钢闸门潜孔式

1、课程名称：水利水电工程钢结构课程计课程代码:8203281题目：潜孔式平面钢闸门设计学生姓名:刘攀学号: 312011080801120年级/专业/班:2011 级水利水电1班学院（直属系）:能源与环境学院指导教师:徐良芳1设计资料2闸门结构的形式及布置3面板设计4水平次梁、顶梁和底梁的设计5主梁设计 6横隔板设计7 纵向连接系8 边梁设计9 行走支撑设计10 滚轮滑道设计11 闸门启闭力和吊耳计算一、设计资料及有关规定1，闸门形式：潜孔式焊接平面刚闸门。2, 孔的性质：深孔形式。孔口尺寸（宽X高）10mX 8m上游水位：38®下游水位:0.1m；闸底高程： 0m。3, 材料：钢材

2、Q235-A.F焊条E43;手工电弧焊；满足川级焊缝质量检验标准。止水：侧止水和顶止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮行走支承：滚轮支承。砼的强度等级：C20启闭机械：卷扬式启闭机。4, 规范：水利水电工程钢闸门设计规范 SL1974-2005二，闸门结构的形式及布局。（一）闸门尺寸的确定（图一示）1, 闸门的孔口尺寸:孔口净跨：10m孔口净咼：8m闸门高度：8.4m。闸门宽度：10.4m。计算跨度：10.4m。荷载跨度：10m（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。因为闸门跨度为10 .4m，高度为8.4m。所以采用3根主梁，决定采用实腹式组

3、合梁。2, 主梁的布局本闸门为高水头的深水闸门，孔口尺寸较大，所以主梁的位置俺上疏下密布置。设计时按最下面的那根受力最大的主梁来设计，个主梁采用相同 尺寸。3, 梁格的布置及形式梁格采用复式布置与打等高连接,水平次梁穿过横隔板所支承。水平梁伟连续 梁,间距应上疏下密,使整个区格需要的厚度大致相等,布置如图2示。4 ,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6道横隔板，其间距为1.486m,横隔板兼 作竖直次梁。2、纵向连接系：设在四个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。5 边梁与行走支承边梁采用双腹式，行走支承采用滚轮支承梁格布局尺寸图三，面扳设计根擔钢闸门设计规範5叮一

4、73(试行)关于面板的设计，先估算面板厚度在王梁截 面选择以后再验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。L估算面板厚度假定梁格布置尺寸如图2所示。面板厚度按下式计算怦珂er当 b/a<3 时，a=l. 65,则 T=a Jkp=0. 065a 0x1.65x160当 b/a3 时，55,则 t二連 J切二0. 067a0.?xl55xl6fiwk四边固定矩形弹性薄板在支承长边中点的弯应力系数，第1和10区格按附录九表3查得，其余区格按附录九表2查得。p面板计算区格中心的水压强度(p=Y hg=0.0098h N/mm2 )丫一水的密度，一般淡水取 10KN/?h区格中心的水头，单位m

5、 a、b面板的短边和长边的长度区格a (no)b (nan?b/7 kp(IL/id 時)kp1t (mm)113002. S30. 750. 29414.249613002.620.50. 298H 38&13. 023349013002. 650. 50. 3CISQ* 38912.448513002-680.50. 308% 39312. 95】548513002. 680. 50. 313(1 39613. osiG4S513002. 680. 50. 313Ct 39813.14；748513002. 680. 50. 3220. 40113. 24iS4S513002. 6

6、88 50. 327匸40413. 33948013002.710.50. 332(1 40713. 29j1045013002. £96 50. 336% QQg12. 551144513002.920.50. 3410 41312. 4811244513002. 926 50.昭5<X QI 512. 57j1344513002.920. 50.昭90. 41812. 6511444513000*50. 3548 42112. 72-1544513002. 920. 50. 3580. 42312. ai1640013003.25仇50. 3&20. 42&

7、115耐1740013003.250. 50.託&0. 42811.1837413003. 48Q, T50.阳9% 52713,诃根据上表计算，选用面板厚度t=15mm2, 面板与梁格的连接计算已知面板厚度t=15mm并且近似得饿取板中最大弯应力c max=c =160N/mnl则P=0.07tc max=0.07X 15X 160=168( N/mm)面板育主梁连接焊缝方向单位长度内的剪 力2550KN 10=27059202crn; S=266X 3.6 X 64.1 = 61382 cm 3T = VS/210 = 5395.5 X 61382X 100/( 27059202

