水工刚结构潜孔式焊接平面钢闸门设计计算书.doc

水工刚结构潜孔式焊接平面钢闸门设计计算书一、 设计资料及有关规定：一、平面钢闸门设计 1.闸门形式：潜孔式平面钢闸门2.孔口尺寸（宽高）：4.5 m 5.5 m3.上游水位：40.5 m4.下游水位： 0.1 m5.闸底高程： 0 m6.启闭方式：电动固定式启闭机7.材料：钢结构：Q235-A.F；焊条：E43型；行走支承：滚轮支撑或胶木滑道；止水橡皮：侧止水和顶止水用P型橡皮，底止水用条型橡皮。8.制造条件：金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足级焊缝质量检验标准启闭机械：卷扬式启闭机9.规范： 水利水电工程钢闸门设计规范SL1974-2005二、拦污栅设计1.拦污栅型式：固定式平面拦污栅2.尺寸（宽高）：4.5 m 5.5 m3.水头：4 m二、闸门结构的形式及布置（一） 闸门尺寸的确定（图1示）1.闸门孔口尺寸：闸门高度h：5.5m荷载跨度L1：4.5m计算跨度L：4.9m2.计算水头：40.5-0.1=40.4m（二） 主梁的布置1.主梁的数目及形式 主梁是闸门的主要受力构件，其数目主要取决于闸门的尺寸。因为闸门跨度L=4.5m,闸门高度h=5.5m,L3时，a=1.4,则t=a=0.070现列表1计算如下：表1区格a(mm)b(mm)b/akPN/mm2t(mm)547.512252.2370.688 0.3430.48618.094582.512252.1030.4970.3500.41716.517582.512252.1030.4970.3570.42116.676582.512252.1030.4970.3640.42516.834582.512252.1030.4970.3710.42916.993582.512252.1030.4970.3780.43317.151582.512252.1030.4970.3850.43717.310547.512252.2370.6880.3920.51919.322根据上表计算，选用面板厚度t=20mm 。2.面板与梁格的连接计算已知面板厚度t=20mm ,并且近似地取板中最大弯应力max=160N/mm2,则p=0.0720160=224N/mm ,面板与主梁连接焊缝方向单位长度内地应力：T=面板与主梁连接的焊缝厚度：，面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度。四、水平次梁，顶梁和底梁地设计1.荷载与内力地验算水平次梁和顶，底梁都时支承在横隔板上地连续梁，作用在它们上面的水压力可按下式计算，即q=p现列表2计算：根据表2计算，水平次梁计算荷载取263.60kN/m，水平次梁为4跨连续梁，跨度为1.225m，水平次梁弯曲时的边跨弯距为: M次中0.077ql2=0.077263.601.2252=30.46kNm支座B处的负弯距：M次B0.107ql2=0.107263.601.2252=42.32kNm表2梁号梁轴线处水压力强度P（kN/m2）梁间距（m）（m）q=p(kN/m)1(顶梁)3430.3438117.920.68752（主梁）349.740.6875240.450.68753（水平次梁）356.480.6875245.080.68754（主梁）363.210.6875249.780.68755（水平次梁）369.950.6875254.340.68756（主梁）376.690.6875258.970.68757（水平次梁）383.420.6875263.600.68758（主梁）390.160.6875268.230.68759（底梁）396.900.3438136.452.截面选择W=mm3 考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选25a,由附录三表四查得：A=3491mm2 ; Wx=269597mm3 ; Ix=33696200mm4 ; b1=78mm ; d=7mm 。面板参加次梁工作的有效宽度分别按式711及式712计算，然后取其中较小值。 式：711 Bb1+60t=78+6020=1278mm ; 式：712 B=1b (对跨间正弯距段) B=2b （对支座负弯距段） 。 梁间距b= 。 对于第一跨中正弯距段l0=0.8l=0.81225=980mm ;对于支座负弯距段l0=0.4l0.41225490mm 。根据l0/b查表71： 对于l0/b980/687.51.425 得10.58 ，得B=1b0.58687.5399mm , 对于l0/b490/687.50.713 得20.32 ，得B=2b0.32687.5220mm ,对第一跨中选用B399mm,则水平次梁组合截面面积（例图4）:A=3491+39920=11471mm2 ;组合截面形心到槽钢中心线得距离：e=68mm ;跨中组合截面的惯性距及截面模量为：I次中33696200+3491682+3992035259614084mm4Wmin=对支座段选用B220mm，则组合截面面积：A=3491+22020=7891mm2 ;组合截面形心到槽钢中心线得距离：e=55mm支座初组合截面的惯性距及截面模量为：I次B33696200+3491552+2202035249646475mm4Wmin= 3.水平次梁的强度验算由于支座B处（例图3）处弯距最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即次说明水平次梁选用25a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，最大挠度发生在便跨，由于水平次梁在B支座处截面的弯距已经求得M次B42.32kNm,则边跨挠度可近似地按下式计算： 0.0002故水平次梁选用25a满足强度和刚度要求。五、主梁设计(一)设计资料1）主梁跨度：净跨（孔口净宽）L0：4.5m ；计算跨度L：4.9m ；荷载跨度L1：4.5m 。2）主梁荷载：3) 横向隔板间距： 1.225m 。4）主梁容许挠度： W=L/750 。（二）主梁设计1.截面选择（1） 弯距和剪力 弯距与剪力计算如下：弯距： 剪力： （2）需要的截面模量。 已知Q235-A.F钢的容许应力=160N/mm2 ,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力= 则需要的截面模量为： W= （3）腹板高度选择 按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为： 经济梁高： 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hec为小，但不小于hmin。现选用腹板厚度h0110cm 。(4)腹板厚度选择选用tw1.0cm 。