模板潛孔式平面鋼閘門設計

1、 水利水電工程鋼結構課程設計目錄一、設計資料及有關規(guī)定·············································2二、

2、閘門結構的形式及布置···········································2三、面板設計····&

3、#183;·················································&

4、#183;3四、水平次梁、頂梁和底梁地設計·····································4五、主梁設計········&#

5、183;··············································7六、橫隔板設計··

6、··················································

7、10七、縱向連接系················································

8、83;···11八、邊梁設計·············································&

9、#183;········11九、行走支承設計·······································

10、83;··········13十、 軌道設計······································

11、···············14十一、止水布置方式·································&

12、#183;··············14十二、埋固構件·································

13、3;··················15十三、閘門啟閉力······························

14、····················15十四、閘門的啟閉機械····························

15、··················15一、設計資料及有關規(guī)定1、閘門形式：潛孔式平面鋼閘門2、孔口尺寸（寬×高）：5.0m×5.0m3、上游水位：45m4、下游水位：0m5、閘底高程：0m6、啟閉方式：電動固定式啟閉機7、材料： 鋼結構：Q235-A.F焊條：E43型行走支承：采用滾輪支承止水橡皮：側止水和頂止水用P型橡皮，底止水用條型橡皮8、制造條件：金屬結構制造廠制造，手工電弧焊，滿足級焊縫

16、質量檢驗標準。9、規(guī)范：水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范 SL 1974-2005二、閘門結構的形式及布置1、閘門尺寸的確定閘門高度：頂止水H=0.2m，故閘門高度5.2m閘門的荷載跨度為兩止水的間距：5.0m閘門計算跨度：5+2×0.2=5.4(m) 設計水頭：45m 2、主梁的數目及形式 主梁是閘門的主要受力構件，其數目主要取決于閘門的尺寸。因為閘門跨度L=5m,閘門高度h=5m,L<h。所以閘門采用6根主梁。本閘門屬中等跨度，為了便于制造和維護，決定采用實腹式組合梁。3、主梁的布置 本閘門為高水頭的深孔閘門，主梁的位置可按主梁均勻間隔來布置。設計時按最下面的那根受力最大的主梁來

17、設計，各主梁采用相同的截面尺寸。 4、梁格的布置及形式梁格采用復式布置與等高連接，水平次梁穿過橫隔板上的預留孔并被橫隔板所支承。水平次梁為連續(xù)梁，其間距應均勻，以減少計算量。5、連接系的布置與形式（1）橫向連接系，根據主梁的跨度，決定布置5道橫隔板，其間距為1.24m，橫隔板兼作豎直次粱。（2）縱向連接系，采用斜桿式桁架。三、面板設計根據鋼閘門設計規(guī)范S7495關于面板的設計，先估算面板厚度，在主梁截面選擇以后再驗算面板的局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力。1、 估算面板厚度假定梁格布置尺寸如圖2所示。面板厚度按下式計算t=akp(0.9) 當b/a3時，a=1.5,則t=akp(0.9

18、5;1.5×160)=0.068akp 當b/a >3時，a=1.4,則t=akp(0.9×1.4×160)=0.07akp現列表1計算如下：表1區(qū)格a(mm)b(mm)b/akpN/mm2kpt(mm)191012301.350.5100.5440.52732.61291012301.350.4290.5540.48830.20391012301.350.4290.5640.49230.44491012301.350.4290.5730.49630.69591012301.350.4290.5830.50030.94691012301.350.4290.5

19、930.50431.19791012301.350.4290.6030.50931.50891012301.350.4290.6130.51331.74991012301.350.4290.6220.51731.991091012301.350.4290.6320.52132.241191012301.350.4290.6420.52532.491286012301.430.5390.6520.59334.68根據上表計算，選用面板厚度t=35mm2、面板與梁格的連接計算已知面板厚度t=35mm ,并且近似地取板中最大彎應力max=160N/mm2,則面板局部擾曲時產生的垂直于焊縫長度方向的橫

