露顶式平面钢闸门孔口净宽m设计水头mDOC

1、露顶式平面钢闸门设计、设计资料闸门形式：露顶式平面钢闸门;孔口净宽：10.00m设计水头：5.50m结构材料：Q235;焊条：E43;止水橡皮：侧止水用P型橡皮，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;闸门结构的形式及布置（1）闸门尺寸的确定（图1）。1）闸门高度：考虑到风浪产生的水位超高为0.2m，故闸门高度=5.5 + 0.2=5.7 （m）；2）闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：Li = 10m；3)闸门的计算跨度：L = L0+ 2d = 10 +20.2 = 10.4(m)；图1闸门的主要尺寸图（单位：m）(2) 主梁的形式。主梁的形式应根据水头的大小和跨度

2、的大小而定，本闸 门属于中等跨度，为了方便制造和维护，决定采用实腹式组合梁。(3) 主梁的布置。根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。为使两个主梁设 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合力作用线 yH/3 : 1.83今取(图1)并要求下臂梁a_0.12H和a_ 0.4 。上臂梁c乞0.45H,a =0.63 :- 0.12H =0.66(m)主梁间距2b =(y-a) =2 1.2 =2.4(m)则C =H -2b-a =5.5-2.4-0.63 =2.47(m)0.45H (满足要求)(4) 梁的布置和形式。梁格采用复式布置和等高连接，水平次梁穿过横隔其间距应上疏下密，使

3、面板上的预留孔并被横隔板所支承。 水平次梁为连续梁,板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置具体尺寸如(图2)所示。边梁水平次梁顶梁胶木滑块主梁水平次梁主梁底梁260026002600260010400横向隔板横梁水平次梁0主梁图2 梁格布置尺寸图(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2.35m横隔板兼作竖直次梁。2）纵向连接系，设在两个主梁下的翼缘的竖平面内。采用斜杆式桁架（6）边梁与行走支承。边梁采用单复式，行走支承采用胶木滑道。三、面板设计根据水利水电工程钢闸门设计规范（SL 74-95），关于面板的计算，先估算面板的厚度，在主梁截面选择之后

4、再验算面板的局部弯曲与主梁弯曲的折算 应力。（1）估算面板厚度。假定梁格布置尺寸（图2）所示。面板厚度按式t 11 kp计算0.9。k J1 kp当b/a 3 时，a =1.4，则 t = a=0.07 a Jkp10.9父1.4乂160现列表1进行计算。表1面板厚度的估算区格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm)J kpt(mm)I128025902.020.6850.00630.0665.745II111025902.330.4990.01800.0957.171iii82025903.160.5000.02740.1176.716IV74025903.500.5000.03510.1

5、326.838V59025904.390.5000.04160.1445.947VI54025904.800.7500.04710.1887.106注1、面板边长a、b都从面板与梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽为140mm （详见后面）2、区格I、VI中的系数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 = 8 mm。（2）面板与梁格的连接计算。面板局部绕曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力P按式P =0.07t；max计算，贝UP =0.07t二 max = 0.07 8 160=89.6 N /mm面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力VS21。370500 570 8 28

6、12 1270000000= 187 N / mm由式hf 一 P2/（0.7丨/）hf = . P2 T2/0. J - 89.62 1872 / 0.7 115 = 2.58 mm面板与梁格连接焊缝取其最小厚度 hf =6mm。梁号梁轴线处水压强度p（kN/m2 ）1顶梁211.863上主梁23.62432.54540.386下主梁47.047底梁52.92梁间距（m1.200.910.800.680.61.36a上+ a下a上十a下q =q-22（kN/m）（m）2.131.2815.181.05524.920.85527.820.7429.880.6430.110.37519.85R1

