漏顶式平面钢闸门设计

1、漏顶式平面钢闸门设计一、设计资料闸门形式：溢洪道漏顶式平面钢闸门孔口净宽：10m设计龙头：5.8m结构资料：3号钢（q235）焊条：e43型止水橡皮：侧止水为p型橡皮，底止水为条形橡皮行走支承：采用双滚轮式，采用压合胶木定轮轴套，滚轮采用国家定型产品钢筋混凝土强度等级：c20二、闸门结构的形式及布置1、闸门尺寸的确定闸门高度：不考虑风浪所产生的水位超高，h=5.8m；闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：l1=10m；闸门的计算跨度：l=l0+2d=10+20.2=10.4m，其中，d为行走支承中心线到闸墩侧壁的距离。2、主梁的形式主梁的形式应根据木头和跨度大小而定，本闸门属于中等跨度，为了便于制造

2、和维护，决定采用实腹式组合梁。3、主梁的布置 由于l1.5h，所以采用双主梁式。为使两个主梁在合计水位时所受的水压力相等，两个主梁的位置应对称与水压力合力的作用线y=h/3=1.93m，并要求下悬臂a0.12h，且a0.4m，同时满足于上悬臂c0.45h，且a3.6m，今取a=0.7m0.12h=0.696m； 主梁间距：2b=2（y-a）=2（1.93-0.7）=2.46m； 则c=h-2b-a=5.8-2.46-0.7=2.64m0.45h=2.61m，且c3时,=1.55,则t=a(kp/(0.91.55160)(1/2)=0.067a(kp)(1/2).现列表计算如表1:表1区格a(m

3、m)b(mm)b/akp(n/mm2)kp(1/2)t(mm)i141025901.840.650.0080.0726.60ii101025902.560.500.0200.1016.63iii82025903.160.500.0300.1236.76iv71025903.650.500.0390.1396.61v65025903.980.500.0460.1526.63vi46025905.080.750.0530.1996.14注: 1、面板边长a、b都从面板与梁格的连接焊缝算起,主梁上翼宽度为140mm;2、区格i、iv中系数k由三边固定一边简支板查得。根据表1计算，选用面板厚度t=8m

4、m。2、面板与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p=0.07tmax计算,已知面板厚度t=8mm,并且近似地取板中最大弯应力max=160n/mm2,则:面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力:t=vs/2i0=4120006204300/21572850000=195n/mm由式(2-7)计算面板与主梁的焊缝度:hf=(p/1.22)2+t2)(1/2)/(0.7th)=(89.6/1.22)2+1952)(1/2)/0.7113=2.6mm面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=6mm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

5、隔板上的连接梁，作用在它们上面的水压力课塞纳式（2-8）计算，即q=p(a上+a下)/2现列表计算如表2:q=164.28kn/m表21(顶梁)0.30.030.7550.23214.81.481.30519.313（上主梁）25.91.131.0226.42434.80.910.84529.4542.40.780.77532.896（下主梁）500.770.67533.757（底梁）55.70.580.422.28根据上表计算，水平次梁计算荷载取32.89kn/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.6m，（如图）。水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为：m次中=0.077ql2=0.077*32.89

6、*2.62=17.12knm,支座b处的负弯矩为：m次b =0.107ql2=0.107*32.89*2.62=23.79knm2、截面选择w=m/=23.79*106/160=148688mm3考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选18a，由附录一表4查得：a=2569mm2,wx=141400mm3,ix=12727000mm4,b1=68mm,d=7mm.。面板参加次梁工作有效宽度分别按式（6-11）和（6-12）计算，然后取其中较小的值。式（6-11）bb1+60t= 68=60*8=548mm 式（6-12） b=1b（对于跨间正弯矩段）;b=2b （对于跨间正弯矩段）按5号梁计算，

7、设梁间距b=(b1+b2)/2=(770+780)/2=775mm。确定上式中面板的有效宽度系数时，需要知道梁弯矩零点之间的距离和梁间的距离i0 与梁间距b之比值。对于第一跨中正弯矩段，i0=0.81=0.8*2600=2080mm；对于支座伏弯矩段，取i0=0.41=0.4*2600=1040mm。根据i0/b查表2-1：对于i0/b=2080/775=2.684，得=0.802,则b=1b=0.802*775=622mm；对于i0/b=1040/775=1.342，得=0.382,则b=2b=0.382*775=296mm；对于第一跨中选用b=548mm，则水平次量组合截面面积（如图）：a