20、向拉力P為：P=0.07tmax =0.07×35×160=392(N/mm )面板與主梁連接焊縫方向單位長度內的剪力：T=VS2Io=4184600×426×35×22402×44429130000=1573(N/mm)面板與主梁連接的焊縫厚度： hf=P2+T20.7t=3922+15732(0.7×113)=20.5(mm) 角焊縫最小厚度：hf1.5t=1.5×35=8.9(mm)面板與梁格連接焊縫厚度取起最小厚度hf=21mm四、水平次梁，頂梁和底梁地設計1、荷載與內力驗算水平次梁和頂、底梁都是支承在橫隔

21、板上的連續(xù)梁，作用在它們上面的水壓力可按下式計算，即q=pa上+a下2現列表2計算如下表2梁號梁軸線處水壓力強度P（kN/mm2）梁間距（m）a上+a下2（m）q=pa上+a下2(kN/m)1(頂梁)5390.5075273.51.0152（主梁）548.91.015557.11.0153（水平次梁）558.91.015567.31.0154（主梁）568.81.015577.31.0155（水平次梁）578.81.015587.51.0156（主梁）588.71.015597.51.0157（水平次梁）598.71.015607.71.0158（主梁）608.61.015617.71.015

22、9（水平次梁）618.61.015627.91.01510(主梁)628.51.015637.91.01511（水平次梁）638.51.015648.11.01512（主梁）648.40.990641.90.96513（底梁）657.90.4825317.4由列表計算后得q=7258.8kN/m根據上表計算，水平次梁計算荷載取648.1kN/m，水平次梁為6跨連續(xù)梁，跨度為1.24m，水平次梁彎曲時的邊跨彎距為: M次中0.072ql2=0.072×648.1×1.242=71.9(kN·m)支座B處的負彎距：M次B0.106ql2=0.106×648.

23、1×1.24 2=105.4(kN·m)2、截面選擇W=M=105.4×106160=658750(mm3)考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選36a,由附錄三表4查得：A=6089mm2 ； Wx=659700mm3； Ix=118742000mm4； b1=96mm； d=9mm 面板參加次梁工作的有效寬度分別按下式計算，然后取其中較小值。 Bb1+60t=96+60×35=2196(mm) B=1b (對跨間正彎距段) B=2b （對支座負彎距段）按11號梁計算，梁間距b=b1+b22=1015+10152=1015(mm)對于第一跨中正彎距段

24、：l0=0.8l=0.8×1240=992(mm)對于支座負彎距段：l0=0.4l0.4×1240496(mm) 根據l0/b查表7-1： 對于l0/b992/10150.997 得10.40，得B=1b406(mm) 對于l0/b496/10150.489 得20.16，得B=2b162.4(mm)對第一跨中選用B406mm,則水平次梁組合截面面積（如圖）:A=6089+406×35=21199(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線得距離:e=406×35×197.521199=132(mm)跨中組合截面的慣性距及截面模量為：I次中1187420

25、00+6089×1322+406×35×65.52285801188(mm4)Wmin=285801188312=916029(mm2)對支座段選用B162.4mm，則組合截面面:A=6089+162.435=11773(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線得距e=162.4×35×197.511773=95(mm)支座初組合截面的慣性距及截面模量為：慣性距： I次中=118742000+6089×952+162.4×35×112.52=245633350(mm4) 截面模量：Wmin=245633350265=926

26、918(mm2) 3.水平次梁的強度驗算 由于支座B處彎距最大，而截面模量較小，故只需驗算支座B處截面的抗彎強度，即:次=M次BWmin=77.86×106916029=78.4Nmm2<=160(N/mm2)=M次中Wmin=105.4×106926918=113.7(Nmm2)<=160(Nmm2) 說明水平次梁選用36a滿足要求。 軋成梁的剪應力一般很小，可不必驗算。4.水平次梁的撓度驗算受均布荷載的等跨連續(xù)梁，最大撓度發(fā)生在便跨，由于水平次梁在B支座處截面的彎距已經求得M次B=71.86kNm,則邊跨撓度可近似地按下式計算：l=5384ql3EI次-M次

27、Bl16EI次 =5×648.1×12403384×2.06×105×285801188-71.86×1016×124016×2.06×105×285801188 =0.000179l=1250=0.004故水平次梁選用36a度和剛度要求。五、主梁設計（一）設計資料（1）主梁跨度：凈跨（孔口凈寬）L07.0m ；計算跨度L7.44m；荷載跨度L1=7m；（2）主梁荷載：q=(9.8×55+9.8×67)×12(2×6)=1195.6(kN/m) （3）橫向

