露顶式平面钢闸门设计答案.doc

露顶式平面钢闸门设计阐明书

一、设计资料
⑴闸门型式：露顶式平面钢闸门
⑵孔口净宽：8.0 m
⑶设计水头：7.0m
⑷构造材料：235
⑸焊条：焊条采用43型手工焊
⑻止水橡皮：侧止水用型橡皮，底止水用条形橡皮；行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为
⑼混泥土强度等级：C20

⑾规范：《水利水电工程钢闸门设计规范》 （SL 74-1995）

二、闸门构造型式及布置
1. 闸门尺寸确实定:
⑴ 闸门高度：考虑风浪所产生水位超高为0.2 m，故闸门高度5.2+0.2=5.4 m
⑵ 闸门荷载跨度为两侧止水间间距LD=8.0 m
⑶ 闸门计算跨度L=L0+2d=8+2×0.3=8.6 m

2. 主梁型式
主梁型式应根据水头和跨度大小而定，本闸门属于中等跨度(L=5~10)，为了便于制造和维护，采用实腹式组合梁，焊接组合截面。
3. 主梁布置
根据闸门高垮比==1.65>1.55，决定采用双主梁，为使两根主梁在设计水位时所受水压力相等，两根主梁位置应对称于水压力合力作用线y===1.67 m，并规定下悬臂a≥0.12H和a≥0.4 m，上悬臂c≤0.45H和c＜3.6 m。且使底主梁究竟止水距离尽量符合底缘布置规定（即α>30°），先取a=0.12H=0.6 m，则主梁间距：2b=2(y-a)=2×(1.67-0.6)=2.14 m
4. 梁格布置和形式

格采用复式布置和高等连接，三根水平次梁穿过横隔板上预留孔并被横隔板所支承。水平次梁为持续梁，其间距上疏下密，面板各区格所需要厚度大体相等。梁格布置及详细尺寸如下图所示：
5. 联结系布置和形式
（1）横向联结系：根据主梁跨度，采用布置3道横隔板，横隔板兼作竖直次梁，其横向联结间距为L==2.15 m
（2）纵向联结系:采用斜杆式桁架，布置在两根主梁下翼缘竖平面内，并设有4根等肢角钢斜杆。
6. 边梁与行走支承
采用单腹式边梁，行走支承采用双股式滚动行走支承。
三、面板设计
1. 估算面板厚度
假定梁格布置如图所示，面板厚度由公式t= ，且tmax-tmin≤2 mm
当b／a≤3时，α=1.5，则t=0.068a
当b/a＞3时，α=1.4，则t=0.07a
现列表计算如下：
格区
a(mm)
b(mm)
b/a(mm)
k(mm)
P(N/mm 2)

t(mm)
Ⅰ
1500
2150
1.43
0.537
0.0076
0.064
6.53
Ⅱ
960
2150
2.24
0.491
0.020
0.099
6.46
Ⅲ
850
2150
2.53
0.500
0.028
0.118
6.82
Ⅳ
660
2150
3.26
0.500
0.036
0.134
6.19
Ⅴ
630
2150
3.41
0.500
0.042
0.145
6.39
Ⅵ
600
2150
3.58
0.750
0.048
0.190
7.98
注： 区格Ⅰ，Ⅵ中系数k按三边固定一边简支查表得
根据计算成果，选用面板厚度t=8 mm
四、水平次梁、顶梁和底梁设计
1. 荷载与内力计算
水平次梁和顶、底梁都是支承横隔板持续梁，作用在上面水压力按q=p计算
计算列表如下 ：

梁号

梁轴线水压强度p
（KN/m2）

梁间距

(m)
（m）
(mm)
q=p
(m)

备注：
顶梁荷载按下图下式计算
1(顶梁)

2.76
R1=
=2.76KN/m2

1.50
2

14.70

1.230

18.08
0.96
3（上主梁）
24.11
0.905
21.82
0.85
4
32.44
0.755
24.49
0.66
5
38.91
0.645
25.10
0.63
6（下主梁）
45.08
0.615
27.72
0.60
7（底梁）
50.96
0.300
15.29

