水工平面钢闸门结构计算书(共33页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上一、 设计资料工程名称：马尾区白眉供水工程输水道进口闸门闸门用途：该闸门设于输水道，作为输水道进口的工作事故闸门，当压力钢管发生事故时，应将闸门迅速下降，关闭进水口，另外定期检修输水道时，同样关闭此门。闸门型式：焊接平面钢闸门，其面板在上游，顶、侧止水亦在上游，另设加重块，满足起闭力。孔口数量：3孔。孔口尺寸：宽高=8.006.00m2。设计水头Hr：5.40m。吊点中心距：4.0m。门叶结构：焊接钢结构。结构材料：Q235。焊条：E43。止水橡皮：侧止水用P45-A型，底止水用110-16型。行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2。起闭机型式：双吊点卷扬式。起

2、闭机容量：225吨。混凝土强度等级：C20。规范：水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95。二、 闸门结构的形式及布置2.1 闸门尺寸的确定（图1）闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.3m，故闸门高度H=5.4+0.3=5.7m。闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=8.0m。闸门的计算跨度：式中L0闸门孔口的净宽，m；d行走支承中心线到闸墩侧壁的距离，取0.2m。闸门的总水压力： 图1 闸门主要尺寸图(单位：mm)2.2 主梁的形式主梁的形式应根据水头和跨度大小而定，本闸门属中等跨度，为了方便制造与维护，决定采用实腹式组合梁。2.3 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

3、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P的作用线，且两主梁间的距离b值要尽量大些，并要求上主梁到闸门顶缘的距离，并不大于3.6m。另，底主梁到底止水的距离应符合底缘布置的要求。对于工作闸门和事故闸门下游倾角应不小于30，当不能满足30的要求时应采取适当补气措施。，考虑到若c太小，则不能满足30的要求。取c=2.565m，那么两主梁的间距。2.4 梁格的布置形式梁格采用复式和等高连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支承。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2。专心-专注-专业2.5 连接系的布置和形式1

4、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2.1m，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。2.6 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。3.1 估算面板厚度假定梁格布置如图2所示，面板估算厚度按式(3-1)计算： (3-1)式中ky弹塑性薄板支承长边中点弯应力系数；弹塑性调整系数，时，；时，；q面板计算区格中心的水压力强度，；g水的容重，9.81kN/m3；h水头，m；

5、a、b面板计算区格的短边和长边长度，mm，从面板与主梁(次)梁的连接焊缝算起；钢材的抗弯容许应力，假设面板厚度小于16mm，取160N/mm2。现列表1计算如下：表1 面板厚度的估算区格a(mm)b(mm)b/akyh(m)q(N/mm2)ad(mm)143520901.46 0.550.6180.0061 1.55.63 89020902.35 0.4991.7500 0.0172 1.55.60 75020902.79 0.52.710 0.0266 1.55.88 63020903.32 0.53.4700 0.0340 1.45.75 58020903.60 0.54.1450 0.0

6、407 1.45.79 36020905.81 0.54.6850 0.0460 1.43.82 29520907.08 0.745.1530 0.0506 1.43.99 注1.面板边长a、b都从面板与梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽度为140mm、次梁上翼缘宽度为70mm、顶梁和底梁上翼缘宽度为70mm(详见于后)；2.区格、中系数ky由三边固定一边简支板查得。根据上表计算，选用面板厚度d=6mm，满足面板厚度小于16mm的假定。3.2 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拉力P按下式计算，已知面板厚度d=6mm，并且近似地取板中最大弯应力，则面板与主梁连接焊缝方

7、向单位长度内的剪力：式中V主梁的最大剪力，286.06kN；S主梁端部截面面板部分对组合截面的面积矩，参照表4计算，cm3；I0主梁端部截面的惯性矩cm4按下式计算面板与主梁连接的焊缝厚度：面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=6mm。四、 水平次梁、顶梁和底梁的设计4.1 荷载与内力计算水平次梁和顶梁、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式(3-2)计算，即(3-2)式中p次梁轴线处的水压强，kN/m2；a上、a下水平次梁轴线到上、下相邻梁间的距离，见图2。列表2计算后得根据表2计算结果，水平次梁计算荷载取q=22.62kN/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.1m(见图

