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文档简介
弧形钢闸门计算实例一、基本资料和结构布置1基本参数孔口形式:露顶式;孔口宽度:12.0m;底槛高程:323.865m;检修平台高程:337.0m;正常高水位(设计水位):335.0m;设计水头:11.135m;闸门高度:11.5m;孔口数量:3孔;操作条件:动水启闭;吊点间距:11.2m;启闭机:后拉式固定卷扬机。2基本结构布置闸门采用斜支臂双主横梁式焊接结构,其结构布置见图3-31。孤门半径R=15.0m,支铰高度H2=5m。垂直向设置五道实腹板式隔板及两道边梁,区格间距为1.9m,边梁距闸墩边线为0.3m;水平向除上、下主梁及顶、底次梁外,还设置了11根水平次梁,其中上主梁以上布置4根,两主梁之间布置7根。支铰采用圆柱铰,侧水封为“L”形橡皮水封,底水封为“刀”形橡皮水封。在闸门底主梁靠近边梁的位置设置两个吊耳,与启闭机吊具通过吊轴相连接。采用2500KN固定式卷扬机操作。本闸门结构设计按SL74-95水利水电工程钢闸门设计规范进行。门叶结构材料采用Q235,支铰材料为铸钢ZG310-570。材料容许应力(应力调整系数0.95):Q235第1组:=150MPa,=90 MPa; 第2组:=140MPa,=85 MPa;ZG310-570:=150MPa,=105 MPa。3荷载计算闸门在关闭位置的静水压力,由水平压力和垂直水压力组成,如图1所示:水平水压力:垂直水压力:式中: 故 总水压力:总水压力作用方向:所以 4面板弧长闸门门叶垂直高度为11.5m,支铰中心水平线以上弧形面板包角为 总水压力作用线上、下的弧长L上、L下分别为: 面板总弧长为L总为 L总=L上+L下=8.028+3.79=11.818(m)5主框架位置 根据等荷载原则,闸门上、下主梁与支臂组成的主框架平面布置应与总水压力作用线对称,使两框架受力均匀。两主梁之间的弧长为6.0m,上、下主框架之间的夹角为2,即所以 =11.459上、下框架与水平线的夹角(负号表示位于水平线的上方)为 二、结构计算(一)面板面板厚度按下列公式选,并按表1计算。 表1 面板厚度计算表 区格a(mm)b(mm)b/akyq(N/mm2)(N/mm2)(mm)1160019001.190.3830.00451.51504.4293019002.040.4970.01691.51505.7378019002.440.50.02581.51505.9473019002.600.50.03391.51506.3563019003.020.50.04131.41506.2680019002.380.4990.04941.51508.4778019002.440.50.05801.51508.9873019002.600.50.06581.51508.8968019002.790.50.07351.51508.71063019003.020.50.08071.41508.71163019003.020.50.08761.41509.11258019003.280.50.09421.41508.71348019003.960.50.10051.41507.41455019003.450.50.10731.41508.8注 主梁前翼缘宽度取100mm,次梁前翼缘宽度取70mm根据上有的计算结果,面板厚度选定为=10mm(二)水平次梁1荷载及内力水平次梁荷载按“近次取相邻间距和之半法”计算单位宽度荷载,见表2。表2 水平次梁荷载计算表顶次梁次梁底次梁1234567891011承载宽度(弧长)(m)0.4511.3250.9250.8250.7500.8750.8250.7750.7250.7000.6750.6500.395中心水压(kN/m2)2.110.321.029.537.353.361.869.877.384.391.197.5109.0水压力(kN/m)0.913.719.524.427.946.651.054.156.059.061.563.443.1全部次梁及顶、底次梁采用同一截面,按其中最大荷载的一根次梁(次梁11)进行计算。水平次梁按受均布荷载的六跨连续梁计算,其计算简图见图2。水平次梁参数为:q=63.4kN/m, =1.9m。最大支座弯钜:最大跨中弯距:最大剪力:2次梁支座处截面特性次梁选用20a,参数如下:A0=28.83cm2;d=0.7cm;I0=1780.4cm3,b=7.3cm,t=1.1cm。