(5)翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为下翼缘选用t12.0cm（符合钢板规格），需要取b140cm,上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的翼缘板同面板相连，选用t12.0cm，b116cm，面板兼作主梁上翼缘的有效宽度为：Bb1+60t16+602.0136cm 。上翼缘截面面积：A1=162.0+1362.0=304cm2 。(6)弯应力强度验算截面形心距：截面惯性距：截面抵抗距：上翼缘顶边 下翼缘底边 弯应力：安全表3部位截面尺寸（cmcm）截面面积A(cm2)各型心离面板表面距离y（cm）Ay（cm3）各型心离中和轴距离y=y-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分1362.0272.01.0272.0-30.7256357上翼缘162.032.03.096.0-28.726358腹板1101.0110.055.4609423.761786下翼缘402.080.0115.0920083.3555111合计494.015662899612（7）因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体稳定性，因梁高大于按高度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。2 .翼缘焊缝翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。Vmax1144kN,I0=cm4。上翼缘对中和轴的面积距：S1=272.051.0+32.049.0=15440cm3，下翼缘对中和轴的面积距：S2=80.063.05040cm3S1,需要角焊缝最小，。全梁的上下翼缘焊缝都采用hf12mm 。4.加筋肋验算闸门上已布置横向隔板可兼作横加劲肋，所以不需设置横向加劲肋。其间距a1.225m 。腹板区格划分见图2。5.取面板区格验算其长边点的折算应力 面板区格的长边中点的主梁弯距和弯应力该区格长边中点的折算应力 故面板厚度选用20mm满足强度要求 。六、横隔板设计1.荷载和内力计算 如图5所示水平次梁为4跨均布连续梁，R可看作它所受的最大剪力，由规范表查知：作用于竖直次梁上由水平荷载传递的集中荷载： 取qq次2.横隔板和截面选择和强度验算:腹板选用与主梁腹板同高，采用110010mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm8mm的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式B1b确定。查表得10.41 ，B=0.411225=502mm，取B500mm 。计算如下图所示截面几何特性截面型心到腹板中心线距离： 100mm截面惯性距： ，验算应力： 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hf6mm 。七、边梁设计边梁的截面形式采用单腹式，如图7，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 。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安全储备。1.荷载和内力计算在闸门每侧边梁上各设4个胶木滑块，其布置如图7： （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，每个边梁作用于边梁荷载为R1144kN（2） 竖向荷载有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，起吊力等。上滑块所受压力：，下滑块所受压力：， ,最大阻力为作用于一个边梁上的起吊力，估计为700kN，有N700kN进行强度验算， ,2.边梁强度验算截面面积 。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则算应力验算：， 。均满足强度要求八、行走支承设计胶木滑块计算：下滑块受力最大，起值为R2288kN，设滑块长度为350mm，则滑块单位长度承受压力由表7-2查得轨顶弧面半径R=300mm，轨头设计宽度为b50mm，胶木滑块与规定弧面的接触应力验算：。选定胶木高30mm，宽120mm，长350mm。九、胶木滑块轨道设计1. 确定轨道底板宽度轨道底板宽度按砼承压强度确定，查表得：砼允许承压应力为7N/mm2 ，则所需轨道底板宽度为： 取Bh470mm， 故轨道底面压应力： 2.确定轨道底版厚度轨道底板厚度按其弯曲强度确定，轨道底版的最大弯应力：轨道底板悬臂长度c102.5mm，对于Q235-A.F查表得100N/mm2 ，故：，故t50mm 。十、闸门启闭力和吊座验算1.启门力：T启1.1G+1.2(T2d+T2s)+Px G=0.022K1K2K3A1.34Hs0.639.8其中，A=3.53.5=12.25mm2 ,可查知：系数K1,K2,K3，均取为1.0 ，G=0.0221.01.01.012.251.3440.40.639.8= 63.6kN ，滑道摩阻力：止水摩阻力：因橡皮止水与钢板间摩擦系数f0.65， 橡皮止水受压宽度取为b0.06m，每边侧止水受压长度H5.5m ，侧止水平均压强：下吸力Px底止水橡皮采用I11016型，其规格为宽16mm，长110mm，底止水沿门跨长4.9m，根据规范SDJ1378，启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m2计算，则下吸力：故闸门启门力：2.闭门力：3.吊轴和吊耳板验算（1） 吊轴 采用Q235钢，由第二章表2-8查得=65N/mm2,采用双吊点，每边启吊力为：吊轴每边剪力：需吊轴截面积：由有：d取d100mm。（2） 吊耳板强度验算 按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按下式计算，查表2-8得Q235得cj=80N/mm2,t固在边梁腹板上端部的两侧各焊一块为60mm的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为3d3100300mm，吊耳孔壁拉应力计算：，吊耳板直径R=150mm,轴孔半径Y=40mm，由表2-8查得：k=120N/mm2，故孔壁拉应力：，满足要求。十一、拦污栅的设计 1 拦污栅的形式及构造 采用固定式拦污栅，放置方式采用垂直放置。拦污栅的形式见图10。 图10： 固定式拦污栅构造图 2 栅面结构 （1） 拦污栅的栅面由垂直放置的金属栅条互相连接而成，连接方式为焊接。每片栅条选用长5.5m，厚t=10，高h=100（见图11左）。一共用三块拦污栅，三块拦污栅在竖直方向连接，每块