露顶钢闸门课程设计

1、 水利水电工程钢结构课程设计 -露顶式平面闸门一、设计资料： 闸门型式：露顶式平面钢闸门孔口尺寸（宽高）： 14 m 12 m上游水位： m下游水位： m闸底高程： 0 m启闭方式：材料 钢结构：Q235-A.F； 焊条：E43型； 行走支承：滚轮支承或胶木滑道 止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮制造条件 金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足级焊缝质量检验标准规范：水利水电工程钢闸门设计规范SL 1974-2005二、闸门结构的形式及布置1.闸门尺寸的确定闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高0.2m，故闸门高度=12+0.2=12.2（m）；闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=14m

2、；闸门计算跨度：L=L0+2d=14+2*0.2=14.40（m）整个闸门的荷载为作于和闸门距离闸底H/3的P=706.32 KN/m的均布荷载2.主梁的形式主梁的形式根据水头和跨度大小而定，本闸门属偏大跨度，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：当L小于等于H时采用多主梁形式，当L大于等于1.5H时候采用双主梁形式，根据设计资料为14*12孔口尺寸，本设计采用3根主梁主梁位置的确定：主梁位置的设计原则是根据每个主梁承受相等水压力的原则确定。对于露顶式闸门：假定水面至门底的距离为H，主梁的个数为n，第K根主梁至水面的距离为Yk，则 Yk=2H/3nK1.5

3、-（K-1）1.5 根据公式：Y1=2*12/3311.5 -（1-1）1.5 =4.6（m）Y2=2*12/3321.5 -（2-1）1.5 =8.5 （m）Y3=2*12/3331.5 -（3-1）1.5 =10.9（m）考虑到后面梁格的布置和面板的选取将第三根主梁的位置下调0.5m所以Y3=11.4（m）。4.梁格的布置和形式对于露顶式大跨度闸门采用复式布置和等高连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支撑，水平次梁为连续梁，其间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置的尺寸详见下图5.连接系的布置和形式横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置7道横隔板，其间距为1.75

4、m，横隔板兼做竖直次梁，纵向连接系，设在两两主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。6.边梁与行走支承：边梁采用双腹式，行走支承采用滚轮三、面板设计根据SL74-95水利水电工程钢闸门设计规范，关于面板的计算，先估算面板的厚度，在主梁截面选择之后再验算面板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的布置如上图所示。面板厚度按 T=a(KP/0.9ao)当b/a小于等于3时，a=1.5则T=a(KP/（0.9*1.5*160）)=0.068KP当b/a大于等于3时，a=1.4则T=a(KP/（0.9*1.5*160）)=0.07KP列表计算： 面板厚度的估算区格a(mm)b(mm)

5、b/akp(N/mm2)kpt(mm)I175031001.7714290.6520.015190.09951812.19098II150017501.1666670.3680.037730.11783312.01898III150017501.1666670.3680.052430.13890414.16818IV130017501.3461540.4190.066150.16648414.71717V110017501.5909090.4620.077910.18972214.1912VI100017501.750.4840.08820.20661314.04966VII100017501

6、.750.4840.0980.21778914.80964VIII90017501.9444440.4950.107310.23047414.10503IX60017502.9166670.750.114170.29262212.29011如表所示，面板大的t在3mm范围内，所以梁格布置合理，现选用面板厚度为t=15mm2.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按下式计算，已经面板厚度为15mm，并且近似取板中的最大弯应力为o=160N/mm2，则：P =0.07to=0.07*15*160=168 N/mm2 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力： T=VS/

7、2I=298 N/mm2 由 hf=（P2+T2）/（0.7*113）=11.6mm面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=12mm四、水平次梁、底梁、顶梁的设计1、荷载与内力计算水平次梁和顶、底梁都是支撑在横隔板上的连续梁，作用在他们上面的水压力可按下式计算： q = p（a上+a下）/2列表计算： 根据上表计算，水平次梁的计算荷载取513.741 KN/m，水平次梁为8跨连续梁，跨度为14/8=1.75m ，8跨弯矩系数选择如下图： 水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为 M次中=0.078ql2=0.078*513.741*1.752=122.72 （KN*m） 支座B处的负弯矩： M次B=0.105