8、3)。图2 水平次梁计算简图和弯矩图(单位：mm)水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为支座B处的负弯矩为：所以，次梁的设计弯矩4.2 截面选择水工钢闸门的水平次梁一般采用Q235热轧普通槽钢，假定所用槽钢属于第一组钢材，其强度设计值，所以次梁所需的截面模量考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选12.6，查型钢表得：A=1569mm2；Wx=62137mm3；Ix=mm4；b=53mm；t=5.5mm。面板参加次梁工作的有效宽度分别按式(3-3)及式(3-4)计算，然后取其中较小值。或(3-3)(3-4)式中b0主、次梁的间距，mm；b1、b2次梁与两侧相邻梁的间距；、有效宽度系数，查表，用于正弯矩、用

9、于负弯矩；d面板厚度，6mm；b梁胁宽度，即次梁上翼缘宽度，53mm。表2 水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算梁号h(m)梁轴线处水压强度p(kN/m2)梁间距(m)(a上+a下)/2(m)q(kN/m)1(顶梁)3.071.43521.26512.4 1.162514.41 0.893(上主梁)2.26522.2 0.820 18.20 0.7543.11530.5 0.6921.06 0.6353.81537.4 0.60522.62 0.5864.46543.8 0.4720.57 0.36 7(下主梁)4.93548.4 0.327515.84 0.2958(底梁)5.351.9 0.

10、247512.86 0.2选取荷载最大的5号梁进行计算，从表2可知b0=0.605m=605mm。确定式(3-3)中面板的有效宽度系数x时，需要知道梁弯矩零点之间的距离l0与梁间距b0之比值。对于第一跨中正弯矩段取对于支座负弯矩段取当，得，则当，得，则另外，。图3 面板参加水平次梁工作后的组合截面(单位：mm)对于第一跨中选用B=413mm，则水平次梁组合截面面积(见图4)为组合截面形心到槽钢中心的距离为 跨中组合截面的惯性矩及截面模量为对于支座选用B=238mm，则水平次梁组合截面面积为组合截面形心到槽钢中心的距离为跨中组合截面的惯性矩及截面模量为4.3 水平次梁的强度验算由于支座B(图3)

11、处弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处的截面的抗弯强度，即由上可知，水平次梁选用14b不能满足要求。因此，改用14a。查型钢表得：A=1851mm2；Wx=80500mm3；Ix=mm4；b=58mm；t=6mm。因为次梁所需的截面模量为，选择14a足以抵抗而不必考虑利用面板强度。另外，轧成梁的剪应力一般很小，可必验算。4.4 水平次梁的挠度计算受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在边跨，根据规范要求，次梁的最大挠度与计算跨度之比不应超过l/250。水平次梁在B支座处截面的弯矩。边跨挠度可近似按下式计算：故水平次梁选用14a满足强度和刚度要求。4.5 顶梁和底梁顶梁所受荷载较小，但考虑

12、水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度，所以也采用14a。底梁也采用14a。五、 主梁设计5.1 设计资料主梁跨度：净跨(孔口宽度)L0=8m，计算跨度L=8.4m，荷载跨度L1=8m。主梁荷载：根据等荷载原则，每根主梁：0-。横隔板间距：2.1m。 主梁容许挠度：5.2 截面选择1) 弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下：2) 需要的截面模量。假设组合梁的翼缘、腹板厚度均小于16mm。那么Q235钢的容许应力，考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力为则需要的截面模量为3) 腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高(变截面梁)为经济梁高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

13、比hec小，但不小于hmin。现选用腹板高度h0=85cm。4) 腹板厚度选择。按经验公式计算：，选用。5) 翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为一般，翼缘宽度：，选用下翼缘厚度需要，选用，满足翼缘的局部稳定要求。上翼缘的部分截面面积可利用面板，故只需设置较小的翼缘板同面板相连，选用，。面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为上翼缘截面积弯应力强度验算。主梁跨中截面(图5)的几何特性见表3。图4 主梁跨中截面(单位：mm)表3 主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸(cmcm)截面面积A(cm2)各形心离面板表面距离y(cm)Ay(cm3）各形心离中和轴距离y=y1-y2(cm)Ay2(cm4)面板部分490

14、.629.40.38.82-42.0 51813.6 上翼缘板131.316.91.2521.125-41.0 28451.3 腹板850.976.544.43396.62.1 343.6 下翼缘板301.33987.553414.4545.3 79923.6 合计161.86840.995.1 截面形心矩：截面惯性矩：截面模量：上翼缘顶边上翼缘顶边弯应力：由此可见，主梁强度满足要求。6) 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。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