据表中成果，水平次梁计算荷载取最大值25.10KN/m，水平次梁为四跨持续梁，跨度为2.15m。
水平次梁计算构造简图及弯矩图如下：

水平次梁边跨中正弯矩为：M次中=0.077qL=0.077×25.10×2.152=8.93 KN/m
支座B处负弯矩为：M次B=0.107ql=0.107×25.10×2.152=12.42 KN/m
2、截面选择 ==77625
考虑运用面板作为次梁截面一部分，初选槽钢14a由附表查得：A=1851 ；=80500 ；=5637000 ；=58 mm; d=6 mm
面板参与次梁翼缘工作有效宽度按下式计算，然后取最小值。
B≤+60t=58+60×8=538 mm
B=ξ1b( 对跨间正弯矩段）；
B=ξ2b(对支座负弯矩段）；
按5号梁进行计算，设该梁平均间距b===645 mm，对于第一跨中正弯矩段，零点之间距离:，对于支座负弯矩段取：，根据L0/b查表2—1;
由得ξ1=0.80，则B=ξ1b=0.80×645=516 mm
由得ξ2=0.380，则B=ξ2b=0.380×645=245 mm
对于第一跨中，选用B=516 mm，则水平次梁组合截面积：A=1851+516×8=5978mm2

组合截面形心到槽钢中心线距离：
e==51 mm

跨中组合截面惯性矩及截面模量为：
Ι次中=5637000+1851×512+516×8×232=mm4，Wmin==104423 mm2

组合截面形心到槽钢中心线距离：
e==51 mm
对于支座段，选用B=245 mm，则水平次梁组合截面积：A=1851+245×8=3811 mm2
组合截面形心到槽钢中心线距离：e==38 mm
支座处截面惯性矩及截面模量为：Ι次B=5637000+1851×382+245×8×362= mm4
Wmin==100463 mm2
2. 水平次梁强度验算
支座B处弯矩最大，截面模量也较大，跨中弯矩小，故两处截面抗弯强度都需要验算。
===85.52 N/ mm2 ＜=160 N/mm2
===123.63 N/ mm2 ＜=160 N/mm2
综上可知水平次梁选用[14a满足弯应力强度规定。
3. 水平次梁扰度验算
水平次梁为受均布荷载四跨持续梁，其最大扰度发生在边跨，已求得M次B=12.42 KN/m，Ι次B= mm4， 四跨持续梁，==0.004
==0.0063×=0.0007＜=0.004，满足挠度规定。
4. 顶梁和底梁

底梁计算简图和弯矩图
=0.107=0.107×15.29×2.152 =7.56 KN·m
==
选用[12σ=62.137 ＞=
底梁弯应力强度验算：
=＜=160 N/，满足弯应力规定。
底梁刚度验算：
==0.0063×=0.00119＜=0.004满足刚度规定。
顶梁采用和底梁相似槽钢即[12σ，顶梁弯应力强度验算：
=0.107=0.107×2.76×2.152=1.37 KN·m
=＜=160 N/满足应力强度规定。
顶梁刚度验算：
==0.0063×=0.00021＜=0.004满足刚度规定。
五、主梁设计
（一）已知条件
（1） 主梁跨度：净跨度=8.0m，计算跨度L=8.6m，荷载跨度=8.0m
（2） 主梁荷载：P=H2=×9.8×5.02=122.5 KN/m，==61.25 KN/m
（3） 横隔板间隔：2.15m。
（4） 主梁容许绕度：=。
（二）主梁设计
1. 截面选择
（1）主梁内力分析如图：
主梁简支于边梁上，最大弯矩在跨中，
最大剪力在支承处
== KN·m
= KN
（2）需要截面抵御矩（考虑闸门自重引起附加应力影响）
=
（3）腹板高度h0选择（刚度条件求得最小梁高hmin）
=0.96×0.208×0.96×0.208×
=3.1=3.1×
经济梁高选用梁高h一般应不小于但比稍小，故应选用h=80 cm。
（4）腹板厚度选择：腹板厚度==，选=1.0cm
（5）翼缘截面选择：
每个翼缘所需截面为：A1==34.52
下翼缘选用，因此需要选用。(在之间)，上翼缘部分截面面积可运用面板，故只需设置较小上翼缘板同面板相连，选用。
面板兼做主梁上翼缘有效宽度B=+5t=14+50×0.8=54cm
上翼缘截面面积
（6）弯应力强度验算：
主梁跨中截面几何特性如下表；
部位
截面尺寸
cm2
截面面积
cm2
各形心离面板表面距离y＇

各形心离中心轴距离y=y＇-y

面板部分
54×0.8
43.2
0.4
17.28
-37.78
61660.59
上翼缘板
14×2.0
28.0
1.8
50.4
-36.38
37058.12
腹板
80×1.0
80
42.8
3424
4.62
1707.55
下翼缘板
25×2.0
50
83.8
4190
45.62
104059.22
合计