7、0.15 FT顶梁荷载按下图计算1.21 11.86 1.21x3 =2.13 kN/m1.3611.86KN/m1.2m1.3m四、水平次梁、顶梁和底梁的设计表2水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算(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,a上 a下作用在它们上面的水平压力可按式q = p计算。2列表2计算后得 q =149.89kN/m根据 表2计算，水平次梁计算荷载取30.38kN/m,水平次梁为四跨连续梁, 跨度为2.35m (图3)。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为M次中工0.077ql2 =0.077 29.88 2.62 =15.55 kN *m支座B处的弯

8、矩为M 次 B =0.107ql 0.107 29.88 2.62 =21.61 kN mq=29.88KN/mf JH! m n t ! n n! 1H ! I n W 1f n n f! tj1ABCDE1M次支M次中/ /Ai b11CD、I E图3水平次梁计算简图和弯矩图(2) 截面选择。21.61106160= 135062 mm3考虑到利用面板作为次梁截面的一部分，初选18a由附表6.3查的:234A = 2569mm； Wx = 141400mm ； Ix = 1272700mm ； b=68mm;d=7mm。面板参加次梁工作有效宽度分别按式 B2c及式B= b或B= 2b (其

9、中b = bi b2 /2）计算，然后取其其中较小值B _ bl 60t = 68 60 8 = 548 mmB= ib （对胯间正弯矩段）B= 2b （对支座负弯矩段）按5号梁计算，设梁间距b=（b+b2y2=（800+680）/ 2 = 740（mm）。确定式中面板的有效宽度系数时，需要知道梁弯矩零点之间的间距I。与梁间距b比值。对于第一跨中正弯矩段取1。= 0.81=0.8 2600 = 2080 mm。对于支座负弯矩段取 l0 = 0.41 =0.4 2600=1040mm 。表3面板有效宽度系数1和2L/b0.51.01.52.02.5345681012芒10.200.400.580

10、.700.780.840.900.940.950.970.981.00J0.160.300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92根据L0/b查表3,得对于 L0/b = 2080/740= 2.81，得 = 0.876，贝 UB=b= 0.876 740 二 648.24 mm ;对 于L0/b = 1040/740 = 1.41，得 = 0.396，贝U B=0.396 740 =293.04 mm31对第一跨中选用B=548mm，则水平次梁组合截面面积 （图4）为14959匚18a图4面板参加水平次梁工作后的组合截面A = 2569 548 8 =

11、6953 mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离为=59 mm548 8 94 e =6953跨中组合截面的惯性矩及截面模量为I次中=12727000 2569 592 548 8 35 27040000mm42704000/2 Wmin181500 mm149对支座B = 273 mm，则组合截面面积为A = 2569 293.04 8 =4913.32 mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离为293.04 8 94e 二4913.32支座处组合截面的惯性矩及截面模量为I 次b =12727000 2569 452 293.04 8 49 23557937 mm4w 23557937 “ci 2

12、XWmin174503 mm135（3）水平次梁的强度验算。由支座B（图3）处弯矩最大，而截面模量最小， 故只需验算支座B处的截面的抗弯强度，即=M 次b = 21.61_1 = 123.84 N / mm2 ： U - 160N / mm2 Wmin174503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=21.61kNm，则边跨 挠度可近似地计算为v _ q|2 _ M次bIl 一 384 El 次 _16EI 次5x29.88U2.6x103 3

13、21.61X06 乂 2.6S03_54 54384 2.06 105 2704 104 16 2.06 105 2704 104= 0.0005910.004_l 250故水平次梁选用18a满足强度和刚度要求。（5）顶梁和底梁。顶梁所受的荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度，所以也采用18a。底梁也采用18a。五、主梁设计（1）设计资料。1）主梁跨度（图5）;净跨（孔口宽度）L。=10m ，计算跨度L = 10.4m,荷载跨度J =10m ；侧止水T主梁面板厂- -横向隔板胶木滑道L0=10IL=0.4一2m0.2m宀隔74 2m5 5L=i0q=P/2=74.1kN3