8、q l2=0.105*513.741*1.752=165.20（KN*m） 2.截面选择 W=M/o=165.2*106/160=1032500（mm3）考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选【40c，由教材附录三表4查的：A=9105mm2 Wx=985600mm3 Ix=197112000mm4 b1=104mm d=14.5mm 面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取最小值： B<=b1+60t=104+60*15=1004(mm)按上述中的8号梁进行计算：梁间距b=(b1+b2)/2=(1000+900)/2=950(mm)对于第一跨中正弯矩段取L0=0.8L=0.8*175

9、0=1400(mm),对于负弯矩段取L0=0.4L=0.4*1750=700(mm)，根据L0/b查表教材P205页表7-1对于L0/b=1400/950=1.47得&1=0.56则B=&1*b=0.56*950=532(mm)对于L0/b=700/950=0.74得&2=0.22则B=&2*b=0.22*950=209(mm)对第一跨中选用B=532mm，则水平次梁的组合截面面积为 A=9105+532*15=17130 mm2组合截面形心到槽钢的中心线距离为：e=532*15*207.5/17130=96.66(mm)跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：I次中

10、=197112000+9105*96.662+532*15*110.842=380640208.4 mm4Wmin=380640208.4/296.66=1283085 mm3 对于支座B选B=209(mm)，则组合截面面积为： A=9105+209*15=12240 mm2截面形心到槽钢的中心线距离为： e=209*15*207.5/12240=53.15(mm)支座处组合截面的惯性矩及截面模量： I次B= 197112000 +9105*53.152 +209*15*602 =234118919.4 mm4 Wmin=234118919.4/253.15=1069951.9 mm3 3.水

11、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，故只需验算支座B处抗弯强度，即：O次=M次B/Wmin=165.2*106/1069951.9=154.40（N/mm2）<o=160 N/mm2说明水平次梁选用【40c满足要求。4.水平次梁的挠度验算受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在跨边，由于水平次梁在B支座处截面的弯矩为MB次=165.2（KN*m），则边跨挠度可近似计算：w/l=5*ql3/(384*EI次)-M次B*l/16EI次 =5*513.74*(1.75*103)/(384*206000*380640208.4)-165.2*106*1.75*103/(16*20

12、6000*380640208.4)=0.000564<0.004故水平次梁选用40c满足强度刚度要求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影响，必须加强顶梁刚度，所以也采用【40c。底梁也采用【40c。五、主梁的设计1.设计资料主梁的跨度：孔口尺寸L0=12m，计算跨度L=L0+2d=12.4m，荷载跨度L1=12m主梁荷载：由于第三根主梁位置下调，故将第三根主梁作为设计依据： q = 248.12KN/m横向隔板间距：1.75m主梁的允许挠度：W=L/6002.主梁设计主梁设计的内容包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板局部稳定性验算；面板局部弯曲与主梁整体弯曲折算应

13、力验算。截面选择：弯矩与剪力：Mmax=248.12*12/2*（12.4/2-12/4）=4763.9 (KN/m)Vmax=q L1/2=248.12*12/2=1488.72 (KN)需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力为o=160（N/mm），考虑钢闸门的自重引起的附加应力，取o=0.9*160=144（N/mm），则需要的截面模量为W=Mmax/o=4763.9*100/(144*0.1)=33082.64 cm3腹板高度的选择：hmin=0.96*0.23*o/(E*W/L)=0.96*0.23*144*100*12.4*100/2.06*107/(1/600)=114.83