201.2

7681.68

204485.48
主梁跨中截面形心距面板表面距离y1==

截面惯性矩为:
截面抵御矩为:
上翼缘顶边
下翼缘底边
弯应力＜0.92×23=21.16 KN/，安全
（7）主梁支承端剪应力强度验算
，

＜
（8）整体稳定与刚度验算。
因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按《钢构造设计规范》（GB50017—）规定可不必验算其整体稳定性。又因梁高不小于按刚度规定最小梁高，故梁刚度也不必验算。
2.翼缘焊缝
上翼缘对中和轴面积矩
下翼缘对中和轴面积矩＜
需要焊缝厚度
因此全梁上、下翼缘焊缝均取。
3.腹板加劲肋和局部稳定验算
加劲肋布置：＞，因此需设置横加劲肋，以保证腹板局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋，其间据a=2150mm。腹板区格划分如图：
区格I左边及右边截面剪力分别为
，区格I截面平均剪力为区格I左边及右边截面上弯矩分别为，KN·m
区格I平均弯矩： KN·m
区格I平均弯应力：
=＜0.85

计算由区格长短边之比为2.15/1.15=1.87＞1.0
＜1.2
;
＜1.0满足局稳规定，在区格Ⅰ横隔板之间不必再增设加劲肋。
区格II左边及右边截面剪力分别为
，
区格II截面平均剪力为
区格II左边及右边截面上弯矩分别为 KN·m，
KN·m
区格II平均弯矩： KN·m
区格II平均弯应力：
＜1.0
故在区段II横隔板之间不必再增设加劲肋。
六、面板参与主（次）梁工作折算应力验算
1.主（次）梁截面选定后，还需要按式8-4（p276）验算面板局部弯曲与主次梁整体弯曲折算应力。因水平次梁截面很不对称，面板参与水平次梁翼缘整体弯曲应力与其参与主梁翼缘工作整体弯曲应力要小多，故只需验算面板参与主梁工作是折算应力。
由前文面板计算可见，直接与主梁相邻面板区格，只有区格Ⅵ所需要板厚较大，这意味着该区格场边中点应力也较大，因此选用区格Ⅵ按式8-4验算其长边中点折算应力。
面板区格Ⅵ在长边中点局部弯曲应力为

对应于面板区格Ⅵ长边中点主梁弯矩和弯应力为
KN·m

面板区格Ⅵ长边中点折算应力为
=
=176.78N/mm2 ＜1.1×1.4×160=246.4 N/mm2故面板厚度选用8mm，满足强度规定。
2．面板与梁格连接焊缝计算
面板局部挠曲时产生垂直于焊缝长度方向横拉力P，已知面板厚度t=8mm,并且近似地取板中最大弯应力==160 则
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内剪力
面板与主梁连接焊缝厚度
故面板与梁格连接焊缝取其最小厚度
七、横向连接系-横隔板（竖向次梁）设计
隔板高度取与主梁相似高度定为800mm，隔板厚度与主梁腹板厚度一致取20mm
上翼缘运用面板不设，下翼缘采用b=100―200mm，厚度t=10―12mm扁钢，即规定b=140mm，t=10mm扁钢。由构造规定确定尺寸其横隔板应力很小，故可以不进行强度验算。
八、纵向联结系设计
1、纵向联结系承受闸门自重，露顶式平面钢闸门自重G按下式计算
即，，式中
则KN
下游面纵向联结承受KN，则节点荷载为KN，纵向联结系按支承在边梁上简支平面桁架设计。

纵向连接系计算图
2.斜杆截面计算
斜杆计算长度
斜杆承受最大拉力KN，同步考虑闸门偶尔扭曲时也许承受压力，故长细比限制值应与压杆相似，即λ≤[λ]=200。
根据附录三：选用角钢，回转半径，截面面积A=1930mm
斜杆计算长度：
长细比：＜[λ]=200
拉杆强度验算 N/mm2 ＜0.85[σ]=136 N/mm2满足强度规定。（0.85为考虑单角钢受力偏心影响容许应力折减系数）
九、边梁设计

边梁截面形式采用双腹式，边梁截面尺寸按构造规定确定，截面高度与主梁端部高度相似，腹板厚度与主梁腹板厚度相似。为了便于腹板焊接两腹板间距为300―400mm，闸门每侧边梁上各设两个滚轮。边梁是闸门重要受力构件，由于受力状况复杂，故在设计时可将容许应力值减少20％作为考虑受扭影响安全储备。
1. 荷载和内力计算
（1）水平荷载：边梁所受水平荷载重要是主梁传来支座反力及水平次梁、顶梁传来水平荷载、为了简化计算，可假设这些荷载完全是由主梁传给边梁。