14、8 1 =00/L=0.4m36 o2）主梁荷载:图5 平面钢闸门的主梁位置和计算简图二 74.1kN / m3）横向隔板间距：2.6 ；4）主梁容许挠度-L/550（2）主梁设计。主梁设计包括：。截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；C4） 腹板局部稳定验算；O5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。弯矩与剪力计算如下Mmax 二74.1 10X竺000 kNm.24Vmax 二也二1 74.1 10 =370.5 kN2 2需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力卜I-160N / mm2，考虑钢闸门自重应力引起的附加应力作用，取容许应力为I- 0.9 160 = 144N/m

15、m2 , 则需要的截面模量为W =豁 二 1000 100 = 6944 cm3144 0.1腹板的高度选择。按高度要求的最小高梁（变截面梁）为hmin =0.96 0.23 L0.96 0.23 144 10 7 10.4 10 = 88.3 cmEl /U2.06 1071/550经济梁高 hec =3.1W2/3.1 69442/5 =106.7 cm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 小,但不小于hmin。现选用腹板高度h0 = 90cm 。腹板厚度选择。按经验公式计算:t h/11 二一 90/11 =0.86cm，选用t严:-1.0cm。翼缘截面

16、选择。每个翼缘截面为_ w t h069446 一 90ho二 62 cm26下翼缘选用t2.0cm （符合钢板规格）需要 = A /1| = 62/ 2.0 = 31cm，选用 d = 32cm （在40 20cm 之2.55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缘板同面板相连，选用 t 2.0cm， b1 = 14cm。面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为B F 60 =14 60 0.8 = 62 cm上翼缘的面积为A =14 2.0 62 0.8 = 77.6 cm2弯应力强度验算。主梁跨中截面（图6）的几何特性见表3。截面形心矩为10375.4231.6=44.8 c

17、m截面惯性矩| 虹 Ay2 工1 空 304025 =364775 cm4 12 12截面模量：上翼缘顶边Wmin 二丄二 364775 =8142.3 cm3y144.8F翼缘底边WminI _ 364775y250二 7296 cm3弯应力MmaxWminJOOO 100 =12.6 kN/cm2 :：: 0.9 114.4 kN / cm2 安全 7296表3主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸fmXcm ）截面面积Am2 ）各形心离面板表面距离y gm ）Ay fm3 )各形心离中和轴距离y二y _y1Ay2fm4 )面板部分62 X0.849.60.419.8-44.497779上翼缘

18、板1O；2.028.01.850.4-4351772腹板90 X1.09047.843023810下翼缘32X2.06493.86003.249153664合计231.610375.4304025整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按设计规范规定，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，故梁 的挠度不必验算。2）截面改变。因为梁跨度较大，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 h； = 0.6h0 = 54cm （图7）梁高开始改变的位置去载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 260 - 10 = 2

19、50 cm图7主梁支承端截面图图8主梁变截面位置图截面形心距5378.6y127.5 cm195.6截面惯性矩31 5434I0113965 =127087 cm剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支承边梁的腹板及翼 缘相焊接，故可按工字形截面来验算剪应力的强度。主梁支承端截面的几何性质 见表4。表5主梁端部截面的几何特性部位截面尺寸（cm xcm ）A (cm2 )y(cm )Ay (cm3 )y=y _w(cm)Ay2(cm4 )面板部分629849.60.419.8-27.136427上翼缘板142228.01.850.4-25.718494腹板54x1.05429.8160

20、9.22.3286下翼缘32x2.06457.83699.230.358758合计195.65378.611396512截面下半部对中和轴的面积矩29 3 八S 4 30.3 29.3 1.02368 cm剪应力yn3705 竺=6.9kN/cm2 ： !. l-9.5kN/cm2 安全 lot.127087 1.03 ）翼缘焊缝。翼缘焊缝厚度（焊脚尺寸）hf按受力最大的支承端截面计算。最大剪应力Vmax =370.5kN，截面惯性矩I。= 127087cm4上翼缘对中和轴的面积矩S =49.6汉 27.1 +28汉 25.7 = 2064cm3 )F翼缘对中和轴的面积矩S2 =64 30.3