8、X 2) =611N/mm面板与主梁连接的焊缝厚度:hf=334.3 / 0.7 x 113=4.2mm面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度hf=5mm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=p2刀 q = 2639.2kN/m根据上表计算，水平次梁计算荷载取157.94 kN/m,水平次梁为8跨连续梁，跨度为1.3m （如图3）。水平次梁弯曲时的边跨中弯距为：M 次中=0.078ql 2=0.078 x 157.94 x 1.3 2 =20.8kN? mM次支=0.105ql 2=0.105 x

9、 157.94 x 1.3 2 =28.0kN? m2. 截面选择3W=28.0x 1000000160=175000mm3考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选18a,由附录三表四查得:2 3 4A=2659mm2 ; W x=141400mm3 ; I x=12727000mm4 ; b1=68 mm ；d=tw=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：711B< b1+60t=68+60X 15=968mm ;式： 712B=Z 1b （ 对跨间正弯距段 ）B=Z 2b （对支座负弯距段） 。梁间距 b=（400+445） 2

10、=422.5 mm。于第一跨中正弯距段I o=O.8l=O.8 X 1300=1040mm ;对于支座负弯距段I 0=0.41 = 0.4 X 1300=520mm。根据 l 0/b 查表 71：对于 l°/b = 1040/422.5 = 2.462 得 Z 戶0.77，得 B=Z ib= 0.77 X 422.5 = 325mm对于 IMb = 520/422.5 = 1.231 得 Z 2= 0.40，得 B=Z 2b= 0.40 X 422.5 = 169m对第一跨中选用B= 325mm水平次梁组合截面面积（图 4 1）:A=2569325X 16= 7769 m2槽钢的高为

11、400 m组合截面形心到槽钢中心线得距离：e=325X 16X 947769=63mm支座处组合截面的惯性距及截面模量为：I 次 b= 12727000+ 2569 X 632 + 325 X 16 X 352 = 2920336 m ?Win=29 2 9 336/ 149=196600m m2对支座段选用B= 169mm则组合截面面积（图42）:A=2569169X 16= 5273mm2组合截面形心到槽钢中心线得距离：e=169X 16X 94/5273=48mm支座处组合截面的惯性距及截面模量为：I 次b= 12727000+ 2569 X 482 + 169X 16 X 492 =

12、25138280伽Win=186209mtf3. 水平次梁的强度验算由于支座B处（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6次=28.0 X 1000000/ 135=141.9N/mmC 160N/mm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，最大挠度发生在便跨，由于水平次梁在B支座0.004=0.000393 < 处截面的弯距已经求得M次B=125.17kN? m,则边跨挠度可近似地按下式计wl5384ql3 El次M次b116EI 次5 529.74314863842.06105

13、423177596125.17 101486516 2.06 104231775931250故水平次梁选用18a满足强度和刚度要求5、顶梁和底梁顶梁和底梁也采用 18a.五、主梁设计（一） 设计资料1） 主梁跨度（图5）:净跨（孔口净宽）I。=10.0m ;计算跨度I = 10.4m ;荷 载跨度I? = 10.0m 。2）主梁荷载：q=P 总/3= （9.81 X 38 X 38 X 0.5-9.81 X 28 X 28 X 0.5 ）/3=1079.1KN3）横向隔板间距： 1.300m 。4）主梁容许挠度： W=L/750。（二）主梁设计内容包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板加劲

14、肋；面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。1. 截面选择(1)弯距和剪力弯距与剪力计算如下:弯距：M=1079.1 X 10X 0.5 (10.4 X 0.5-10 X 0.25) =15647kN? m剪力：V=0.5 X 1079.1 X 10=5395.5 kN2)需要的截面抵抗距 已知Q235钢的容许应力c=160N/mm2，考虑钢闸门自 重引起附加应力的影响取容许应力 c = 0.9 160 144N/mm2,则需要的截面抵抗矩为;W=M/ c =15647 X 1000/144=108660 (cm3(3)腹板高度选择按刚度要求的最小梁咼(变截面梁)为:经济梁高：hec 3.

15、1W53.1 (108660)5320.47cm oc bhmin0.22 匚;Ew/10.22 la 10.4 104 伍軽口，2.06 107 (1/750)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, 般选择梁高比经济梁小10%20%。根据以上选择腹板高 度 ho= 260cm。(4)腹板厚度选择twh/11.260/11 1.47cm,选用 tw= 6.0cm。(5)翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为：1086602606 2606158 cm 2t1 = 2.0cm158279cm符合钢板规格 ，需要)(在腹板高度的三分之一到五分之一

16、52 87cm之间)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t 2.0cm, bp 50cm 面板兼作主梁上翼缘的有效高度为B= b+60t = 50 + 60X1.5 = 140cm上翼缘截面面积 A=50X2.0 + 140X 1.5 = 310 cm2截面形心距：y'Ay'123.5cm,A(6)弯应力强度验算。主梁跨中截面(图 6 1)的几何特性Ay26.0 260312_7295486 16083486cm",截面惯性距：|虫12截面抵抗距：上翼缘顶边 WL16083486123.5130231cm3,F翼缘底边WminI 160

