem3)-y.(cin)AyFcnT)

面板部分110*1.41540.7107.8-53.1434220

上翼缘板26*3782.9226.2-50.9202083

腹板200*1.416864.410819.210.618876

下翼缘48*3144125.918129.672.1748571

合计63029282.814037S0

29282.8

截面形心距y==53.8c〃zo

544

截面下半部对中和轴的面积距:

S=144x(127.4-53.8-1.5)+(⑵/一智5xl.4=］蚀［而

截面惯性矩=她-+YAy2=L20+］403750=1605350cm4

°12人-12

剪应力：

VS1417.5x14021,「1...j....,

r=mnam、=-----------=8.84(KN/cm~)<上］=9.5KN/cm~

L

/orn.1605350x1.4」

3)、翼缘焊缝

翼缘焊缝厚度勺按受力最大的支承端截面计算。最大剪力匕僦=1417.5KN,

截面惯性矩/。=1605350。/。

上翼缘对中和轴的面积距:

下翼缘对中和轴的面积距:

1417.5x12147.6

需要hf=0.678(7/72

1可力1.4x1605350x11.3

角焊缝最小厚度hf>1.5Vr=1.5x>/30=8.216mm

全梁上下翼缘焊缝都采用勺=10〃z〃z

4)、腹板的加劲梁河局部稳定验算

加劲梁的布置：因为，故需设置横加劲肋，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。腹板区格划分见图8。梁高与弯矩都较大的区格II可按式

(4-66)即验算。

区格II左边及右边截面的剪力分别为

%左：=1417.5-202.5x(7-3.65)=7373;%右=0

区格II截面的平均剪应力为

200x1.4

区格II左边及右边极面上的弯矩分别为

(7-3.64)2

左二1417.5x3.65—202.5x-------------=4017KN•m

2

M^=M^=53S6.5KN.m

M+M

区格II的平均弯矩为M=———险=4702KN・〃？

n2

IW力+〜丛Mi)'。4702x859000000。一、

区格的平均弯应力为bn=—―=-----------------------=85.IN/mnr

I4745484

由式4一61计算

4=0.807<0.85

%177V235

计算％

由于区格长短之比为3.64/1.2"°采用式（4-54b）计算:

&行底"36

因>1.2,则

85.113.2

将以上数据代入式4-66得+--=--0-.313<1.0（满足局部稳定要求）

16076.8

故在横隔板之间不必增设横加劲肋。

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

着该区格的场边重点应力也比较大，所以选取区格IV,按式（7-4）验算其场边中间的折算

应力。

面板区格IV在场边中点的局部弯曲应力：

5小=4b”,=±0・3xl95.2N//m?=±58.6N//m?

kPa20.5x0.061x11202

ry-------=+工±195.2N/〃加

myr2142

对应于面板区格IV在长边中点的主梁弯矩和弯应力：

（365、202.5xf7

M=202.5x7x7--+0.3--------------------=5050KN・m

I2）2

M5051000000

=9601N/rnnr

VV52552000

面板区格N的长边中点的折算应力:

吗=J+一巴式=+)=207.2N/mnv<a[cr]=248N/rnnr

七、上式中、和的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。故面板厚度选用14mm满足

强度要求。

八、横隔板设计

1-荷载及内力计算

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，并且把横隔板

作为支承在主梁上的双悬臂梁。则每篇横隔板在上悬臂梁的最大负弯矩为

4.42x9.8x4.42一=4.42

M=-------------x3.65x----=5\3KN，m

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2000mm14mm.上翼缘利用面板，下翼缘采用

300mm14mm的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度，按确定，其中b=3650mm«按，从表7—1

查得。则，取B=2000mmc

计算如图9所示的截面的几何特性

截面惯性矩:

,14x200()3

/=-------1-4x2000X3982+14X300X140524-14X2000x6092=32444220000/?w?

12

廿-e32444220000

截面模显W=-----------=22977492〃〃〃33

mi,n1412

M5130000002

(7-—22.3N/mm<

22977492

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.荷载和内力计算

纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹杆右置如图10所示，其结点荷载为

188.72/4=47.18KN.

杆件内力计算结果如图10（如右）。

3、斜杆截面计算

斜杆承受最大拉力N=97.4KN,同时考虑闸门偶人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L12512,查表得

斜杆计算长度％=0.9XV3.852+3.652=4.77/??

长细比兄=4~=±222=193.8<[4]=200

424.6

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%进行验算。

八、边梁设计

边梁的截面形式采用单腹式（图11）。

400

1、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,

2、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%作为考虑受扭影响的安

全储备。

3、荷教和内力计算

在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑块，其布

图11

置尺寸见图12

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=1417.5KN.

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：

1417.5X3.85=H252^

14.85

下滑块所受的压力：

/?2=2x1417.5-1125.2=1709.8A：/V

最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力。估计为300KN（详细计算见后）。在最大弯矩作

用的截面上的轴向力等于起吊力减去上滑块的摩阻力。该轴向力为：

^=300-7?,/=300-348x0.12=258.24KN

4、边梁的强度验算

截面面积A=1200x14+2x400x20=32800〃?而

20

、3

面积距Enax=20x400x600+—+600xl4x——=7400000/n/n

2J2

截面惯性矩

,14xl200320Y400x2034

/=--------+2x400x20x600H---+----------=7969866667/加4

12V2)12

ue7969866667,_.,..

截面模甲:W=----------=12854624"〃〃

620

截面边缘最大应力验算：

NM小2582401125200000

bmax=95.4N/mnr<0.8[cr]=l26N/nun1

AW3280012854624

腹板最大剪应力验算:

仆…1125200x74()0000

=74.6<0.8[r]=76A^/W

//1»•.7969866667x14

腹板和下翼缘连接处的折算应力验算:

N+j2阐竺1125200x7400000^600二92.6N/〃加

CT=一+

AWy328007969866667xl4620

1417500x400x20x610C一、

--------------------=62N/mtn~

7969866667x14

222

cyzh=V（T+3T=121.8N/mm<0.8[<T]=126A^/W

故以上验算满足条件，

九、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

设滑块长度为600mm,则滑块单位长度的承压力为

1709800

q=-------=2849.7N/tnm

600

根据上述q值由表7-2查得轨顶弧面半径R=200mm,轨头设计宽度b=40mm。

胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按式（7-13）进行验算：

2849.7"o/r

=104x------=392.6<=500N/mm2

200L)

选定胶木高40nlm,宽150mm,长