15、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。5.3 截面改变因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度(节省钢材)，有必要将主梁支承端腹板高度减小为(图6)。图5 主梁支承端截面(单位：mm)梁高开始改变的位置取在邻边近支承端的横向隔析下翼缘的外侧(图7)，离开支承端的距离为210-7.5=202.5cm。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。图6 主梁变截面图表4 主梁端部截面的几何特性部位截面尺寸(cmcm)截面面积A(cm2)各形心离面板表面距离y

16、(cm)Ay(cm3）各形心离中和轴距离y=y1-y2(cm)Ay2(cm4)面板部分490.729.40.38.82-25.4 19015.7 上翼缘板131.316.91.2521.125-24.5 10129.4 腹板510.945.927.41257.661.7 127.7 下翼缘板301.33953.552088.4527.8 30179.5 合计131.23376.05559452.4 截面形心矩：截面惯性矩：截面下半部对中和轴的面积矩：腹板厚度小于16mm，对于Q235属于第一组钢材，抗剪容许应力。剪应力：可见主梁剪应力满足要求。5.4 翼缘焊缝翼缘焊缝采用角焊缝，对于第一组钢材

17、的焊缝抗拉、抗压和抗剪强度翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。最大剪力，截面惯性矩。上翼缘对中和轴的面积矩：下翼缘对中和轴的面积矩： 翼缘焊缝需要角焊缝最小厚度，tmax为较厚焊件厚度，即下翼缘厚度13mm。最大厚度，tmin为薄焊件的厚度，即面板厚度6mm。全梁的上、下翼缘焊缝都采用。5.5 腹板的加劲肋和局部稳定验算加劲肋的布置：因为，且不大于170，为保证腹板的局部稳定性，须设置横向加劲而不必设置纵向加劲肋。因闸门上已布置横向隔板可兼作加劲肋，其间距a=210cm。腹板区格划分见图7。梁高与弯矩都较大的区格可按式(3-5)验算：(3-5)区格左边及右边截面的剪力分别为；区格截面的

18、平均剪应力为区格左边及右边截面的弯矩分别为区格截面的平均弯矩为区格截面最大弯应力点y0=y2-t1=459-13=446mm。计算通用高厚比(受压翼缘扭转受到约束)：所以，。由于区格长短边之比为2.1/0.85=2.51.0，按下式计算ls：因为，所以无局部应力，所以将以上数据代入式(3-5)有满足局部稳定要求。故在横隔板之间不必增设横加劲肋。再从剪力最大的区格来考虑：该区格的腹板平均高度。因，可不必验算。故在梁高减小的区格内也不必另设横向加劲肋。5.6 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，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格所需要的板厚厚度较大，所以选取区格(图2)

19、按下式验算其长边中点的折算应力。面板区格在长边中点的局部弯曲应力：对应于面板区格在长边中点的主梁弯矩(图5)和弯应力：面板区格的长边中点的折算应力上式中、和的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。故面板板厚选用6mm，满足强度要求。考虑工作环境防腐条件等因素增加1-2mm腐蚀裕度，取面板厚度为8mm。六、 横隔板设计6.1 荷载和内力计算图7 横隔板截面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6.2 横隔板截面选择和

20、强度计算其腹板选用与主梁腹板同高，采用8508mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用2008mm的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度按确定，其中，按，查表得有效宽度系数，则，取B=1200mm。列表5计算如图9所示的截面几何特性：表5 横隔板截面的几何特性部位截面尺寸(cmcm)截面面积A(cm2)各形心离面板表面距离y(cm)Ay(cm3）各形心离中和轴距离y=y1-y2(cm)Ay2(cm4)面板部分1200.6720.321.6-27.4 54237.0 腹板850.86843.12930.815.4 16030.4 下翼缘板200.81686137658.3 54296.2 合计1564328.4

21、.5 截面形心矩：截面惯性矩：截面模量：弯应力：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焊缝厚度。七、 纵向连接系设计7.1 荷载和内力纵向连接系承受闸门自重。当，露顶式平面钢闸门门叶自重G按式(3-6)计算：(3-6)式中H、B孔口高度及宽度，分别取6m、8m；Kz闸门行走支承系数，滑动式支承取0.81；Kc材料系数，闸门用普通碳素钢时取1.0；Kg孔口高度系数，当时，取0.13。计算得钢闸门门叶自重G=83.48kN。下游纵向连接系承受0.4G=0.483.48=33.39kN纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹杆布置如图10所示：图8 纵向连接系计算简图(尺寸

