水工钢闸门设计(课程设计).docx

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1、-WORD 格式-可编辑-专业资料-露顶式平面钢闸门设计一、设计资料闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门； 孔口净宽：12.00m；设计水头：6.00m； 结构材料：Q235； 焊条：E43；止水橡皮：侧止水用 P 形橡皮，底止水用条形橡皮； 行走支撑：采用胶木滑道，压合胶木为 MCS-2；混凝土强度等级：C20；二、闸门结构的形式及布置1、闸门尺寸的确定（图 设-1）闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为 0.2m，故闸门高度=6+0.2=6.2（m）；闸门的何在跨度为两侧止水的间距：L1=12m；闸门的计算跨度：L=L0+2d=12+20.2=12.40 (m)。2、主梁的形式主梁的形式应根据水

2、头和跨度大小而定，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。3、主梁的布置根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。为使两个主梁在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合力的 作用线y =H/3=2.0m( 图设-1) ， 并要求下悬臂 a 0.12H 和 a 0.4m 、 上悬臂c 0.45H ，今取a = 0.7m 0.12H = 0.72(m)主梁间距：2b = 2( y - a) = 2 (2 - 0.7) = 2.6(m)-完整版学习资料分享-WORD 格式-可编辑-专业资料-则c = H - 2b - a = 6 - 2.6 - 0.7 = 2.7

3、(m) = 0.45H （满足要求）4、梁格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，梁格布置的具体尺寸详见 图 设-25、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 3.1m， 横隔板兼作竖直次梁。（2） 纵向连接系，设在两个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单腹式，行走支承采用胶木滑道。三、面板设计根据 SL 7495水利水电工程钢闸门设计规范修订送审稿，关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁界面选择之后

4、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 设-2 所示。面板厚度可按下式计算：t = akp0.9as当 b/a3 时，a = 1.5 ，则t = akp= 0.068a kp0.9 1.5 160当 b/a3 时，a = 1.4 ，则t = a现列 表-1 计算如下：kp= 0.070a kp0.9 1.4 160-完整版学习资料分享-WORD 格式-可编辑-专业资料-表-1面板厚度的估算区格a(mm)1650b (mm)3090b/a1.87k0.656P(N/mm2)0.007kp0.068t (mm)7.6399030903.130.5000.

5、0210.1027.07 面 板b 都与 梁接 焊主 梁84030903.680.5000.0310.1257.3577030904.010.5000.0400.1427.6567030904.610.5000.0480.1557.2651030906.060.7500.0550.2037.25注 ： 1. 变长 a、从 面 板格 的 连缝算起， 上 翼 缘宽度为 180mm（详见于后）2. 区格、中系数 k 有三边定一边简支板查得。根据上表计算，选用面板厚度 t=8mm。四、水平次梁、顶梁和底梁的设计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，作用在它们上面的水压力可按下

6、式计算：上下q = p a+ a2列表-2 进行计算梁轴线处 水压强度（kN/m2）1（顶梁）梁间距（m）a+ a上下2q = p a上 + a下2备注顶梁荷载的计算23（主梁）456（下主梁）7（底梁）15.426.535.844.051.957.81.721.130.950.840.810.60R1=1.75 15.4 1.5723 = 3.681.723.681.42521.951.04027.560.89532.040.82536.300.70536.590.40023.12有表-2 计算后得 q = 181.24KN / m水平次梁的计算荷载取 36.30KN/m，水平次梁为四跨连续

7、梁，跨度为 3.1m（图 设-3）。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为M= 0.077ql2 = 0.077 36.3 3.12 = 26.9(KN m)次中-完整版学习资料分享-WORD 格式-可编辑-专业资料-支座 B 出的负弯矩为M= 0.107ql2 = 0.107 36.3 3.12 = 37.32(KN m)次B2、截面选择图 设-3 水平次梁计算简图和弯矩图=M37.32 106W233250(mm3 )s 160考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选22a，由槽钢表查得A=3184mm2W =217600mm3I =23939000mm4xxb =77mmd=7mm1面板参加次梁工作

