水工钢结构钢闸门课程设计

1、水工刚结构潜孔式焊接平面钢闸门设计计算书一、设计资料及有关规定:闸门形式：潜孔式平面钢闸门孔口净宽：10m孔口净高：13m上游水位：73m下游水位：0.1m闸底咼程：0m启闭方式：电动固定式启闭机启闭机械：液压式启闭机材料： 钢材：Q235-A.F;焊条：E43型；行走支承：采用滚轮支承；止水橡皮：侧止水和顶止水用 P型橡皮，底止水用条型橡皮。制造条件： 金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足III级焊缝质量检验标准规范：水利水电工程刚闸门设计规范 SL 1974-2005混凝土强度等级：C30、闸门结构的形式及布置ffli：闻口援尺寸狙維m（一）闸门尺寸的确定（图1示） i闸门孔口尺寸：孔口净

2、跨：10m孔口净高：13m闸门高度:13.2m闸门宽度：10.4m荷载跨度：13.2m计算跨度：10.4m2计算水头：73m（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L=10m, 闸门高度h=13m,L<hb所以闸门采用5根主梁。本闸门属中等跨度，为了便于制造和维 护，决定采用实腹式组合梁。2. 主梁的布置本闸门为高水头的深孔闸门，孔口尺寸较小，门顶与门底的水压强度差值相对较小。 所以，主梁的位置按等间距来布置。设计时按最下面的那根受力最大的主梁来设计，各 主梁采用相同的截面尺寸。3. 梁格的布置及形式梁格采用复式布置与等高连

3、接，水平次梁穿过横隔板所支承。水平梁为连续梁，间 距应上疏下密，使面板个区格需要的厚度大致相等，布置图2示c二Cuscrsce2皂f-SIR三、面板设计根据钢闸门设计规范SD 78 （试行）关于面板的设计，先估算面板厚度，在主梁截 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。1. 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t= kP -Y0.9aQ当 b/a >3 时，a=1.55,则 t=a kp =0.067 a kp0.9x1.55x160现列表1计算如下:区格a(mm)b(mm)b/akPt199520702.0800.6830.5930.63643.

4、1299520702.0800.4970.6040.54835.4399520702.0800.4970.6150.55335.7499520702.0800.4970.6260.57835.7599520702.0800.4970.6370.56336.1699520702.0800.4970.6470.56736.3799520702.0800.4970.6580.57236.7899520702.0800.4970.6690.57736.9999520702.0800.4970.6800.58137.21099520702.0800.4970.6910.58637.61110902070

5、2.0800.4970.7020.59137.91290020702.0800.4970.7120.61942.1根据上表计算，选用面板厚度t=44mm。2. 面板与梁格的连接计算已知面板厚度t=44mm ,并且近似地取板中最大弯应力 c max= c =160N/mn1,则p=0.07 x 44 x 160=492.8N/mm ,面板与主梁连接焊缝方向单位长度内地应力：=2062 N / mm,VS =8589 汇 344 汉 4.4 汉 71.3 汉 1062102 22466398.66 104面板与主梁连接的焊缝厚度：hf = .P2 T2 /0.7 =2120.6/0.7 113=2

6、6.8mm , 面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度 hf =27mm。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=p现列表2计算如下:表2梁号梁轴线处水 压力强度P（kN/mrn）梁间距（ma上+ a下2(ma上+ a下q=p2(kN/m)1顶梁600.350.55330.201.12水平次梁611.001.1672.11.13 （主梁）622.001.1684.21.14 （水平次梁）633.001.1696.31.15 （主梁）644.001.1708.41.16 （水平次梁）655.001.17

7、20.51.17 （主梁）666.001.1732.61.18 （水平次梁）677.001.1744.71.19 （主梁）688.001.1756.81.110 （水平次梁）6991.1768.91.111 （主梁）7101.1781.01.112水平次梁（）721.000.975793.10.8513 (底梁)728.50.4225409.2 =8798kn根据上表计算，水平次梁计算荷载取793.1kN/m,水平次梁为5跨连续梁，跨度为2.08m,水平次梁弯曲时的边跨弯距为：M次中=0.077ql 2=0.077 x 793.1 x 2.082=246.2kN?nq= 793. lkn/mA