22、单位：mm，荷载内力：kN)其结点荷载为利用结构力学求解器得杆件内力计算结果如表6所示。表6 各杆件内力计算结果表单元码123456789轴力(kN)0.0 9.1 9.1 0.0 -17.1 -9.1 -12.1 -12.1 -9.1 单元码1011121314151617轴力(kN)-17.1 -12.8 -8.6 -12.8 15.7 5.2 5.2 15.7 7.2 斜杆截面计算斜杆承受最大压力N=-17.1kN，对于联系构件，其容许长细比为l=200。拟选用单角钢L1008，查表可得：截面面积A=15.6cm2=1560mm2弱轴回转半径iy0=1.98cm=19.8mm端部主梁变截

23、面处的斜杆长度最大，属于斜平面，一般取其计算长度，l为杆件的实际几何长度。那么长细比考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行验算拉杆强度：八、 边梁设计边梁的截面形式采用单腹式(图10)，边梁截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁端部高度(510mm)相同，腹板厚度与主梁腹板厚度(9mm)相同，为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不小于300mm。图9 边梁截面(单位：mm)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%作为考虑受扭影响的安全储备。8.1 荷载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11。1) 水平荷载。主要是主梁传来

24、的水平荷载，还有水平次梁和顶梁、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。2) 竖向荷载。有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、起吊力等。上滑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起吊力，估计为200kN(详细计算与后)。在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，该轴向力图10 边梁计算图8.2 边梁强度验算截面面积面积矩截面惯性矩截面模量截面边缘最大应力验算：腹板最大剪应力验算：腹板与下翼缘连接处折算应力验算：强度满足要求。九、 行走支承设计行走支承采用胶木滑块。胶木滑块计算：滑块位置如图11所

25、示，下滑块受力最大，其值为，设滑块长度为250mm，则滑块长度的承压力为根据上述q值查表可得顶轨弧面半径R=150mm，轨头设计宽度b=35mm。胶木的容许接触应力，那么胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按下式进行验算：选定胶木高30mm，宽120mm，长250mm。十、 胶木滑块轨道设计(图12)10.1 确定轨道底板宽度轨道底板宽度按混凝土承压强度决定。查表得C20混凝土的容许承压应力为，则所需的轨道底板宽度为取。图11 胶木滑块支承轨道截面故轨道底面压应力：10.2 确定轨道底板厚度轨道底板厚度t按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力：式中c轨道底板悬臂长度，87.5mm；对于Q235零件的容

26、许应力，100N/mm2。故所需轨道底板厚度：取t=40mm。十一、 闸门启闭力和吊座计算11.1 启门力按式(3-7)计算(3-7)其中闸门自重=83.48kN滑道摩阻力止水摩阻力因 橡皮止水与钢板间的摩擦系数f=0.65橡皮止水受压宽度取为b=0.06m每边侧止水受水压长度H=5.4m侧止水平均压强故底止水橡皮采用I110-16型，其规格为宽16mm，长110mm。底止水沿门跨长Bzx=8.4m。根据规范，启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m2计算，则下吸力：式中，D2为闸门底止水到主梁下翼缘的距离，取0.016m。故闸门启门力：起闭机容量为225吨，所能提供的启门力，满足启门要求

27、。11.2 闭门力计算显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。考虑采用一个重量为200kN的加载梁，在闭门时可心依次对需要关闭的闸门加载下压关闭。由于时间关系，在本次课程设计中，加载梁的不进行设计。11.3 吊轴和吊耳验算(图13)11.3.1 吊轴计算采用Q235钢，查表得容许剪应力，采用双吊点，每边起吊力为吊轴每边剪力需要吊轴截面积吊轴直径取吊轴直径d=80mm。图12 吊轴与吊耳板(单位：mm)11.3.2 吊耳板强度验算按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按下式计算，对于Q235钢的局部承压容许应力，故左右横隔板向上延伸，其端部的两侧各焊一块厚度为20mm的轴承板。这样吊耳的中心距为4.2m。轴承板采用圆形，其直径取为。吊耳孔壁拉应力按式(3-8)计算：(3-8)式中，吊耳板半径R=120mm，轴孔半径r=40mm，查表得，所以孔壁拉应力为：对于Q235钢，。当吊轴能自由转动或能抽出是，应将再乘以0.8的系数。吊耳孔壁拉应力强度满足要求。