8、的有效宽度可由公式 B b1+ 2c 及 B = x b 计算，然后取其中的较小值。B b1+ 60t = 77 + 60 8 = 557(mm)B = x b （对跨间正弯矩段）1B = xb （对支座负弯矩段）2b + b840 + 810按 5 号量计算，设两间距b =12 = 825(mm)。确定上式中面板22的有效宽度系数x 时，需要知道梁弯矩零点之间的距离 l 与梁间距 b 之比值。对0于第一 跨中正 弯矩取 l0= 0.8l = 0.8 3100 = 2480(mm) ， 对于支 座负弯矩段 取l = 0.4l = 0.4 3100 = 1240(mm) 。根据 l /b 查面板

9、有效宽度系数表：001对于 l /b=2480/825=3.006，得x =0.84，则 B=0.84825=693（mm）02对于 l /b=1240/825=1.503，得x =0.42，则 B=0.42825=347（mm）0对第一跨中选用 B=557mm，则水平次梁组合界面面积（图 设-4）为-完整版学习资料分享-WORD 格式-可编辑-专业资料-A = 3184 + 557 8 = 7640(mm2 )组合截面形心到槽钢中心线距离为557 8 114e = 66(mm)7640跨中组合截面的惯性矩及截面模量为I= 23939000 + 3184 662 + 557 8 482次中Wm

10、in= 4807512（8= 48075128176mm 4 )= 273154(mm3 )对支座段选用 B=347mm，则组合截面面积：A = 3184 + 8 347 = 5960(mm2 )组合截面形心到槽钢中心线距离：347 8 114e = 53(mm)5960支座处组合截面的惯性矩及截面模量：I= 23939000 + 3184 532 + 347 8 612 = 43212352(mm4 )次B43212352W=min163= 265106(mm3 )3、水平次梁的强度验算由于支座 B(图 设-3)处弯矩最大，而截面模量较小故只需验算支座 B 处截面的抗弯强度，即o= M次B次

11、W37.32 106s= 140.7(N / mm2 ) = 160N / mm2 265106min说明水平次梁选择22a 满足要求扎成梁的剪应力很小，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=37.32KNm，则边跨挠度可近似计算：w5ql3Ml=-次Bl384 EI次16EI次=5 36.3 （3.1103）3-37.32 106 3.1103384 2.06 105 4807512816 2.06 105 48075128= 0.000692 w = 1 = 0.004l250故水平次梁选用22

12、a 满足强度要求和刚度要求。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，必须加强顶梁刚度， 所以也采用22a。底梁也采用22a。-完整版学习资料分享-五、主梁设计-WORD 格式-可编辑-专业资料-（一）设计资料（1） 主梁跨度（图 设-5）：净跨（孔口宽度）L0=12m，计算跨度 L=12.4m，荷载跨度 L1=12m；（2） 主梁荷载： q = 88.2kN / m ；（3） 横向隔板间距：3.1m；（4）主梁容许挠度w = L / 600.。（二）主梁设计主梁设计内容包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板局部稳定验算；面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。1、截

13、面选择（1） 弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下：88.2 1212.412MmaxV= (-) = 1693(kN / m) 224ql1=1 = 88.2 12 = 529(kN )max22（2） 需要的截面模量。已知 Q235 钢的容许应力s = 160kN / mm2 ，考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力为s = 0.9 160 = 144kN / mm2 ， 则需要的截面模量为W = Mmax1693 100= 11757(cm3 )s 144 0.1（3） 腹板高度的选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为s L144 102 12.4 102hmin= 0.96 0.23

14、= 0.96 0.23 = 114.8(cm)Ew / L2.06 107 (1/ 600)经济梁高hec= 3.1W 2 / 5 = 3.1117572 / 5 = 131.67(cm)由于钢闸门中的横行隔板重量将随主梁的增高而增加，故主梁高度宜选得比-完整版学习资料分享-WORD 格式-可编辑-专业资料-hec 小，但是不小于 hmin，现选用腹板高度 h0=120cm。（4） 腹板厚度的选择。按经验公式计算t =h /11 = 120 /11 = 1.00(cm) ，选w用t = 1.00cm 。w（5） 翼缘截面的选择。每个翼缘需要的截面为0A = W - twh117571.0 12

15、0=-= 78(cm2 )1h612060下翼缘选用t1=2.0cm （符合钢板规格）A需要b =11 = 78 / 2.0 = 39cm ，选用bt1= 40cm（在 h/2.5h/5=4824cm 之间）。1上翼缘的部分截面可以利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用 t1=2.0cm，b1=18.0cm。面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为B = b1+ 60d = 18 + 60 0.8 = 66(cm)上翼缘截面面积A = 18 2.0 + 66 0.8 = 88.8(cm2 )1（6） 弯应力强度验算。主梁跨中截面（图 设-6）的几何特性见表-3。截面形心距： Ay1y =