17、83486y2142113264 cm3,M15647 100“小 ，2八"，2弯应力：W：X11326413/Cm0'9 16 14/Cm，安全主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸(cm Xcm)截面面积A(cmf)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' -y 1(cm)Ay2(cm4)面板部分140X 1.52100.75157.5-122.753164188上翼缘50 X 2.01002.5250-1211464100腹板260X 6.01560133.520826010156000下翼缘79 X 2.0

18、158264.5417911413141198合计2028250458.57295486(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、截面改变因主梁跨度较大，为减小门槽宽度与支承边梁高度(节约钢材)，有必要将主梁承端腹板高度减小为h0s=O.6h产0.6 X260= 156cm (图7 1)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，离开支承端的距离为 130-10=120cm部位截面尺寸(cm Xcm)截面面积A(cnf)各型心离 面板表面 距离y '(cm)Ay'(cni)各型心离中和 轴距离

19、y=y' -y 1 (cm)Ay2(cm4)面板部分140X 1.52100.75157.5-71.951087129上翼缘50X 2.01002.5250-70.4495616腹板156X 6.093681.5762848.872484下翼缘79X 2.0158160.52535987.81217997合计1404102050.5287322633I 虫Ay2 6.0 1562873226 4771434cm4,12 12y110205072.7cm1404S 158 X87.8 86.8 6 86836475cm3,2Vmax1 0 tw53955X364754771434 X66

20、.9kN/cm29.5kN/ 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。Vmax = 5395.5kNI 0=4771434cm,上翼缘对中和轴的面积距：S1=210X 71.95 + 50X 2X 70.4 = 22149.5cm3下翼缘对中和轴的面积距：9=160.5 X 87.8 = 14091.9cm3< S旳 i_ 需要hfVS11.41。 W5395.5 22149.52.6cm,1.4 4771434 11.3角焊缝最小，hf 1.511.5、206.7mm全梁的上下翼缘焊缝都采用hf = 10mm。4. 腹板加劲肋因B 型 43.3<80

21、不需设置横向加劲肋。闸门上已布置横向隔板可兼作横加 tw 6.0劲肋，其间距a= 1.3m。腹板区格划分见图2。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，直接与主梁相连的面板区格，只有区格 10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 10按下式验算 长边中点的折算应力：my0.5 0.385 445X445157.5N/mm2,152mxmy20.3 157.547.3N/mm,面板区格川的长边中点的主梁弯距和弯应力101079.1 4.352M 1079.14.5514340kN m20x上3叱 110N/mm2130231 10该区

22、格长边中点的折算应力zh2 ( )2mymx 0xmy( mx ox) =157.4 v 1.55 X 160=248N/mm2(上式中 c mx, (T my,cox的取值均以拉应力为正，压应力为负）故面板厚度选用15mm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三角形分布的水压力来代替， 并且把横隔板作为支承在主梁上的双悬臂梁。Kq81.55kN m2.横隔板的截面选择和强度验算腹板选用与主梁腹板同高，采用 2600mrX 60mm上翼缘利用面板，下翼缘采用 200mnX

23、8mn的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式 B=Z 1b确定。b=1300mml°/b 1040/13000.8查表得Z 1 = 0.32。B=0.32X 1300=416mm取 B=420mm。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：e 420 15 他7.5 200 8 伽7.5 37mm420 15 2600 60 200 8截面惯性距:如图9示水平次梁为7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：R (0.6070.536)q次In =1.143 X 157.94 X1.3 = 234.7KN取q = q

24、次1 qI02 1 RI0 1 157.94 1.042 1 234.7 1.04848460 26003122 22600 60 378 200 13412420 15 127164101000 10 mmWmin375203042mm , 1345验算应力:Wimin81.55 1067520304221.08N/mm = 160N/mm由于横隔板截面高度较大,厚度 hf = 10mm。剪切强度更不必验算，横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝七、纵向连接系设计1.荷载和内力计算纵向连接系受闸门自重。潜孔式平面滚轮闸门G按下式计算：由附录十一查得，其中A孔口面积，m2K?闸门工作性质系数，工作与事故闸

25、门K? = 1.0K?孔口高宽比修正系数 H/B= 1,K? = 1.0 K ?水头修正系数，Hsv60m , K? = 1.00 790 93G 0.073KK2KHA 9.8KN0.073 1.0 1.0 1.0 X380.79 1000.93 9.8916.3kN下游纵向连接系承受0.4G=0.4 X 916.3=366.5KN纵向连接系是做简支的平面桁架。其桁架腹杆布置如图9点荷载为366.545.81kN杆件内力计算结果如下图:2.斜杆截面计算利用三角形的边长之比与两边的力之比相同的方法计算得斜杆承受最大拉力N=290.97KN同时考虑闸门偶然扭曲是可能承受压力，故长细比的限制值应与