28、隔板間距：1.24m （4）主梁容許撓度：W=L/600 （二） 主梁設計1、截面選擇（1）彎距和剪力。彎距與剪力計算如下：彎距：Mmin=1195.6×72×7.442-74=8243.7(kN/m)剪力：Vmax=qL12=12×1195.6×7=4184.6(kN)（2）需要的截面抵抗距：已知Q235鋼的容許應力=160N/mm2，考慮鋼閘門自重引起附加應力的影響，取容許應力=0.9×160=144N/mm2 則需要的截面抵抗矩為：W=Mmax=8243.7×100144×0.1=57247.9(cm3)（3）腹板高度

29、選擇：按剛度要求的最小梁高（變截面梁）為：hmin=0.96×0.23LEL=0.96×0.23×144×102×7.44×1022.06×107×(1600)=70.3(cm)經濟梁高：hec=3.1W25=3.1×57247.925=248(cm) 由于鋼閘門中的橫向隔板重量將隨主梁增高而增加，故主梁高度宜選得比hec為小，但不小于hmin?，F選用腹板厚度h0240cm 。（4）腹板厚度選擇tw=h11=24011=1.4(cm) 選用tw4cm（5）翼緣截面選擇：每個翼緣需要截面為A1=Wh0-tw

30、h06=57247.9240-4×2406=78.5(cm2)下翼緣采用 t1=2cm（符合鋼板規(guī)格）需要b1=A1t1=78.52=39(cm)，選用b1=60cm（在h/2.5h/5=9648之間）。 上翼緣的部分截面積可利用面板，故只需設置較小的翼緣板同面板相連，選用t12cm， b114cm， 面板兼作主梁上翼緣的有效高度為Bb1+6014+60×3.5224(cm) 上翼緣截面面積A1=14×2.0+224×3.5=812(cm2 ) (6)彎應力強度驗算截面形心距：y1=Ay'A=1515581892=80.1(cm)截面慣性距：I=

31、twh0312+Ay2=4×240312+10274177=14882177(cm4)截面抵抗距： 上翼緣頂邊Wmax=Iy1=1488217780.1=185795(cm3) 下翼緣底邊Wmin=Iy24=88902(cm3) 彎應力：=MmaxWmin=8243.7×10088902=9.3<0.9×=0.9×16=14.4(kN/cm2) 表3部位截面尺寸（cmcm）截面面積A(cm2)各型心離面板表面距離y（cm） Ay（cm3）各型心離中和軸距離y=y-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分224×3.5

32、7841.751372-78.354812758上翼緣14×2284.5126-75.6160030腹板240×4960125.512048045.41978714下翼緣60×2120246.529580166.43322675合計189215155810274177（7）因主梁上翼緣直接同面板相連，可不必驗算整體穩(wěn)定性，因梁高大于按高度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗算。2、截面改變因主梁跨度較大，為減小門槽寬度與支承邊梁高度（節(jié)約鋼材），有必要將主梁承端腹板高度減小為h0s=0.6h0=144cm。梁高開始改變的位置取在鄰近支承端的橫向隔板下翼緣的外側，離開

33、支承端的距離為12410=114cm考慮到主梁端部腹板及翼緣相焊接，故可按工字截面梁驗算應力剪力強度。尺寸表4所示：表4部位截面尺寸（cmcm）截面面積A(cm2)各型心離面板表面距離y（cm）Ay（cm3）各型心離中和軸距離y=y-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分224×3.57841.751372-40.851308278上翼緣14×2284.5126-38.140645腹板144×457677.54464043.9701573下翼緣60×2120150.518060107.91397089合計1508641983447585截面形心距：y1=6

34、41981508=42.6(cm)截面慣性距：I0=3.5×144312+3447585=4442913(cm4)截面下半部對中和軸的面積距：S=120×107.9+106.92×42=35803(cm3)剪應力：=VmaxSI0t=4184.6×358034442913×4=8.4(kN/cm2)<=9.5kN/cm23、翼緣焊縫翼緣焊縫厚度hf按受力最大的支承端截面計算。Vmax4184.6kN。I0=4442913cm4，上翼緣對中和軸的面積距：S1=784×40.8528×38.1=33093(cm3)下翼緣對