16、A= 17526289= 60.7(cm)截面惯性矩：t h31.0 12032I = w 0 +Ay =+ 6359361212= 779936(cm4 )截面模量： 上翼缘顶边I779936W=max= 12849(cm3 )y60.71下翼缘底边I779936W=min= 12849(cm3 )y64.12弯应力：M1693 100o =maxW= 13.9(kN / cm2 ) 0.9 16 = 14.4(kN / cm2 )（安全） 12167min-完整版学习资料分享-WORD 格式-可编辑-专业资料-表-3主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸（cmcm）截面面积各形心离面板Ay (

17、cm2)表面的距离 y(cm)(cm3)各形心离中和轴的距离 y=y-y1Ay2 (cm4)面板部分660.852.80.412.12-60.3191986上翼缘板182.036.01.864.8-58.9124892腹板1201.0120.062.875362.1529下 翼 缘402.080.0123.8990463.1318529合 计28917526635936（7） 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，故梁的挠度也不必验算。2、截面改变因主梁的跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度（节省钢材），有必要将

18、主梁支承端腹板高度减小为hs = 0.6h = 0.6 120 = 72(cm) （图00设-7）。梁高开始改变的位置取在邻近支承段的横向隔板下翼缘的外侧（图 设-8），离开支承端的距离为 310-10=300cm。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强度。主梁支承端截面的几何特性见表-4.-完整版学习资料分享-部位截面尺寸截面面积各形心离面板Ay各形心离中和轴的Ay2（cmcm）(cm2)表面的距离 y(cm)(cm3)距离 y=y-y1(cm4)面板部分660.852.80.412.12-36.670729上翼缘板182.

19、036.01.864.8-35.244605腹板721.072.062.827941.8233.3下 翼 缘402.080.0123.8606438.8120435合 计240.88934.5236002-WORD 格式-可编辑-专业资料-截面形心距： yt=t=1= 8934.5 = 37(cm)240.81 723V截面惯性矩： I0=+ 236002 = 267106(cm4 )012截面下半部对中和轴的面积矩：S = 80 38.3 + 37.8 1.0 剪应力：37.8202= 3818(cm3 )t = maxI tS529 38187.56(kN / cm2 ) 9.5kN /

20、cm2 （安全）267106 1.00 w3、翼缘焊缝翼缘焊缝的厚度应按受力最大的支承端截面计算。最大剪力V= 529kN ，截面惯性矩 I = 267106cm4 。max0上翼缘对中和轴的面积矩： S1下翼缘对中和轴的面积矩： S2VS= 52.8 36.2 + 36 35.2 = 3178.6(cm3 )= 80 * 38.8 = 3104(cm3 ) 80 ，故需要设置横向加劲肋，t1.0w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=310cm。腹板区格划分见图 设-8。-完整版学习资料分享-WORD 格式-可编辑-专业资料-ots梁高与弯矩都较大的区格

21、可按式(scr区格左边及右边截面的剪力分别为)2 + (tcr)2 + sc 1 验算：h0 / twfy177235h / t0w41 5.34 + 4(h / a)20fy23541 5.34 + 4(120 / 310)2c.crhV= 529 - 88.2 (6 - 3.1) = 273(kN ) ；V= 0左右区格截面的平均剪应力为（V+ V）/ 2273 / 2t =左右h t= 1.14(kN / cm2 ) = 11.4N / mm2120 1.00 w区格左边及右边截面上的弯矩分别为M= 529 3.1 - 88.2 6 - 3.1）2 / 2 = 126（9左kN / m）

22、区格的平均弯矩为M= M右max= 1693kN / m1269 + 1693M =2= 1481(kN m)区格的平均弯应力为o= M y1481 5911060 = 122.2(N / mm2 )I779936 104计算scrl =b= 120 /1.0 1 = 0.68 1.0,故cr120 /1.0l =s1 = 1.2则t= 1 - 0.59(lcrs- 0.8)t = 1 - 0.59(1.2 - 0.8) 95 = 72.58(N / mm2 )o = 0c由以上数据得122.211.4()2 + ()2 = 0.58 + 0.02 = 0.60 1.00 （满足局部要求）16

