露顶式平面钢闸门设计

1、露顶式平面钢闸门设计一、设计资料闸门形式：露顶式平面钢闸门；孔口净宽：3.0m；设计水头：2.8 m；结构材料：Q235钢；焊条：E43；止水橡皮：侧止水用P形橡皮；行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2；砼强度等级：C20。参考资料：水利水电工程钢闸门设计规范（SL74 -95）、水工钢结构。二、闸门结构形式及布置1、闸门尺寸的确定，如图-1所示：1）闸门的高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m，闸门的高度 H=2.8+0.2=3.0m；2）闸门的荷载在跨度为两侧止水间的跨度：L0=3.0m ；3）闸门的计算跨度：L=L0+2 0. 15=3.30m。图1 闸门主要尺寸图2、主梁形式

2、的确定。主梁的形式根据水头的大小和跨度大小而定，一般分为实腹式和行架式，为方便制造和维护，采用实腹式组合梁。3、主梁布置。当闸门的跨度L不大于门高H或L/H1.5时，采用多主梁式。根据每根主梁承受相等水压力的原则进行布置，保证主梁尺寸一致，便于制作安装。水面至门底距离为H，主梁个数n，对于露顶式闸门，第K根主梁至水面的距离为yk，则：本次设计根据实际情况采用两根主梁，采用两根主梁布置时，应该对称于水压力合力的作用线 y=H/3=2.8/3=0.93m，闸门上悬臂C不宜过长，通常要求C0.45H=0.452.8=1.26m，下悬臂a0.12H，则a=0.330.12H=0.336（m）主梁间距2

3、b=2(y-a)=2(0.93-0.33)=1.20m则C=H-2b-a=2.8-1.2-0.33=1.270.45H（满足要求）4、梁格布置。梁格布置一般分为：简式、普通式、复式三种。设计跨度较小且宽高比L/H1.5时,可不设次梁，面板直接支承在多根主梁上。本设计采用普通式，不设水平次梁，只在竖向设两道横隔板。图2 梁格布置尺寸图5、梁格连接形式。梁格的连接形式有齐平连接和降低连接两种。本次设计采用齐平连接。6、边梁与行走支承。边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。三、面板设计根据规范，关于面板计算，先估算面板厚度，在主梁截面选择之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

4、厚度。面板厚度按钢闸门设计规范5.2.6-1式计算：当b/a3,时，=1.5；当b/a3,时，=1.4。现对面板进行分区列表计算。表1 面板厚度估算区格a(mm)b(mm)b/akyq(N/mm2)t(mm)1470 1100 0.748 0.245 0.006 3.635 1200 1100 0.917 0.282 0.018 5.572 330 1100 3.333 0.750 0.026 3.083 根据表1计算，选用面板厚度t=6mm。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向拉力P按下式计算：P=0.07tmax=0.076160=33.6（N/mm）面板

5、与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为则面板与主梁连接的焊缝厚度为面板与梁格连接焊缝取其最小焊缝厚度hf=6mm。四、顶梁、底梁设计1、荷载与内力计算。作用在顶梁、底梁上的水平压力按下式计算，即列表计算如下表2 顶梁、底梁均布荷载的计算梁号梁轴线处水压强度P（kN/m2）梁间距（m）(a上+a下)/2 (m)q(kN/m)备注1(顶梁)2.28顶梁荷载按下图计算1.472(上主梁)12.45 1.34 16.62 1.24(下主梁)24.21 0.76518.52 0.335(底梁)27.44 0.226.04 根据表2计算，选取底梁计算，底梁边跨中弯矩为M底中=0.08ql2=0.086.04

6、1.12=0.58(kNm)M底B=0.10ql2=0.106.041.12=0.73(kNm)图2 底梁计算简图和弯矩图2、截面选择。计算出截面积较小，考虑水面漂浮物的撞击等影响，按最小截面选取即可，底梁及顶梁均采用8槽钢，由水工钢结构附录6附表6.3查得：A=1024mm2；Wx=25300mm3；I=1010000mm4；b=43mm；tw=5mm。面板参加底梁工作有效宽度按下式计算，然后取其较小值。Bbt+60t=43+606=403（mm）B=1b（对跨间正弯矩段）B=2b（对支座负弯矩段）梁间距b=2/3b1=2/3330=220（mm）。对于第一跨中正弯矩取L0=0.8L=0.8