8、 h A a a A支座B处的负弯距：M次b= 0.107ql 0=0.8 l= 0.8 X 2080=1644mm 对于支座负弯距段 l 0=0.41 = 0.4 X 2080= 832mm。 根据I 0/b查表6 1: 对于 I o/b = 1664/1110 = 1.499 得 Z 1= 0.58，得 B=Z 1b= 0.58 X 1110= 634mm , 对于 l 0/b = 832/1110 = 0.430 得 Z 2= 0.750 ,得 B=Z 2b= 0.16 X 1110= 255.3mm 对第一跨中选用B= 634mn取 640mm则水平次梁组合截面面积（例图4）:=0.1

9、07 x 793.1 x 2.08 2=366.31kN?m2.截面选择W=M6-2.53 106mm366.1 10145考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选56C由附录三表四查得:2634A=157.78cm ; W x=2.551 "0 mm; Ix=71430cm ; b1=170mm ; d=16.5mm。面板参加次梁工作的有效宽度分别按式 611及式612计算，然后取其中较小值式：611 B < b1+60t=170+60X 44=2810mm ;式：612 B= Z 1b （对跨间正弯距段）B=Z 2b （对支座负弯距段）。1100 11202= 1110mm对

10、于第一跨中正弯距段207“640U 44豁，面版参妣平線工作 后鏗跆歳面（草鱼mm）A=157.78+64X 4.4=439.38cm2 ;组合截面形心到槽钢中心线得距离:640 44 324 e=43938=207mm ;跨中组合截面的惯性距及截面模量为：I 次中=71430+157.78X20.72+64X4.4 X9.52= 164451.4cm4164451.43WZin=3376.82cm48.72对支座段选用B= 260mm则组合截面面积：A=1578.8+26X4.4=271.58cm ; 组合截面形心到槽钢中心线得距离：260 44 324e=133.85mm26998支座初组

11、合截面的惯性距及截面模量为：224366.31 106CT次=3180730I 次b= 71430+157.78 X 13.46 +26X4.4 X 16.8 = 131682.25cm“131682.53W/in=3180.73cm4143. 水平次梁的强度验算 由于支座B处（例图3） 的抗弯强度，即处弯距最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面2 2=115.16N /mm :匚=145N /mm ,说明水平次梁选用56c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支座处截面的弯距已经求得M次B=22

12、.0248kN?m,则边跨挠度可近似地按下式计算：384ql3El次M次bI16EI 次36_5x793.1 x2080366.3 x 10 x 2080384 2.06 105 164451 10416 2.06 105 164451 104_ 0.0002025 < W10.004l 250故水平次梁选用56c满足强度和刚度要求。5, 顶梁和底梁顶梁和底梁受得水压力都比较大，所以都采用56c 五、主梁设计（一）设计资料 1）主梁跨度：净跨（孔口净宽）lo _ 10m ;计算跨度l _ 10.4m ;荷载跨度11 _ 13.2m7359 82)主梁荷载：q 二总 _(9.8 73 2

13、9.8 59.8? 5 =1717.92kN 3)横向隔板间距:2.07m。4）主梁容许挠度：W=L/750（二）主梁设计1.截面选择（1）弯距：弯距和剪力弯距与剪力计算如下：Mmax"91 13.2（104-13.2H30613.3kN m 224剪力：ql11717.92 汉 13.2，“Vmax18589.5kN2 2需要的截面抵抗距已知A3钢的容许应力c =145N/mm2 ,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力c = 0.9 145 = 130.5N/mm2,则需要的截面抵抗矩为；W=max门306133 102130.5 0.1二 234584.6cm3（3）腹板