14、(cm)经济梁高hec=3.1W2/5=3.1*(33082.64) 2/5=199.16 (cm)由于钢闸门中的横向隔板重量随主梁增高而增加，故主梁高度应比hec小，但不小于hmin，故选用腹板高度为: h 0= 180 (cm)腹板厚度的选择： tw= h0/11=180/11=1.22(cm) 选用腹板tw=1.4(cm)翼缘截面的选择： A1=W/h0-(1/6)*tw*h0=33082.64/180-(1/6)* 1.4*180=141.79 (cm2) 下翼缘：需要b1=h0/3至h0/5之间，故取b1=h0/4=45（cm） t1=A1/b1=141.79/45=3.15（cm）

15、 上翼缘的部门面积可利用面板，故只需要设置较小的上翼缘同面板相连，选用t1=3.15cm,b1=20cm 面板兼做主梁上翼缘的有效宽度取为： B=b1+60&=20+1.5*60=110 (cm) 上翼缘面积：A1=20*3.15+110*1.5=228(cm2) 弯应力强度验算。主梁跨中截面如下图，几何特性如下表:截面的形心矩： y1=Ay/A=50566.67/621.75=81.33(cm)截面的惯性矩：I=tw*h03/12*Ay2=1.4*1803/12+3061550=3741950 cm4截面模量：上翼缘顶边：Wmax=I/y1=3741950/81.33=46009.4

16、7 cm3下翼缘底边：Wmin=I/y2=3741950/106.47=35142.76 cm3弯应力：o=Mmax/Wmin=4763.9*100/35142.76=13.56(KN/cm2)<0.9*16=14.4(KN/cm2) 所以安全。 表：主梁跨中截面的几何特性 整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同刚性面板相连，可以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，故梁的挠度也不必验算。截面改变因主梁的跨度较大，为减小门槽宽度和支撑边梁高度（节省钢材），有必要将主梁支承段腹板高度减小为h0s=0.6h0=0.6*180=106cm,如下图：梁高开始改变的位置取在邻近支

17、承端的第二个横向隔板下翼缘的外侧，离开支承端的距离为：175*2=350cm 主梁端部截面的几何特性截面形心惯性矩：y1=Ay/A=24780.63/518.15=47.83cm截面的惯性矩：I=tw*h03/12*Ay2=1.4*1063/12+1094024=1292975.87 cm4截面下半部对中和轴的面积矩： S=141.75*64.395+62.82*1.575*62.82/2=12235.74 cm3剪应力：c=Vmax*s/Itw=1488.72*12235.74/1292975.87*1.5=9.14(KN/cm2)<c=(KN/cm2),所以安全 翼缘焊缝翼缘焊缝厚度

18、hf按受力最大的支承端截面的计算。最大剪力Vmax=1488.72KN，截面惯性矩为I=1292975.87 cm4上翼缘对中和轴的面积矩：S1=165*47.08+63*44.755=10587.765（cm3）下翼缘对中和轴的面积矩：S2=141.75*64.395=9127.99（cm3）<S1需要hf=V*S1/1.4Ic=1488.72*10587.765/(1.4*1292975.87*11.3) =7.7mm所以上下翼缘都采用hf=9mm六、横隔板设计1.荷载与内力的计算横隔板同时兼做竖直次梁，它主要承受水平次梁、顶梁和底梁传来的集中荷载及面板传来的分布荷载，计算时可把这些

19、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。则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为：取第一根主梁处的面板进行计算：M=4.6*103.79/2*1.75*4.6/3=640.56（KN*m）2.横隔板截面的选择与强度计算其腹板选用与主梁的腹板同高，采用1800mm * 15mm,上翼缘可利用面板，下翼缘采用200mm*8mm的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度按B=&2b确定，其中b=1750mm,按L0/b=2*4600/1750=5.25从教材7-1查的有效宽度系数&2=0.775，则B=0.775*1750=1356.25(mm)，取B=1300(mm

20、)计算下图的几何特性：截面形心到腹板中心线的距离： E=(1300*15*907.5-200*8*907.5)/(1300*15+200*8+1800*15)=337.72(mm)截面惯性矩：I=15*18003/12+15*1800*337.722+8*200*1241.722+15*1300*569.782=1.9*1010截面模量： Wmin=1.9*1010/1245.72=15252223.61(mm3)验算弯应力： O=M/Wmin=640.56*106/15252223.61=41(N/mm2)<o由于横隔板截面高度较大，剪切强度不必验算。横隔板翼缘采用焊缝厚度为hf=8m