23、072.58故在横隔板之间（区格）不必增设横向加劲肋。再从剪力最大的区格来考虑：该区格的腹板平均高度为0= 1 (120 + 72) = 96(cm)2-完整版学习资料分享-WORD 格式-可编辑-专业资料-由于区格的梁高减小，故也不需要设加劲肋。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，直接与主梁相邻的区格，只有区格所需要的板厚较大，这意味着该区格的长边中点的应力较大，所以选取区格（图设-2）验算其长边中点的折算应力。面板区格在长边的中点的局部弯曲应力：kpa20.5 0.04 7702o=myt 2= 185(N / mm2 ) 82o= msmxmy= 0.31

24、85 = 56(N / mm2 )对应于区格在长边中点的主梁弯矩（图 设-5）和弯应力：88.2 4.452M = 88.2 6 4.65 -= 1587(kN m) 2M1587 106o= 123.6(N / mm2 )0 xW12.84 106面板区格的长边中点的折算应力o=s 2zhmy+ (smx+ s )2 - s(s0 xmymx+ s )0 x= 1852 + (56 - 123.6)2 - 186 (56 - 123.6)= 226.6(N / mm2 ) as = 1.5 160 = 240(N / mm2 )上式中s、smy和smx0 x的取值均以拉应力为正号，压应力为负

25、号。故面板的厚度选用 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三角形分布的水压力来代替（图 设-1），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2.7 26.52.7M = 3.10 23= 99.8(kN m)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 1200mm8mm，上翼缘利用面板， 下翼缘采用 200mm8mm 的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度按B = x b 确2定，其中-完整版学习资料分享-b=3100mm，

26、按-WORD 格式-可编辑-专业资料-l0 = 2 2700 = 1.74 ，从“面板的有效宽度系数表”差得xb310023100=1437（mm），取 B=1300mm。计算如图 设-9 所示的截面几何特性。截面形心到腹板中心线的距离：1300 8 604 - 200 8 604e = 246(mm)1300 8 + 200 8 + 1200 8截面惯矩：8 12003= 0.46 ，则 B=0.46I =+ 8 1200 2462 + 8 200 8502 + 8 1300 3582 = 421895 104 (mm4 ) 12截面模量：验算弯应力Wmin421895 104= 49402

27、22(mm3 ) 854o =sM83.7110620.2(N / mm2 ) Wmin4940222由于横隔板截面的高度较大，剪切强度更不必验算。横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度h = 6mm 。f七、纵向连接系的设计1、荷载和内力计算纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶自重 G 按下式计算：G = K K KH 1.43 B0.88 9.8z cg= 0.811.0 0.13 6.01.43 120.88 9.8 = 119.1(kN )下游纵向连接系承受0.4G = 0.4 119.1 = 47.6(kN )纵向连接系视作简支梁的平面桁架，其桁架俯瞰布置如图 设-10 所示：47.

28、6 = 11.91(kM )4杆件内力计算结果如图 设-10 所示。2、斜杆截面的计算-完整版学习资料分享-WORD 格式-可编辑-专业资料-斜杆承受最大拉力 N = 27.77kN ，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受的压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即l l = 200 。选用单角钢 L1008，由查表得： 截面面积A=15.6cm2=1560mm2回转半径iy 0= 1.98cm = 19.8mm斜杆计算长度l0= 0.9 2.62 + 3.12 + 0.42 = 3.66(m)0长细比l = liy 0= 3.66 103 = 168.2 l = 200 19.8验算拉杆强度：os27

29、.77 103= 17.8(N / mm2 ) 0.85 = 133N / mm2 1560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。3、斜杆与结点板的连接计算参照有关规范，在此不予详表。八、边梁设计边梁的截面形式采用单腹式（图 设-11），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，为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不易小于 300mm边梁是扎满的重要受力构件，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 设-12。（1）

30、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，可假定这些荷载有主梁传个边梁。每个主梁作用于边梁的荷载为 R=529kN。（2） 竖向荷载。有闸门自重、滑到摩阻力、止水摩阻力、起吊力等。-完整版学习资料分享-WORD 格式-可编辑-专业资料-上滑块所受的压力R1下滑块所受的压力R2= 529 2.6 = 417(kN ) 3.3= 1058 - 417 = 641(kN )最大弯矩Mmax= 417 0.7 = 291.8(kN / m)最大剪力Vmax= R = 417(kN )1最大轴向里为作用在一个边梁上的起吊力，估计为 200kN(详见于后)。在