8、=2569+548*8=6953mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离:e=548*8*94/6953=59mm跨中组合截面的惯性矩及截面的模量为：i次中=12727000+2569*592+548*8*352=27040000mm4 wmin=12727000/149=181500mm2对于支座段选用b=296mm，则组合截面面积：a=2569=296*8=4937mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离：e=296*8*94/4937=45mm支座处组合截面的惯性矩用截面模量；i次b=12727000+2569452+2968492=23614793mm4wmin=23614793/135=17

9、4924mm23、水平次梁的强度验算由于支座b处弯矩最大，而截面模量较小，故只需要验算支座b处截面的抗弯强度，即：次=m次b/wmin=23.79106/174924=136n/mm2=160n/mm2说明水平次梁选用18a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，最大挠度发生在边跨，由于水平次梁在b支座处截面的弯矩已经求得m次b=23.79kn.m，则边跨挠度可近似地按下式计算：w/l=5/384ql3/ei次-m次bl/16ei次=532.89（2.6103）3/3842.061052704104-23.791062.6103/162.06

10、1052704104=0.000725w/l=1/250=0.004故水平次梁选用18a满足强度和刚度要求。5、顶梁和底梁顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度，所以也采用18a。底梁也采用18a。五、主梁设计（一）设计资料1）主梁跨度（如图所示）：净跨（孔口宽度）l0=10m，计算跨度l=10.4m，荷载跨度l1=10m；2）主梁荷载：q=82.42kn/m；3）横向隔板间距：2.6m；4）主梁容许挠度：w=l/600。（二）主梁设计主梁设计内容：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板局部稳定验算；面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。1、截面选择（1）弯矩与剪力m

11、max=82.4210/2（10.4/2-10/4）=1113kn.mvmax=ql1/2=82.4210/2=412kn（2）需要的截面抵抗矩已知q235号钢的容许应力=160n/mm2，考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力为=0.9160n/mm2=144n/mm2,则所需要的截面抵抗矩为：w=mmax/=1113100/1440.1=7729cm2（3）腹板高度选择按刚度要求的最小梁高（变截面梁）由式（2-14）为：hmin=1.15/24l/ew/l=1.15/2414410010.4100/2.06107(1/600)=100cm对于变截面梁的经济梁高，由式（2-16）有，h

12、e=2.8w2/5=2.877292/5=101cm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he为小，但不小于hmin。现选用腹板高度h0=100cm。（4）腹板厚度选择按经验公式计算：tw=/11=/11=0.91cm，选用tw=1.0cm=10mm。（5）翼缘截面选择每个翼缘需要截面为：a1=t/h0-twh0/6=7729/100-1.0100/6=61cm2根据钢板标准规格，下翼缘选用t1=2.0cm。需要b1=a1/t1=61/2.0=30.5,选用b1=32cm（满足在h/5h/2.5=2040cm之间）。上翼缘的部分截面面积可利用面板，故只需设置较小的上翼

13、缘板同面板相连，选用t1=2.0cm，b1=14cm。面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为b=b1+60t=14+600.8=62cm；上翼缘截面面积a1=142.0+620.8=77.6cm2。（6）弯应力强度验算主梁跨中截面（如图）的几何特征如表3：表三部位截面尺寸（cmcm）截面面积（cm2）各形心离面板y（cm） ay（cm3）各行心离中和轴距离y=y-y1（cm）ay2（cm2）面板部分620.849.60.419.8-49.2120064上翼缘142.028.01.850.3-47.863976腹板1001.0100.052.852803.21024下翼缘322.064.0103.86

14、64354.2188009合计241.611993373073截面形心距：y1=ay/a=11993/241.6=49.6cm；截面惯性矩：i=twh03/12+ay2=11003/12+373073=456406cm4；截面抵抗矩：上翼缘顶边wmax=i/y1=456406/49.6=9202cm4； 下翼缘底边wmiin=i/y2=456406/55.2=8268cm2；弯应力：=mmax/wmin=1113100/8268=13.46kn/cm20.916=14.4kn/cm2，安全。2、截面改变因主梁上翼缘直接同钢面板相连，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