26、压杆相同，即200。选用单角钢 L 100X 12,表查得：2截面面积 A=2280mm回转半径iyo=19.5mm斜杆计算长度I。09 22 1.4862 (0.4 X332 2.54m u长细比十誥130.1匸200验算拉杆强度：136 103228059.6N / mm2v0.85133N/mm2考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算八、边梁设计边梁的截面形式采用双腹式 （如图 ），边梁的截面尺按照构造要求确定， 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，为了便于安装滚轮，两 个下翼缘为用宽度为400mm勺扁钢做成。边梁是闸门的重要受力构件， 由于受

27、力情况复杂， 故在设计师将容许应力值降低15%作为考虑受扭影响勺安全储备1. 荷载和内力计算在闸门每侧边梁上各设两个滚轮。其布置尺寸可见下图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 的荷载为 R=5395.5KN。2）竖向荷载。有闸门自重、滚轮摩擦阻力、止水摩阻力、起吊力等。上滚轮所受的压力R1 4811kN下滚轮所受的压力R2 5980kN最大弯矩M max 1564kN.m最大剪力Vmax4811kNmax最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为2000kN（详细计算见后）。在最大弯矩作

28、用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滚轮的摩阻力，该轴向力N 2000 0.12 f 2200 0.12 4811 1423kN2. 边梁的强度验算2截面面积 A=1560 X 60+ 2X 900X 15= 120600mm截面惯性矩4139807036800 mm截面模量W 139807036800136264168mm31026截面边缘最大应力验算：maxmax2 276.5N/mm V0.80.8X157=120N/mm 腹板最大剪应力验算:V Smax max2Itw2 261N/mm V 0.80.8 95 76N/mm腹板与下翼缘连接处应力验算:N 归 Y 75.3N/mm2A W

29、 ymax红 22.5N/mm22h3 2 x 75.32 3 22.52 84.8N/mm2v0.80.8 160 128N/mm2以上的验算满足强度要求。九.行走支承设计滚轮计算：轮子的主要尺寸是轮径D和轮缘宽度b,这些尺寸是根据轮缘与 轨道之间的接触应力的强度条件来确定的，对于圆柱形滚轮与平面轨道的接触情 况是线接触，其接触应力可按下式计算，其中下滚轮受力最大，其值为5980kNo设滚轮轮缘宽度b=300mm轮径 A 600mmmax 0.418i1.1pE 0.418 P.1 5980 2.06 1 51.3N/mm2v2.5 235 587.5N/mm2 bR.300 300为了减少

30、滚轮转动时的摩擦阻力，在滚轮的轴孔内还要设滑动轴承，选用钢对10-1铸铁铝磷青铜。轴和轴套间压力传递也是接触应力的形式，可按下式验算:1.1Regdpeg取轴的直径d=500mm轴套的工作长度 bi=600mm2滑动轴套容许应eg50N/mmeg1.1Rdb31.1 5980 10500 600221.9N/mmveg250N / mm轮轴选用45号优质碳素钢，取轮轴直径d=450mm其工作长度为b=600mm 对其进行弯曲应力和剪应力验算：Mma:Wx 782KN ?m23844375 mm3d31233.14 45012Mmax782 10632.8N/mm2v 0.8W23844375V

31、maxP22990KNVma32990 10218.8N /mm v0.8d2158962.5420.8 X145=116N /mm20.8 X95=76N / mm轴在轴承板的连接处还应按下式验算轮轴与轴承板之间的紧密接触局部承N压应力:cjcj轴承板所受的压力NP 22990KN取轴承板叠总厚度t 60mm2990 103450 60110.7N/mm2v0.8cj0.8 xi60=128N/mm2十、滚轮轨道设计1. 确定轨道钢板宽度轨道钢板宽度按钢板承压强度决定。根据 Q235钢的容许承压应力为2100N/mm，则所需要的轨道底板宽度为5980 10330019933N /mm19933100199.3mm，取 B=220mm故轨道地面压应力:c90.6N /mm22202. 确定轨道底板厚度轨道底板厚度6按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力:22式中轨道底板的悬臂长度c=40mm对于Q235由表查得 100N/mm 0 故需要轨道底板厚度：丄 3 cC23 90.6 402t 10066mm，取值 t=70mm十一.闸门启闭力和吊耳计算1、启闭力按下式计算：T启 1.1G1.2(Tzd TzJ Px