14、高度选择按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为:经济梁高：hec =3.1W2/5 =3.1 (234584.6)2/5 = 436cm。hmin二 0.208flEw/l= 0.96 0.23130.5 102 10.4 102 7502.06"07二 109.1cm,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。现选用腹板厚度ho_ 300cm。（4）腹板厚度选择tw = h/11 300/11 = 1.52cm,选用 tw_ 1.5cm。(5)翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为W twh。2345846h0 一 6 一 3001.5 3

15、006二 721.8cm2,下翼缘选用t 8.0cm (符合钢板规格)，需要匕=二72!艺=90.1cm,取Bi = 90cm,上t,8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ti=8cmbi = 80cm 面板兼作主梁上翼缘的有效高度为 B= bi+60t = 16+60X 4.4 = 344cm。344300 一_ 6上翼缘截面面积A=80X 8+3442X 4.4=2153.6cm。(6)弯应力强度验算截面形 心距：yJ Ay y Z A306905.93003.6二 102.1cmec主梁跨中截面【单位um截面惯性距：33I 二 twh°Ay2 =5

16、 30052641320.3 = 56016320cm4,12 12I截面抵抗距：上翼缘顶边Wmaxy156016320102.1=548641.7 cm3,F翼缘底边Wminy256016320218.3=256602.5cm3,弯应力：二=进=驾蛊汁ZN/cm"9 1413-05kN/cm2'安全表3部位截面尺寸(cm X cm截面面积A(cm)各型心离 面板表面 距离y '(cmAy'(cH5)各型心离中和轴距离y=y' -y 1(cm)Ay2 (cm4)面板部分344 X 4.41513.62.23329.9-99.9815129946.21上

17、翼缘14X8r 1128.42688-93.72809500.8腹板300 X 1.5450162.47308060.31636240.5下翼缘90 X 8720316.4227808214.333065632合计3003.6306905.952641320.3(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。1.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h； = O.6h0 = 0.6 300 = 180cm。考虑到主梁端部腹板及翼缘相焊接，故可按工字截面梁验算应力剪力强度。尺

18、寸表 4所示：34490 *(8图二主梁跨中截面单位cm= =*!部位截面尺寸(cm X cm)截面面积A(cm2)各型心离 面板表面 距离y '(cm)Ay'(cm")各型心离中和轴距离y=y' -y 1(cm)Ay2 (cm4)面板部分344. X1.41513.62.23329.9-71.37694673.2上翼缘14X 81128.42688-66.9501268.32腹板180X 61080102.411059227.14795505下翼缘90 X 8:720196.4141408121.110558951.2合计3425.6258017.91955

19、0398.66180表4I 06 1803124= 19550398.66cm250817.93425.6二 75.3cm截面下半部对中和轴的面积矩：S =720 121.1117.1 6 = 128329.23cm3,2V max S 8589.5 汽 128329.232 rr2 Et、LT 十 +R、斗 A ra /一8.17kN/cm :： . = 8.5kN/cm ,因误差未超过 10%，安lotw2246639866 6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。Vma尸8589.5kN。10=22466398.66cm4,上翼缘对中和轴的面积距：S1=1513.6

20、 X 71.3+1.2 X 66.9=115412.48cm ,下翼缘对中和轴的面积距：S2=720X 121.1 = 86472cm<Si,需要VS11.41。 W8589.5 115412.481.4 2246639866 11.3=2.8cm,角焊缝最小，hf _1.5-t =1.5.80 =13mm。全梁的上下翼缘焊缝都采用hf = 28mm。4. 加筋肋验算因匹=300 =50<80不需设置横向加劲肋。闸门上已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其 tw6间距a = 2.08m。腹板区格划分见图2。5. 取面板区格川验算其长边点的折算应力-my20.497 0.712900442

