弧形钢闸门计算实例.doc

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+