21、m。七、纵向连接系的设置1.荷载和内力计算 纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面闸门门叶自重G按教材附录十一式计算： G=KZKCKGH1.43B0.88*9.8 =0.81*1*0.13*121.43*140.88*9.8=367.69(KN)下游纵向连接系承受0.4G=0.4*367.67=147.076(KN)其结点荷载为： 147.076/8=18.38(KN)2.斜杆截面计算斜杆承受最大拉力N=（75.538-9.19）*2/2=93.83（KN），同时考虑闸门偶然扭曲可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即<=200。选用单角钢L158*8，由教材附录三表2查的截面面积A

22、=1980（mm2） 回转半径iy0=25(mm)斜杆计算长度：LO=0.9（1.752+4.32+0.42）=4.19（m）长细比=L0/ iy0=4.19*1000/25=167.74<=200验算拉杆强度： o=93.83*1000/1980=47.39(N/mm2)<0.85o=133(N/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、边梁的设计 由于面板的尺寸大于5*5，所以边梁的截面采用双腹式，如下图所示，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，上下翼缘取200mm*20mm，为便于在两腹板之间的焊

23、接，其间距为400mm。 边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作为考虑受扭影响。1.荷载和内力计算见下图：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，为了简化计算，可假定这些荷载是由主梁传递给边梁。每个主梁作用于边梁的荷载为R=P总/3=235.44 （KN/m）,为了便于计算，仅考虑竖向平面内，横向尺寸暂时不记。竖向荷载。有闸门的自重，因为是设置行走支撑为滚轮，忽略摩擦力，止水摩阻力、起吊力等。为了便于布置滚轮，使每个滚轮承受相等的力，不考虑部分弯矩，近视认为在计算端点处弯矩为零，由于有连接系的存在，并不存在较大影响。上滚

24、轮所受的压力：R1=P总/2=353.16 (KN)下滚轮所受的压力：R2=P总/2=353.16 (KN)最大的弯矩： Mmax=247.212 (KN*m)最大的剪力： Vmax=235.44 （KN）最大的轴向力，等于起吊力。假设该轴向力N=200KN2.边梁的强度验算截面面积 A = 400*20+2*1060*14+2*100*20=41680 (mm2)面积矩 Smax=400*20*540+2*530*14*265=8262500(mm3)截面惯性矩 I=2*(14*5303)/12+400*20*5402+2*100*20*5402=3846579667(mm4)截面模量 W=

25、3846579667/540=7123295.7(mm3)截面边缘最大应力验算：Omax=N/A+Mmax/W=200*103/41680+247.212*106/7123295.7=4.8+34.7=39.5(N/mm2)<0.8o=0.8*157=126(N/mm2)腹板最大剪应力验算 c = Vmax*Smax/I*tw=235.44*103*8262500/3846579667*14=36.12(N/mm2)<0.8c=0.8*95=76(N/mm2)腹板与下翼缘连接处折算应力验算： o = N/A+Mmax*y/(W*y)=4.8+34.7*530/550=38.2(N/

26、mm2) c = Vmax*Si/I*tw=235.44*103*530*14*540/(3846579667*14)=18(N/mm2)o2h=(o2+3c2)= (38.22+3*182)=49.3(N/mm2)<0.8*160=128(N/mm2)以上验算均满足强度要求。九、行走支承设计根据设计要求与规范，本闸门采用滚轮。轮子的位置应该按等荷载布置，见上述边梁设计土。Y1=5.65(m),Y2=10.35(m)由上述边梁设计中已经计算耽搁滚轮的压力R1=R2= P总/2=353.16 (KN),将轮子装设在边梁的两块腹板之间。如下图：滚轮的材料，选用普通碳素钢。采用轮径D=600m