面板参数与次梁作用的有效宽度B=:根据查得=0.34,则B=0.3465=22.2(cm)次梁截面如图3所示,其截面特性为:A=122.2+28.83=51.03(cm2)Ay=122.20.5+28.83(10+1) =328.23(cm2)3.应力计算弯曲应力:剪应力:最大跨中挠度:(三)中部垂直次梁(隔板)中部隔板按两端悬臂简支梁计算,其计算简图见图4。1荷载及内力荷载 支座反力:剪力:弯距:跨中最大弯距位置: 解得 =2.9m 2截面特性(跨中截面)面板参与隔板作用的有效宽度查表得:,则B=0.671.9=1.28(m)又 根据以上计算结果选取面板有效宽度为60cm,隔板截面尺寸见图5,截面特性如下: 3应力验算弯曲应力: 剪应力(四)边梁边梁受力情况与中部垂直隔板相同,计算省略。(五)主框架1荷载上、下主框架对称于总水压力作用线布置,上、下主框架之间的夹角为2=22.918(=11.459,见前面的计算),则每个框架上的静水荷载为式中的1.1 为动载系数。主梁上的均布荷载为 下框架还承受启闭机的启门拉力,由于拉力相对比较小,在此先忽略不计。2框架内力(1)主梁断面初选。面板参与主梁作用的有效宽度(下主梁)为 查表得,所以B=0.95867=64cm。又所以面板有效宽度取B=64cm。主梁截面尺寸见图6,截面特性如下:(2)支臂截面初选(见图7)。支臂截面特性: (3)框架计算(图9) 所以 支臂扭角(图10) (4)框架内力。图11所示为主框架在水压力作用下的荷载示意图和弯矩图。根据前面计算,跨中均布荷载q=349.2kN/m。内力计算如下:3框架应力计算(1)主横梁:1)跨中截面应力。跨中截面正应力按下式计算: 前翼缘(受压):后翼缘(受拉):2)支座截面特性。面板参与主梁作用的有效宽度, 则 查表得,则 主梁支座截面尺寸如图11所示,截面特性:A=152+1.610+1.6120.8+1.635 =52+16+193.28+56 =317.28(cm2)Ay=520.5+161.8+193.2863+56124.2 =19186.64(cm3)I0=5260.02+1658.72+1.6120.82.52+5663.72+(1/12) 1.6120.82=705808(cm4)3)支座截面应力。正应力: 前翼缘(受拉):后翼缘(受压):剪应力:折算应力(靠后翼缘腹板高度边缘处):故 4)主梁局部稳定性计算。支座处: 所以,主梁支座处可以不配置横向加劲肋板。但为了支臂传力均匀,一般均按构造要求设置有横向肋板。跨中: 所以,跨中截面应设置横向加劲肋板,但由于该处剪力较小,考虑中部隔板作为横向加劲肋板,间距190cm1.5,只需按下式验算长边中点的折算应力:其中 其中为泊松比,=0.3。 又 所以 三、启闭力的计算闸门采用后拉式起吊形式,启闭机采用固定卷扬式启闭机。总水压力为P=7467.6kN,轴套采用ZQA19-4,阻力系数为0.3,阻力臂r0=0.155m,弯矩为侧止水采用L形弧形闸门橡皮止水,其摩擦系数为0.5,弯矩为门叶重量及阻力臂参数如下:面板G1=11000kg,力臂L1=15.0m;主梁、水平次梁及隔板等G2=24000kg,力臂L2=14.4m;支臂G3=25000kg,力臂L3=8.2m。1闸门闭门力的计算所以,闸门可以靠自重关闭。2闸门启闭力的计算总的阻力矩为式中:R2为启闭力轴线到支铰转动中心的垂直距离,R2=11.5m。启闭机容量选择为2500kN。四、闸门支铰的计算闸门支铰采用圆柱铰,轴径为310mm,铰链和铰座材料采用ZG31-570,轴采用Q275,轴套采用ZQA19-4。支铰受力简图见图13,图中Q为启门力的一半,Q=390kN,与垂直线夹角为20;G为闸门重量的一半,G=300kN;P为总水压力的一半,P=3733.8kN,与水平线夹角。1荷载计算 与水平线夹角: 所以 与水平线夹角: 所以 =5.798可以分解成垂直和平行于铰座底面的分力N、S:弧形闸门在启闭过程中,轴上作用的摩擦力矩M:2铰轴计算铰轴受力计算简图如图13所示。(1) 铰轴的弯曲应力:(2) 铰轴的剪应力: (3) 轴套的承压应力:(4) 轴承座的局部紧接承压应力:3铰链与支臂的连接计算斜支臂与铰链用粗制螺栓连接,由N、S、H对铰链支承板产生两个方向的偏心力矩所引起的螺栓拉力N1、N2:M1=NZ-HX=38730.73sin6.64-256.40.73cos6.64 =123.8(kNm)M2=SC=54.50.73=42.0(kNm)选用M36螺栓,截面面积A=7.88cm2,以一侧螺栓的最大受力为Nmax=N1+
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