闸门所受荷载： KN
主梁作用于边梁集中荷载 KN
边梁所受荷载 KN
(2)竖直荷载：边梁所受竖向荷载：闸门自重、滑道摩擦力、止水摩擦力、起吊力等。
如图所示，可计算出上滑块所受压力: KN
下滑块所受压力: KN
边梁最大弯矩: KN·m，最大剪力 : KN，启门力：，对于滑动轴承滚轮：
查附录十二得，初定滚轮直径D=600mm，R=D/2=300mm
KN，轮轴半径r=50mm
KN
止水摩擦力：，查附录十二得
KM/m2 ，
KM/m2
KN
KN
=1.2×（41.16+95.55）+1.1×79.33+2.752=254.07 KN
单根边梁受到启门力：N=1.2×/2=1.2×254.07/2=152.4 KN
2. 边梁强度验算
截面面积：A=450×20﹢800×10×2+460×20=34200mm2

截面上半部分对中和轴面积矩mm3
截面惯性矩 = 85mm4
截面惯性模量
截面边缘最大应力验算
KN
＜0.8[σ]=0.8×230=184N/mm2
（计算式中，0.8为考虑到边梁为闸门重要受力构件，且受力复杂，故将容许应力减少20%作为考虑受妞等影响安全储备。如下计算相似。）
腹板最大剪应力验算：
＜0.8[σ]=0.8×95=76 N/mm2
腹板与下翼缘连接处折算应力验算：

＜1.1×0.8[σ]=140.08N/mm2以上验算均满足强度规定。
十、滚动行走支承与轨道设计―Q235
1.滚轮尺寸―单曲率圆柱形滚轮
初定D=600mm，b=100mm，d=100mm并验算D、b、d与否满足规定。
滚轮与轨道接触应力 =428.02 N/mm2＜2.5=587.5 N/mm2 ，满足规定。
2.轮轴尺寸设计―45﹟碳钢
尺寸a=100mm， =100mm，b=100mm，L=300mm
弯应力：
≤[σ]=160 N/mm2
剪应力：≤[τ]=95 N/mm2
方形轴承板：b= (2.4 ~2.6 )d=240 ~260mm,取b=250mm，t=20mm
验算轮轴与轴承板之间紧密接触局部承压力：
＜[]=80 N/mm2

2.滚轮轨道设计

(1)轨道底板宽度Bk
轨道底板宽度按混泥土承压强度决定。根据C20号混泥土容许承压应力值[]=7 N/mm2，所需轨道底板宽度为取Bh=250mm轨道底与混凝土之间最大应力＜[]=7 N/mm2
轨道底板厚度δ按其弯曲强度确定。轨道底板最大弯应力
式中，c=150 mm，[σ]=160 N/mm，即
，因此取即可。
十一、止水、止水座、门槽护角、铸钢弧面滚轮及轨道
1.侧止水—型，固定于面板上游。
2.底止水—型，布置在上游面。
3.护角—不等肢角钢

十二、闸门启闭力和吊耳计算
1. 启闭力计算
根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74—1995），当底主梁究竟止水距离符合底缘布置规定，即时，以及下游流态良好、通气充足时，可以不计下吸力。本闸门满足规定，故不计下吸力，即，则闸门启闭力为
（1）启门力：=254.07 KN
（2）闭门力：=1.2×(41.16+95.55)-0.9×79.33+2.752=95.407 KN
可见仅靠闸门自重是不也许关闭闸门。可以考虑采用一种重量为140kN加载梁，依次对需要关闭闸门加载下压关闭。
2. 吊轴和吊耳验算
（1）吊轴设计—穿过吊耳板与启闭吊索相连，采用Q235钢或45﹟碳钢。
每边起吊力为： KN
吊轴每边剪力： KN
需要吊轴截面积：，又A=
因此，吊轴直径取吊轴直径为d=60mm。
（2）吊耳板设计及强度验算
位置：双腹式边梁

吊耳板厚度：，取t=60mm
轴承采用正方形，边长b=(1.4~2.5)d=84~150mm,取b=100mm
孔壁强度验算：＜ []=80 N/mm2
孔壁拉应力验算：R=b/2=50mm，r=d/2=30mm
＜0.8[]=0.8×120=96 N/mm2
启闭机选择：，选用电动卷扬式启闭机，双吊耳为300 KN。
到此为止，露顶式平面钢闸门设计已经基本完毕。