31、最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力 N = 200 - R f = 200 - 417 0.12 = 149.96(kN ) 。12、边梁的强度验算截面面积A = 720 10 + 2 300 14 = 15600(mm2 )面积矩Smax= 14 300 367 + 10 360 180 = 2189400(mm3 )截面惯性矩I =10 720312+ 2 300 14 3672 = 1442427600(mm4 )截面模量W =1442427600374= 3856758(mm3 )截面边缘最大应力验算：o= N + Mmax= 149.96 103 +

32、298.2 106 = 9.6 + 77.3maxAW156003856758= 86.9(N / mm2 ) 0.8s = 0.8 157 = 126(N / mm2 )腹板最大剪应力验算：Vt = maxSmax= 417 103 2189400It1442427600 10w= 64(N / mm2 ) 0.8t = 0.8 95 = 76(N / mm2 )腹板与下翼缘连接处折算应力验算：o = N + Mmaxy360=+=9.677.384.0(N / mm2 )AWy374Vt = max SiIt417 103 300 14 367= 45.5(N / mm2 )1442427

33、60010wo 2 + 3t 2842 + 3 452o=2h= 114.6(N / mm2 ) 0.8s = 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块计算：滑块位置如图设-12 所示，下滑块受力最大，其值为-完整版学习资料分享-WORD 格式-可编辑-专业资料-R = 632kN 。设滑块长度为 350mm，则滑块单位长度的承压力为2632 103q = 1805(N / mm) 350根据上述 q 值由表-2 查得轨顶弧面半径 R=150mm，轨头设计宽度为 b=35mm。胶木滑道与轨道顶弧面的接触应力按下式进行验算：o= 104q=

34、104 1805maxR150= 361(N / mm2 ) s = 500N / mm2j选定胶木高 30mm，宽 120mm，长 350mm。十、胶木滑块轨道设计（图 设-13）1、确定轨道底板宽度轨道底板宽度按混凝土承压强度决定。根据 C20 混凝土由轴套材料及混凝土承压容许应力表查得混凝土的容许承压应力为s = 100 N / mm2 ，则h所需要的轨道底板宽度为B =qhsh= 1805 = 257(mm) ， 取7B = 280mmh故轨道底面压应力：2、确定轨道底板厚度o= 1805h280= 6.4(N / mm2 )轨道底板厚度d 按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力：o

35、= 3sc2 sh t 2式中轨道底板的悬臂长度 c=122.5mm，对于 Q235 由机械应力容许应力表查得s = 100N / mm2 。故所需轨道底板厚度：3s c23 6.4 122.52t =sh= 53.7(mm) ，取 t=55mm100十一、闸门启闭力和吊座计算1、启门力按下式计算T = 1.1G + 1.（2 T + T ）+ P启zdzsx-完整版学习资料分享-WORD 格式-可编辑-专业资料-其中闸门自重G=119.1kN滑道摩阻力Tzd= fP = 0.12 2118 = 255(kN )止水摩阻力Tzs = 2 fbHp因橡皮止水与钢板间摩擦系数f = 0.65橡皮止

36、水受压宽度取为b = 0.06m每边侧止水受水压长度 H = 6.0m侧止水平均压强p = 29.4kN / m2故T = 2 0.65 0.06 6 29.4 = 13.8(kN )zs下吸力 Px 底止水橡皮采用11016 型，其规格为宽 16mm，长 110mm。底止水沿门跨长 12.4m。根据 SL 7495 修订稿：启门时闸门底缘平均下吸力强度一般按 20kN/m2 计算,则下吸力：故闸门的启门力：P = 20 12.4 0.016 = 4.0(kN )xT启2、闭门力按下式计算= 1.1119.1 + 1.2 （255 + 13.8）+ 4.0 = 45（8kN）T = 1.（2 T闭zd+ T ）- 0.9Gzs= 1.2 (255 + 13.8) - 0.9 119.1 = 215.4(kN )显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。由于该溢洪道闸门孔口较多， 若把闸门行走支承