35、中和軸的面積距：S2=120×107.912948(cm3)S1需要hf=VS11.4I0f=4184.6×330931.4×4442913×11.3=2cm=20(mm)角焊縫最小厚度hf1.5t=1.5×40=9.5(mm)全梁的上下翼緣焊縫都采用hf21mm 。4、腹板的加勁肋加勁肋的布置：因h0t=2404=60<80，故不需要設置橫向加勁肋。5、面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力的驗算取面板區(qū)格12驗算其長邊中點的折算應力計算 my=kpa2t2=0.539×0.652×8602352=±212(

36、N/mm2)mx=my=±0.3×212=±63.6(N/mm2)面板區(qū)格12的長邊中點的主梁彎矩和彎應力M=1195.6×3.5×3.1-1195.6×2.922=7944.8(kN·m)0x=MW=7944.8×106185.8×106=42.8(kN/mm2)該區(qū)格長邊中點的折算應力zh=my2+mx+0x2-mymx+0x =2122+(63.6-42.8)2-212×(63.6-42.8)=202Nmm2<=1.55×160=248(N/mm2) 故面板厚度選用35mm

37、滿足強度要求 。6、 橫隔板設計1、荷載和內力計算橫隔板同時兼作豎直次粱，主要承受水平次粱、底梁和頂梁傳來的集中荷載以及面板傳來的分布荷載，則每片橫隔板在上懸臂的最大負彎矩為：M=(9.8×55+9.8×56.015)×1.0152×1.24×1.0152=347.5(kN·m)2、橫隔板和截面選擇和強度驗算腹板選用與主梁腹板同高，采用2400mm×20mm，上翼緣利用面板，下翼緣采用200mm×10mm的扁鋼，上翼緣可利用面板的寬度公式按式B2b確定其中b=1240mm,按l0/b=2×1.015/1.

38、24=1.64,查表得20.46 ，則B=0.46×1240=570mm，取B570mm 。計算如下圖所示截面幾何特性。截面型心到腹板中心線距離e=570×35×1222.5-200×10×1222.5570×35+2400×20+200×10=313(mm)截面慣性距：I=20×2400312+20×2400×3132+10×200×15182+35×570×904.52=4.867265899×1010(mm4)截面模量：Wmin=

39、4.867265899×10101523=31958410(mm3)驗算應力：=MWmin=347.5×10631958410=10.8Nmm2<由于橫隔板截面高度較大，剪切強度更不必驗算，橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度 hf=1.520=6.7(mm)，選取hf8mm。七、縱向連接系 1、荷載和內力計算縱向連接系承受閘門自重。潛孔式平面鋼閘門門葉自重按下式計算G=0.073K1K2K3A0.93Hs0.79×9.8=0.073×1×1×095×(7×12)0.93×670.79×9.8=

40、1160(kN)則下游縱向連接系承受0.4G=464KN縱向連接系視作平面簡支桁架，其結點荷載為4646=77.33(kN)2、斜桿截面計算 斜桿承受的最大的拉力為305KN，同時考慮閘門偶然扭矩時可能造成的壓力，故細 長比的限制應該與壓桿相同。即=150 選用單角鋼L110×12，由附錄三表2查得： 截面面積A=25.2cm2 回轉半徑iy0 =21.5cm 斜桿計算長度l0=0.9×1.0152+1.242+0.42=1.49(m)長細比 =l0iy0=1.49×10321.5=69.3<=150 驗算拉桿強度=305×1032520=121N

41、mm2<0.85=133Nmm2八、邊梁設計由于深孔大孔口，行走支承采用滾輪式。所以這里用雙腹式組合邊梁。邊梁的截面尺寸按構造要求確定，梁高1460mm，上翼緣直接采用面板，下翼緣用150mm×20mm的扁鋼做成。腹板厚度40mm。邊梁是閘門的重要受力構件，由于受力情況復雜，做設計時將容許應力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲備。1、 荷載和內力計算 滾輪采用等荷載布置，在每個邊梁上分別布置6個大小相等的主輪。每個主輪位于主梁后面。每個主輪受力為2092.3kN。具體計算根據結構力學求解器。最大彎矩Mmax=2092.3kN/m最大剪力Vmax=4184.6kN最大軸向力為作