27、m,轮缘宽度b=100mm圆柱形滚轮与平面轨道的接触情况是线接触，其接触应力按下式计算： Omax=0.418(P*E/(b*R)=0.418*(353.16*103*2.06*105/(100*300) =650.9(N/mm2)<3fy=3*235=705(N/mm2)且D/b=600/100=6符合要求。为了减少滚轮转动的摩擦力，在滚轮的轴孔内还要安装设滑动轴承,采用铜合金。轴和轴套建压力也是接触应力的形式，按下式验算： ocg=P/d*b1=353.16*103/(175*280)=7.2(N/mm2)<ocg=40(N/mm2)轮轴与轴承板之间的紧密接触局部承压应力： o

28、cj=N/d*t=(P/2)/(175*20)=50.45(N/mm2) < ocj=80(N/mm2)所以滚轮设计符合要求。十、滚轮轨道设计由于轮压力在200KN至500KN之间，根据C20混凝土由教材附录十表2查的混凝土的容许承压应力为oh=7(N/mm2),故选用轨道的形式和尺寸如下图所示：在轮压力P的作用下，轨道地步沿轨长方向的压应力分布可当做三角形，其三角形底边长度的一般的a值由下式计算： a=3.3 *3(E*Ix/(Eh*b) 其中Ix=20*2003/12+200*200*1202+300*10*1052=1657433333(mm4) 所以 a=3.3 *3（2.06*

29、105*1657433333/（3*104*200） =1001（mm）oh=P/(ab)=353.16*103/(1001*300)=1.17(N/mm2)< oh=7(N/mm2)轨道颈部的局部承压应力分布情况与计算，如上图所示： a1=3.3 *3(I1/tfb)I1为轨头对其自身中和轴的截面惯性矩：I1=200*220*1202=10269640(mm4) a1=3.3 *3（8269640/20）=286.84 （mm） ocd =P/(a1* tfb)=353.16*103/(286.84*20)=61.56(N/mm2)< ocd=150(N/mm2)轨道的抗弯强度可

30、按倒置悬臂梁验算： W=828716.7(mm3) M/W=Pa/6=353.16*103*1001/(6*W)71.09(N/mm2)<o=100(N/mm2)同样，轨道的底板厚度t也可按倒置的悬臂梁计算，即沿轨道长度方向取单位长度的板条当做脱离体来验算其固定端（腹板处）的抗弯强度： M= oh*(b- tfb)2/8<=ot2/6 o=1.17*(300-20) 2*6/(8 t2)=76.44(N/mm2)<o=100(N/mm2)满足要求。为了便于把闸门引入门槽，常将轨道的上端做成斜坡形，即把轨道上端的富腹板割去一个三角形部分，再将轨道的翼缘弯到剩下的部分上焊接起来。

31、十一、闸门启闭力和吊座计算1.启门力按下式计算： T启=1.1G+1.2(Tzd+Tzs)+Px其中闸门自重 G=367.69(KN)对于滑动轴承的滚轮：Tzd=(W /R)*(f1*r+fk) 作用在闸门上的总水压力：W=706.32*14*12=118661.76(KN) 滑动摩擦系数fk =0.1 (cm) , 滚轮半径R=30(cm),滑动摩擦系数f1=0.3轮轴半径r=8.75(cm),止水摩擦系数f3=0.7下吸力Px底止水橡皮采用I130-20型，其规格为宽20mm，长130mm。底止水沿门跨长14.4m，根据设计规范：启门时闸门底缘平均下吸力按20KN/m2计算，则下吸力： Px=20*14.4*0.02=5.76(KN)所以 Tzd= (118661.76/30)*（0.3*8.75+0.1）= 10778(KN)作用在止水上的总水头压力 Pzs=117.72*14.4=1695.168(KN) Tzs=f3* Pzs=1186.6 KN)所以 T启=1.1*367.69+1.2（10778+1695.168）+5.76=15377.8(KN)2.闭门力按下式计算： T闭=1.2（Tzd+ Tzs）-0.9G=1.2（10778+1695.168）-0