21、=148N/mm2,f 二Vf - -0.3 148_44N/mm2,面板区格川的长边中点的主梁弯距和弯应力M -8589.5 5 3.12-8589.5 2.922 0.5 = 97320kN m,6= 177N / mm2,97320 100x3548641 10该区格长边中点的折算应力二zh 二（匚 mx ；0x）2 ；my（匚 mx ；0x）=.11482 (44-177)2 -148(44 -177) =141.1 N/mm2 :：二=1.65 160 =264N/mm2故面板厚度选用 44mm满足强度要 求。六、横隔板设计1. 荷载和内力计算如图所示水平次梁为5跨均布 连续梁，R可

22、看作它所受的最大剪力，K¥卄卄外小T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 = (0.607 0.536)q次ln =1.143 793.1 2.08 = 1881.2kN; 取 q= q 次1 2 1M ql0 Rl 0 842.横隔板和截面选择和强度验算二1793.1 2.082- 1881.2 2.08 = 1406.1N m84腹板选用与主梁腹板同高，采用3000X 60mm上翼缘 利用面板，下翼缘采用200mmX 20mm的扁钢，上翼缘可利用 面板的宽度公式按式B=Z 1b200x20 确定。10 / b = 2.2/2.08 = 1.05,870x44

23、I3Wmin122368 cm ,182验算应力：M3000x60查表得Z 1 = 0.418 ,B=0.418>2080=869.44mm取 B=870m m。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：87 4.4 154.4-20 2 154.4 e =87 汉 4.4+300 汽 6+ 20汉 2=24CM截面惯性距：6 3003I 300300 6 24220 2 17521287 4.4 130.42 =22270992.4 cm41406.1 106122368 103=11.5N/mm2 :二,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

24、焊缝厚度hf=6mm。七、纵向连接系1.荷载和内力计算纵向连接系承受闸门自重。潜孔式平面钢闸门门叶自重按下式计算G=0.073 K1 K2K3 A0.93 H 0.79 9.8=0.073 1.0 1.0 0.866 29.65 1300.93 9.8 =1699.4KN则下游纵向连接系承受0.4G=679.4KN纵向连接系视作平面简支桁架，如图8所示纵向连接系视作平面简支桁架，其结点荷载为679.45 =135.8(KN)2. 斜杆截面计算斜杆承受的最大的拉力为366.8KN,同时考虑闸门偶然扭矩时可能造成的压力， 故细长比的限制应该与压杆相同。即，hl-200选用单角钢 L100X16 ，

25、 由附录三表 2 查得：67.94kn4X1358kn67.94knr1f1T1T/12201208208£08208J2G8h30339 7kn339.7kn貂纵向连接糸计算因（单位cm）截面面积A=30.1cm回转半径i ye =2.19cm斜杆计算长度l=3.05m3长细比二 10 =3.05 10139.32001y021.7验算拉杆强度' =366.8 10121.8N mm2 ： 0.85T23.3N. mm23010八、边梁设计由于深孔大孔口，行走支承采用滚轮式。所以这里用双腹式组合边梁。边梁的截面尺寸按构造要求确定，梁高 850mm上翼缘直接采用面板，下翼缘用

26、200mmX40m的扁钢做成。腹板厚度40mm边梁是闸门的重要受力构件，由于受力 情况复杂，做设计时将容许应力值降低 20%乍为考虑受扭影响的安全储备。1、荷载和内力计算滚轮采用等荷载布置，在每个主梁上分别布置6个大小相等的主轮。每个主轮受力为8589KN具体计算根据结构力学求解器。最大弯矩 ML=4723.95 KN m最大剪力Vna>=4294KN最大轴向力为作用在边梁上的一个起吊力，估为1699X2=3398KN在最大弯矩作用截面上轴向力为：N=3398-8589X0.仁2540KN2.边梁强度验算截面面积 A =800 60 60 180 2 200 80 2 =1016(cm4