15、高，故梁的挠度也不必验算。 图主梁跨度较大，为减少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少为h0s=0.6h=60cm，如图7所示。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，离开之承端的距离为260-10=250cm.。剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘部分别同支承边梁的副板及翼缘相焊接，故可按工字形截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何特性如表4。表4部位截面尺寸（cmcm）截面面积a（cm 2）各形心离面板距离ay（cm3）各形心离中和轴距离y=y-y1（cm）ay2（cm 2）面部部分620.849.60.419.8-30.044640上翼

16、缘142.028.01.850.3-28.622903腹板601.060.032.819682.4346下翼缘322.064.063.8408333.471396合计201.66121139285截面形心矩：y1=6121/201.6=157285cm截面惯性矩：i0=160/12+139285=157285cm4截面下半部分对中和轴的面积矩：s=6433.4+32.41.032.4/2=2662cm3 剪应力：=vmaxs/i0t=4122882/1572851.0=6.97kn/cm2=9.5kn/cm2,安全。3、翼缘焊缝翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。最大剪力vmax=41

17、2kn，截面惯性矩i=157285cm4。上翼缘对中和轴的面积矩：s1=49.630.0+2828.6=2289cm3;下翼缘对中和轴的面积矩：s2=6433.4=2138cm380, 故须设置横向加劲肋，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a=260cm.。腹板区格划分见图8。梁高与弯矩都较大的区格可按式（2-25）验算：=v/h0t区格左边截面的剪力v=412-82.42 (5-2.6)=214kn;该截面的弯矩m=4122.6-82.42 (5-2.6)2/2=833kn.m腹板弯曲压应力=my0/i=83310046.8/456406=8.5kn/cm

18、2=85n/mm2；(h0/100tw)2=85(100/100*1.0)2,查表2-4得=0.985由a/b=260/100=2.6查表2-3得20=0.655，2=0.655（100/1001.0）2=0.655；所以=214/1001.0=2.14kn/cm22=0.6550.98516=10.3kn/cm2,安全。故在横隔板之间（区段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h0=1/2(100+60)=80cm;因h0/tw=80.不必验算，故在梁高减小的区格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，

19、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 意味着该区格的长边中点应力也 较大，所以选取区格iv按式（2-4）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；max=kpa2/t2=0.50.039.7102/82=+154n/mm2mx=my=+0.3154=+46n/mm2;对应于面板区格iv的边长中点的主梁弯矩(如图5所示）和弯应力：0x=m/w=1043106/(9.202106)=113n/mm2;面板区格iv的长边中点的折算应力；zh=（my2+(mx-0x)2-my(mx-0x)1/2=(1542+(46-113)2-154(46-113)1/2=

20、196n/mm2a=1.55160=248n/mm2;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和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替代，并且把横隔板作为支承在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为：m=（2.6425.9）/2）2.462.64/3=74.0kn.m2、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1000mm*8mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm*8mm的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度按式b=2b确定，其中b=2600mm，按

21、l0/b=22640/2600=2.031,从表2-1查得有效宽度系数2=0.51，则b=0.512600=1326mm，取b=1300mm。截面几何特性：截面形心到腹板中心线的距离；e=（13008504-2008504）/（13008+2008+10008）=222mm截面惯性矩 i=810003/12+810002222+82007262+813002822=273131104mm4截面抵抗矩wmin=273131104/730=3741500mm3验算弯应力 =m/wmin=74.0106/3741500=19.78n/mm2 由于横隔板截面高度较大，剪切强度不必验算，横隔板译缘焊缝采

22、用最小焊缝厚度hf=6mm七、纵向联结系设计1荷载和内力计算纵向连接承受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶自重按表十一计算：g=kzkckgh1.43b0.889.8=1.01.00.135.81.43100.889.8=119.4kn下游纵向联结系承受0.4g=0.4119.4=47.8kn纵向联结系视作简支的平面桁架，其桁架腹杆布置见图所示：其节点荷载为：47.8/4=11.95kn杆件内力计算结果如图所示 。2.斜杆截面计算斜杆承受最大拉力n=25.35kn ，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，谷长细比的限制应与压杆相同，即 =200选用单角钢1008，有表三查得：截面面积：a=15.6c

23、m2=1560mm2：回转半径：i=1.98cm=19.5mm ；斜杠计算长度：l=0.92.642+2.642+0.42=3.63m 长细比：=l0/iy0=3.63103/19.8=183.4=200验算拉杆强度：=25.35103/1560=16.25n/mm20.85=133n/mm2上式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.斜杠与节点板的连接计算（略）八、 边梁设计边梁的截面型式采用双腹式，如图所示，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动，下翼缘宽度不宜小于300mm边梁是闸门的重要受