7、1100=880（mm）；对于支座负弯矩段取L0=0.4L=0.41100=440（mm）。根据L0/b查规范附表G4：L0/b=880/403=2.18，查表得1=0.73，则B=1b=0.73220=160(mm)；L0/b=440/403=1.09，查表得2=0.43，则B=2b=0.43220=95(mm)。对于第一跨中，选用B=160mm，则底梁组合截面面积为A=1024+1606=1984（mm2）跨中组合截面形心到槽钢中心线的距离为跨中组合截面的惯性矩及截面模量为I底中=1010000+1024212+1606222=1926224（mm4）对于支座段选用B=95mm，则组合截面

8、面积为A=1024+956=1594（mm2）支座组合截面形心到槽钢中心线的距离为支座组合截面的惯性矩及截面模量为I底支=1010000+1024152+956282=1687280（mm4）3、底梁的强度验算。根据计算结果，支座B处弯矩最大，而有效截面模量最小，因此只需验算支座B处截面的抗弯强度，即因此，底梁选用8槽钢满足要求。4、底梁的挠度验算。受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在边跨，则边跨挠度为=0.000137因此，底梁选用8槽钢满足强度及刚度要求。顶梁所受荷载较底梁更小，选用8槽钢满足要求。五、主梁设计1、设计资料。1）主梁跨度：净跨（孔口宽度）L0=3.0m，计算跨度L=3.3

9、m，荷载跨度L1=3.0m；图3 平面钢闸门的主梁位置和计算简图2） 单根主梁荷载：；3） 横向隔板间距：1.10m；4） 主梁容许挠度=L/6002、主梁设计。1）截面选择。弯矩与剪力。需要的截面模量。已知Q235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=0.8160=128N/mm2，则需要的截面模量为腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高为经济梁高 梁高不得小于hmin，因此取腹板高度h0=35cm。腹板厚度选择。按经验公式计算：，选用tw=0.6cm（符合钢板规格及最小尺寸要求）。翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为翼缘选用t1=0.6cm（符合钢板规格）

10、。需要b1=A1/t1=2.3/0.6=3.83cm，由于b1选取范围必须在（h/5h/2.5）之间。因此取b1=h/5=35/5=7cm。面板兼做主梁上翼缘的有效宽度取为上翼缘面积为A1=70.6+430.6=30（cm2）弯应力强度验算。截面惯性矩表3 主梁跨中截面的几何特性计算部位截面尺寸（cmcm）截面面积A（cm2）各形心离面板表面距离距离y（cm）Ay（cm3）各形心离中和轴距离y=y-y1（cm）Ay2（cm4）面板部分430.625.80.37.74-9.82477.8 上翼缘板70.64.20.93.78-9.2355.5 腹板350.62118.7392.78.61553.

11、2 下翼缘板70.64.236.5153.326.42927.2 合计55.2557.5 7313.7 截面模量：上翼缘顶边 下翼缘顶边 弯应力满足要求。挠度验算。主梁跨中挠度计算为=0.000186满足要求。2）翼缘焊缝计算。翼缘焊缝厚度（焊脚尺寸）hf按受力最大的截面计算。最大剪应力Vmax=28.82kN,截面惯性矩I=9457.5cm4。上翼缘对中和轴的面积矩S1=25.89.8+4.29.2=291.5（cm3）下翼缘对中和轴的面积矩S1=4.226.4=110.9（cm3）则需要的角焊缝最小厚度因此，主梁的焊缝均采用hf=6mm。3） 腹板的加劲肋验算。因为，故无需设横向加劲肋。4

12、） 面板参与主梁整体弯曲时的强度验算。通过上述面板厚度计算，区所需厚度较大，因此该区长边中点应力最大，所以对区进行折算应力验算。b=1100mm，a=1200mm，P2=0.018N/mm2。由于b/a=1100/1200=0.921.5，则面板区长边中点的局部弯曲应力为主梁在区中点的弯矩及弯应力为其中，1查规范附表G4，1=0.368则面板区中点的折算应力为因此，选用面板厚度选用6mm，满足强度要求。六、横隔板设计1、荷载和内力计算横隔板主要承受顶梁、底梁传来的集中荷载及面板传来的分布荷载，以三角形分布的水压力来替代，横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁，则横隔板在上悬臂的最大负弯矩为2、横隔板