42、用在邊梁上的一個起吊力，估為2300kN在最大彎矩作用截面上軸向力為：N=2300-4184.6×0.1=1881.5kN2、邊梁強度驗算截面面積A=490×35+150×20×2+40×1460×2=140020(mm2)y1=700mm上半部分對中和軸的面積矩S1=35×490×(700-17.5)+40×(700-35)2=29393875(mm3)下半部分對中和軸的面積矩S2=2×150×20×1490-700+10+2×(1490-700)2×4

43、0÷2 =30111000mm3截面慣性距： I=3.31176×1010(mm4)截面模量：W=I432=3.31176×1010432=76661049(mm3)截面邊緣最大應力驗算： =NA+MmaxW=1881.5×103140020+2092.3×10676661049 =13.4+27.3=40.7Nmm2<0.8=0.8×157=126(N/mm2)腹板最大剪應力驗算： =VmaxSmaxIt=41894.6×1032×301110003.31176×1010×40 =9.5

44、Nmm2<0.8=0.8×95=76(N/mm2) 均滿足強度要求九、行走支承設計采用滑動式滾輪支承，軸孔采用滑動軸承，輪徑D=900mm,寬度b=150mm,輪軸直徑d=200mm,軸套工作長度b1=250mm，；輪子材料用ZG35GrlMo.滾輪驗算圓柱形滾輪與平面軌道接觸應力： max=0.418PlEbR=209300×2.06×105150×450 =1056Nmm23fy=3×390=1170Nmm2Pl：一個輪子的計算壓力，N ；b、R：輪緣寬度和輪半徑，mm；E：材料的彈性模量，N/mm2；fy：屈服強度，N/mm2。軸和

45、軸套間接觸應力：cg=Pldb1=2092300250×200=41.8Nmm2cg=50Nmm2d：軸的直徑，mm；b1：軸套的工作長度，mm；cg：滑動軸套的容許應力，N/mm2。輪軸與軸承板間局部承壓應力cj=Ndt=1046000200×80=65Nmm2cj=80Nmm2N：軸承板所受的壓力（N=Pl/2），N；t：軸承板疊總厚度，mm；cj：容許應力，N/mm2。以上計算均滿足強度要求。十、軌道設計滾輪荷載R=2092.3kN, 混凝土為C25,其h=9N/mm。軌道材料為35Mn2,軌道選I56c,由附錄三表4查得：Wx=2551400mm3； Ix=7143

46、00000mm4； b=170mm； tw=16.5mm ；h=560mm1、軌道底板混凝土承壓應力：a=3.33EIxEhb=3.33206000×71430000030000×170=17725(mm)h=Pab=209230017725×170=0.7Nmm2h=9Nmm2 2、軌道局部承壓應力：a1=3.33Ixtfb=3.3381840016.5=1158.7(mm)cd=Pa1tfb=20923001158.7×16.5=109.4Nmm2cd=150Nmm2 故滿足要求。十一、止水布置方式側向止水采用P型橡皮，頂止水采用P型橡皮，底止水采用

47、條形橡皮，布置方式如圖十二、埋固構件門槽的埋固構件主要有：行走支承的軌道、與止水橡皮相接觸的型鋼、為保護門槽和孔口邊棱處的混凝土免遭破壞所設置的加固角鋼等。 側止水座 底止水座 十三、閘門啟閉力閘門自重G=1160kN滾動摩擦阻力 Tzd=WfkRR1d+1=50215×0.145×4020+1=335(kN)止水摩阻力 Tzs=2fbhp=2×0.65×0.06×12×559.5(kN)上托力Pt=0KN閉門力T閉=1.2TZd+Tzs-0.9G=1.2×335+559.5-0.9×1160=29.4kN<G起門力計算下吸力Px=20×7×0.016=2.3kN則啟門力為：T啟=1.1G+1.2TZd+Tzs+Px=1.1×1160+1.2×335+559.5+