21、 = 1939 cm3 : 3需要hf迸370.5 20640.374 cm1.41。-丨 1.4 127087 11.5角焊缝最小厚度hf _1.5、t -1.5 、20 =6.7 cm全梁的上、下翼缘焊缝都采用hf =8mm4）腹板的加劲肋和局部稳定验算。加劲肋的布置：因为90 80，故需设置横向加劲肋，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。腹板区格划分如 （图8）所示。梁高与弯矩都较大的区格II可按式Q Mcr f +（i/j f +dc/crc割兰1验算:区格II左边及右边截面上的弯矩分别为Vii左=370.5-74.15-2.6 =

22、192.7 kN ； VH右二 0区格II截面的平均剪应力= 1.07 kN/cm* 2 =10.7 N/mm2(Vii 左 Vii 右)/21927/2h0t90 汇 1.0区格II左边及右边截面上的弯矩分别为M II左= 370.5 2.6 74.12(5-2.6)2= 713 kN m2M II 右=M max =1000kN * m区格II的平均弯矩为Mii713 10002= 856 kN *m区格II的平距弯应力为M II y0I856 420 106= 98.6 N /mm364775 10计算crh0/t .17790/1.0235177235二 0.51 ： 0.85；cr

23、-160N / mm2h0 /1041,5.34 4 h0/a 2计算cr，由于区格长短边之比为2.35/0.9 1.0 ，则一単竺J空=0.941. 5.34 4 90/260 2235贝 Ucr = 10.59 s -0.8 I! I - 1 0.59 0.9 - 0.8 丨 95 =89.4 N/mm2将以上数据代入公式 +1-+电却有cr 丿I 可 cr 丿 口 ccr/、3/、296.27=0.22 0.01 =0.23： 1.0 （这里无局部压应力）。16089.4满足局稳要求，故在横隔板之间（区格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h。=

24、90 54 / 2 = 72 cm，因h。 . = 72，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，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（图2）按式 ；zh“吮，my Fx 2 imy ；mx X（其 中 二血一七 my ，Cmy二kyPa2/）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为mykpa2720.5 0.04 74082= 171 N/mm2；my 二 3 my 二-0.3 171= -51 N / m?对应

25、于面板区格IV在长边中点的主梁弯矩（图5）和弯应力为2M =74.2 4.5 3.9 -74.1 3.3=764 kN *m6M 764 10W 8.142 102= 118 N / mm-zh二 0x面板区格IV的长边中点的折算应力为0x2 2=叩7151-118-17151-118= 213 N/mm2 ：1.111.5 16248 N/mm2上式中二my、二mx和二0x的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。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以及面板传来的分布荷载，计算时可把这些荷载用以

26、三角形分布的水压力来代替 （图1），并且把横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂 梁。则每片横隔板在上悬臂的最大弯矩为M =2.4723.6 汉2.6汉247 =62.4（kN m）23（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900m 8mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm 8的扁钢。上翼缘可利用面 板宽度按 8= 2b确定，其中 b=2600mm,按l0/b = 2 2470“ 26000 = 1.9 1,从 表 3查得有效宽度系数 2 =0.5，贝U B =0.5 2600 = 1300mm，取 B = 1300mm计算如（图9）所示的截面几何特性。图9横隔板截面图截面

27、形心到腹板中心线的距离为1300 8 454 -200 8 454 e 1300 8 200 8 900 8=208 mm截面惯矩为38 900122 2 28 900 2088 200 6588 1300 242= 209931 104 mm4截面模量为Wmin4209931 10658 8= 3152117 mm3验算弯应力为M 62.4 106Wmin 一 3152117= 19.8 N/mm2 :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hf =6mm。选用单角钢L100 8,由附录三表二查得七、纵向连接系设计（1）荷载和内力计算。纵向连接系承受闸门自重