13、截面选择及强度验算腹板选用与主梁腹板同高，采用350mm6mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用70mm6mm的扁钢。上翼缘有效计算宽度按B=2b确定，其中b=1100mm，L0/b=21270/1100=2.31，查表规范附表G4，2=0.75，则B=0.751100=825mm。截面形心到腹板中心线的距离为截面惯性矩为I=1/1263503+63501082+7062862+6825702=10454104（mm4）截面模量为验算弯应力为横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度hf=6mm。七、边梁设计边梁的截面形式一般分为单腹式和双腹式，单腹式适用于滑道式支承的闸门，双腹式适用于滚轮式及吊轴式支承的闸门

14、，本次设计闸门采用滑道式支承，因此采用单腹式边梁。边梁的截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁高度一致，本设计取h0=350mm；闸门两侧分别设两个胶木滑块，为了便于安装胶木滑块，下翼缘宽度不小于300mm，本设计取翼缘宽300mm。边梁主要用来支承主梁和边跨的顶梁、底梁等荷载，受力情况复杂，在设计时容许应力值降低20%作为安全储备。1、荷载和内力计算1）水平荷载。主要是受主梁传来的水平荷载，还有顶梁、底梁的水平荷载。本次设计为简化起见，假定这些荷载都由主梁传来，则每个主梁作用于边梁的荷载已由上述主梁计算为R=28.82kN。2）竖向荷载。主要有闸门自重、滑道摩阻力、止水阻力、启吊力等。上滑

15、块所受压力下滑块所受压力最大弯矩最大剪力最大轴向力为作用在一个边梁上的启吊力，启吊力根据后面计算为44.5kN。则在最大弯矩作用的截面上的轴向力为N=44.5-R1f=44.5-21.620.12=41.91（kN）。2、边梁的强度验算截面积A=3506+23006=5700（mm2）面积矩Smax=6300178+617587.5=93853（mm3）截面惯性矩I=1/1263503+230061782=135499900（mm4）截面模量截面边缘最大应力验算腹板最大剪力验算腹板与下翼缘连接处折算应力验算验算均满足强度要求。八、行走支承设计胶木滑块计算：由上述边梁计算图可知，下滑块受力最大，

16、其值R2=36.02kN。根据规范表7.0.8-1，胶木滑块长度取为250mm，则滑块单位长度的承压力为根据规范表7.0.8-2，查得轨顶弧面半径R=100mm，轨头设计宽度为b=25mm。胶木滑道与轨顶弧面的接触应力验算选定胶木宽100mm，长250mm。九、胶木滑块轨道设计1、确定轨道底板宽度。轨道底板宽度按砼承压强度决定。C20砼容许承压应力查规范表4.2.5得，=7N/mm。图4 胶木滑块支承轨道截面图则所需要的轨道底板宽度为取Bh=100mm，因此，轨道底面压应力为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式中c为轨道底板的悬臂长，c=37.5mm，对

17、于Q235钢，查规范表4.2.2得，=100N/mm2。因此，所需轨道底板厚度为取轨道底板厚度为10mm。十、闸门启闭力和吊座计算1、启闭力计算其中闸门自重G=KzKcKgH1.43B0.889.8式中，Kz=0.81，Kc=1.0，Kg=0.156（见水工钢结构附录10）。G=0.811.00.1563.01.433.00.889.8=15.7KN滑道摩阻力止水摩阻力橡皮止水与钢板间摩擦系数f=0.65橡皮止水受压宽度取为b=0.045m侧止水受水压长度H=2.8m侧止水平均压强P=9.82.8/2=13.72kN/m2因此下吸力Px底止水采用I110-16型，其规格为宽16mm、长110mm。底止水沿门跨长3.3m。根据钢闸门规范附录D：启门式下下吸强度PS按20kN/m2计算，则下吸力为故闸门启门力为T启=1.115.7+1.2（19.59+2.25）+1.06=44.54（kN）2、