27、)y =74mm上半部分对中和轴的面积矩23S6 80 712 6 68 = 61824cm下半部分对中和轴的面积矩S2 =2 20 8 (122-4) 2 6 118 2 = 121304cm332 6 180122 26 80 71180 6 7622 20 8 2 1162-25033760cmW = =3382940 cm374截面边缘最大应力验算:36-max= 38.9N/mm2 ：0.8 =0.8 157=126N/mm2N . M max _ 2540 10.4723 10A W 1016003382940 103腹板最大剪应力验算:VmaxSmaz 4294 10121304

28、22max maz334.7N/mm2 ：0.8 =0.8 75 = 76N/mm2Itw 25033760 103 60均满足强度要求册口九、行走支承设计采用滑动式滚轮支承，轴孔采用滑动轴承，轮径D=1600mn宽度b=200mm轮轴直径d=300mm轴套工作长度bi=180mm；轮子材料用ZG35GrlMo.I/滚轮验算：1PE V =4294 0.5 =2147KN2二 max =0.418、，PE =0.418Xmax，bR521472.06 10200 800< 3 f 3 345yPidbl3mm250N mm2胶木轴套内径胶木轴套外径d1=240+0.5x2=241mmd2

29、=240+25=265mm则十dNt= 2147 103 240 702 =63.8(N /mm2)以上计算均满足强度要求。十、止水布置方式侧向止水采用p型橡皮，顶止水采用p型橡皮，底止水采用条形橡皮, 布置方式如图XZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZa顶止水jSl侧止水形樣皮条形底止水卜一、闸门启闭力闸门自重G=1176KN滑动摩擦阻力Tzd 罟 firfk 二665 10.4 13800(12 0.1 0.1) =1168.8(KN )止水摩阻力Tzs = 2 0.65 0.06 13 665= 674.2(KN)上托力Pt=0KN闭门力 7； -1.2Tzd Tzs -ngG

30、Pt -1.2 1168.8 674.2 -1 1699 0=511.4(KN)起门力计算 下吸力Px =20 0.016 10.4 =3.3(KN)WX=0 KN则启门力为：T2 =1.2仏 Tzs) nlG Px Gj Wx= 1.2(1168.8 674.2) 1 1699 3.3 0= 4082(KN)十二、埋固构件门槽的埋固构件主要有：行走支承的轨道、与止水橡皮相接触的型钢、为保护门 槽和孔口边棱处的混凝土免遭破坏所设置的加固角钢等。隔板潜孔闸门胸堵护面板形式侧止水座十三、轨道设计底止水座滚轮荷载R=4294KN轨道材料为35Mn2,轨道截面尺寸如图所示:(1)轨道底板混凝土承压应力

31、:P3hB2147 10003 240 300二 9.9(N /mm2)二期混凝土为C30,其 Hl (N/mn2)(2)轨道横断面弯曲应力:2：24 4.5 142 230 4.5 16.58 24 38 243124= 80795(cm )W =-8079518二 4893(cm3)=39.9( N / mm2) ： A I -130( N /mm2)3Ph _ 3 214724 108W "8 4839故满足要求十四、闸门的启闭机械由于启闭力T=4600KN3000KN故采用液压式启闭机。查资料如下QPKY系列液压启闭机共 14种规格，适用于水利水电工程水轮发电机机组进口、调压

32、井下游快 速事故闸门的启闭，也可用于一般平面事故闸门启闭，本系列液压缸按闸门利用水柱压力或部分加 重可关闭孔口而无需投运油泵电机组的条件进行设计。型号表示方法液压缸支承型式I或n 行程（m）启门力（KN持住力（KN）液压传动快速关闭平面闸门启闭机表QPKY系列快速闸门液压启闭机基本参数序参数持住力启门力最大行程缸内径活塞杆直径缸内计算压力速度号型号Fg ( KNFq ( KNLman(m)D(mmd(mm)Fg/ F q(MPaVg/Vq(m/min)1QPKY-60/60-8*60608.0100509.99/9.992QPKY-80/80-8*80808.01106010.39/10.393QPKY-100/100-8*1001008.01256310.7/10.74Q