24、力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力降低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没侧边梁上各设两个滚轮。（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。每根主梁作用于边梁的荷载为r=412kn。（2）竖向荷载有闸门自重、滑到摩阻力、止水摩阻力、起吊力等。上滚轮所受的压力r1=421kn；下滚轮所受的压力r2=412kn；最大弯矩mmax=4120.7=288.4kn.m最大剪力vmax=r1=412kn；最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为200kn（详细见计算后）。在最大弯矩作用在

25、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n=200-r1f=200-4120.12=150.56kn。2、边梁的强度验算截面面积：a=50020+210600+210020=2600mm2面积矩：smax=50020238.5+210238.52/2= 2907122.5mm3形心矩上翼缘顶端：e=5002010+260010320+210020630/26000=248.5mm截面惯性矩：i=50020238.52+2（106003/12+6001071.52）+100220（610-238.5）=1572338500mm4截面抵抗矩：w=i/371.5=4232405mm3

26、截面边缘最大应力验算：max=n/a+mmax/w=150.6103/26000+288.4106/4232405=73.9n/mm20.8=128n/mm2腹板最大剪应力验算：=vmaxsmax/itw=41210320907122.5/1572338500102=381.5n/mm20.8=76n/mm2腹板与下翼缘连接出折算应力验算：max=n/a+mmax/w.y/y=5.8+68.1351.5/371.5=70.3n/mm2=vmaxsi/itw=412103210020（610-228.5）/1572338500102=20.0n/mm2zh=78.40.8=128n/mm2以上验

27、算均满足强度要求。九、行走支承设计行走支承采用双滚轮式，滚轮安装于边梁的双腹板中间，为减小滚动摩擦力，采用压合胶木定轮轴套：滚轮采用国家定型产品。定型滑轮：轮轴为zg230-450，压合胶木轴套：主要尺寸：外径d=600mm，轮轴d=120mm，轮厚240mm。十、闸门启闭力和吊座计算1、启闭力计算根据式（2-44）有，t启=1.1g+1.2（tzd+tzs)+px,其中自重g=119.4kn，tzd=(f1r+fk)w/r,f1为压合胶木轴间的摩擦系数f1=0.2,w为水压力w=h2/2=9.8*5.82*10/2=1648.36kn，滚轮半径r=300mm，轮轨摩擦系数为fk=0.1cm，

28、滚轴半径r=60mm,则：tzd=1648.36*103/0.3*(0.2*0.06+0.1*10-2)=66.25kn止水摩擦阻力：tzs=2fbhp查表可知，橡皮止水与钢板间摩擦系数f=0.65，橡皮止水宽b=0.06m,则tzs=2*0.65*0.06*9.8*5.82/2=12.9kngj=50kn，为附加重量。下吸力px：根据规范，启门时闸门底缘平均下吸强度为20kn/m2,则px=20*10.4*0.016=3.3kn所以t启=1.1*119.4+1.2*（66.25+12.9）+3.3+50=280kn2、闭门力计算t闭=1.2（tzd+tzs)-0.9g+pt上托力pt=hdb

29、,其中d为受托厚度，其值为底止水与面板总厚度之和，即d=16+8=24mm，b=10.0m，则pt=9.8*5.8*24*10-3*10.0=13.6kn故，t闭=1.2*（66.25+12.9）-0.9*119.4-13.6=1.12kn为确定闸门在自重作用下关闭，附加gj=50kn的附加重量。3、吊轴和吊身验算：（1）叼轴p=1.2*t启/4=1.2*280/4=84kn吊轴剪力v=p/2=42kn所以a=v/=42*103/65=646.2mm2,又a=d2/4=0.785d2所以da/0.7851/2=28.7mm,d=60mm(2)吊耳板厚t=p/dj=84*103/60*80=17.5mm,则在边梁的腹板上部内外两侧各焊一块厚度为10mm的加强板，3d=3*60=180mm。吊耳壁拉应力验算式：k=cj*(r2+r2)/r2-r20.8k又cj=p/td=84*103/20*60=70mm吊耳板半径取r=90mm,r=30mm,k=120n/mm2所以k=70*（902+302）/902-302=87.5n/mm20.8*120=96n/mm2,满足强度要求。钢结构课程设计任务书课程名称：钢结构课程设计课程代码：we472b学 分：1学分周 数：1周一、 设计