28、。露顶式平面刚闸门门叶自重G按附录10中的式G = KzKcKgH1.43B0.88 9.8kN计算G 二 KzKcKgH1.43B0.88 9.8kN= 0.81 1.0 0.13 5.51.43 100.88 9.8 =89.6 kN下游纵向连接系承受 0.4G =0.4 89.6 =35.84 kN纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如（图10）所示，其结点荷载为=8.9kN ）杆件内力计算结果如（图10）所示。（2） 斜杆截面计算。斜杆承受做大拉力N = 19kN，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即，I J-200。图10纵向连接系计算图截面

29、面积2 2A = 15.6cm1560 mm回转半径iy0 = 1.98cm = 19.8mm斜杆计算长度= 0.92.62 2.620.42 = 3.33 m长细比103.乜=168.2丄 20019.8iy0验算拉杆强度319 10= 12.2 N/mm2 ： 0.85.1 -133 N/mm21560考虑到单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低 15%进行计算。（3）斜杆与结点板的连接计算（略）。八、边梁设计边梁的截面形式采用单腹式（图11），边梁的截面尺寸按构造要求确定， 即截面高度与主梁端高度相同，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

30、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%乍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两个胶木滑块。其布置尺寸 见（图12）300t上主梁作用力370.5KN下主梁作用力370.5KN295 KN180 KN mR1m0R2图11边梁截面图图12边梁计算图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R =370.5。2 ）竖向荷载。有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、启吊力等。上滑块所受的压力r = 370.52.39 =295

31、kN3.0下滑块所受的压力R2 =741 -295 = 446 kN最大弯矩M max - 295 0.61 = 180 kN * m最大剪力Vmax 二 R = 295 kN最大轴向力为作用在一个边梁上的启吊力，估计为200kN （详细计算见后 面）。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于启吊力减去上滑块的摩阻力，该轴 向力 N =200 Rf =200295汉0.12=164.6(kN )。（2）边梁的强度验算。截面面积A =550 10 2 300 113900 mm2面积矩Snax =14 300 282 10 275 137.5 = 1562525 mm3截面惯性矩10 5502 300

32、 14 2822 =806647433 mm412截面模量W = 806647433 =2791168 mm3289截面边缘最大应力验算= 11.84 64.49 139002791168a =N+Mmx = 164.63 J80。6max= 76.33 N/mm2 ：0.8卜丨-0.8 160 =128 N/mm2腹板最大剪应力验算VmaxSmax 295 10 1562525Ir -806647433d0CO=57 N / mm2 ：0.8!丨-0.8 95= 76 N/mm2腹板与下翼缘连接处折算应力验算二 N Mmax y 11.84 64.49 匹二 73.2 N / mm2A W

33、y289= 43.3 N/mm2VmaxS 295 103 300 14 282It一 80.6647433 107 10CuGh -；23.2 = ；73.223 43.32= 105 N/mm2 0.8丨-0.8 160 =128 N/mm2以上验算均满足强度要求九、行走支承设计胶木滑道计算：滑块的位置如（图12）所示，下滑块受力最大，其值为R2 =446kN。设滑块长度为350mm,则滑块单位长度的承压力为3=1274( N/m)446 10350根据 表2查得轨顶狐面半径R = 150mm,轨头设计宽度为b = 35mm胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按式 二max =104. R乞X 1

34、进行验算二 max= 104 q 104 1274R 150= 303N/mm2，j】=500N/mm2选定胶木高30mm，宽120mm，长350mm。十、胶木滑块轨道设计（图13）（1）确定轨道底板宽度。轨道底板宽度按混凝土承压强度确定。根据C20混凝土附录十表二查得混凝土的容许承压应力为t J=7N/mm2，则所需的轨道底板宽度为Bh= 182 mm 取Bh = 200mm故轨道底面压应力为12742002=6.37 N / mm2qIbR=15082.535亠82.5_B k=200图13胶木滑块支承轨道截面图（2）确定轨道底板厚度。轨道底板厚度按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力为一；=362式中轨道底板的悬臂长度c =82.5mm,对于Q235钢，查得 I -100N/mm2故所需轨道底板厚度为3 6.37 82.52100=36 mm 取t = 40mm卜一、闸门启闭力