水工钢结构钢闸门课程设计

嗣潜孔式平面钢闸门设计工程概况：闸门是用来关闭、开启或者局部开启水工建筑物中过水孔口的活动 结构。其主要作用是控制水位、调节流量。闸门是水工建筑物的重要组成 部分，它的安全与适用，在很大程度影响着整个水工建筑物的原行效果。结;接平钢闸门及有关2）闸门结构的形式及布置。1闸门尺寸的确定。1主梁的布置。13）面板设计。24）水平次梁、顶梁和底梁地设计。35）主梁设计。6。8。9。10。11。116）横隔板设计。7）边梁设计。8）行走支承设计。9）胶木滑块轨道设计。10）闸门启闭力和吊座验算。2. 水工刚结构潜孔式焊接平面钢闸门设计图。（附图）OOOOOOOOOO rl J g 7水工刚结构潜孔式焊接平面钢闸门设计计算书一、设计资料及有关规定：1. 闸门形式：潜孔式焊接平面钢闸门。2. 孔的性质：深孔形式。3. 材料：钢材： Q235焊条：E43 ；手工电焊；普通方法检查。 止水：侧止水用 P 型橡皮，底止水用条型橡皮。 行走支承：采用胶木滑道，压合胶布用 MCS2。 砼强度等级： C20。启闭机械：卷扬式启闭机。4. 规范：水利水电工程刚闸门设计规范（SL74-95）,中国水利水电出版社1998.8二、闸门结构的形式及布置一）闸门尺寸的确定（图1 示）si： Hnim(M： m1. 闸门孔口尺寸：孔口净跨：3.50m。孔口净高： 3.50m。闸门高度： 3.66m。闸门宽度： 4.20m。荷载跨度： 3.66m。计算跨度： 3.90m。2. 计算水头： 50.00m。 （二）主梁的布置1. 主梁的数目及形式主梁是闸门的主要受力构件，其数目主要取决于闸门的尺寸。因为闸门跨度 L=3.50m, 闸门高度h=3.66m,L3 时，a=l55,则 j 0.9 x 1.55 x 160=0.067 apkp现列表 1 计算如下：表1区格a(mm)b(mm)b/akPN/mm2阿t(mm)i4059652.3830.7320.490.6013.795II3459652.800.500.490.5011.2125III3459652.800.740.490.6013.455根据上表计算，选用面板厚度 t=14mm 。2.面板与梁格的连接计算已知面板厚度t=14mm ,并且近似地取板中最大弯应力O max二o =160N/mm2,则p=0.07x 14x 160=156.8.2N/mm ,面板与主梁连接焊缝方向单位长度内地应力：=398N / mm,f VS 790 x 103 x 1000 x 14 x 272T=二一2I2x37767700000面板与主梁连接的焊缝厚度：=x： P2 + T 2 / 0.7 x t w = 398 / 0.7 x 113 = 5mm ,t面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度 h = 6mm 。f四、水平次梁，顶梁和底梁地设计1. 荷载与内力地验算 水平次梁和顶，底梁都时支承在横隔板上地连续梁，作用在它们上面的水压力可 按下式计算，即a + aq=p 上 下2现列表2计算如下：表2梁号梁轴线处水压力强 度P（kN/mm2）梁间距（m）a + a -上下2(m)a + aq二p 下2(kN/m)1（顶梁）454.130.225115.800.512 （主梁）459.130.48220.380.453（水平次梁）463.540.45208.590.454 （主梁）467.950.45210.580.455（水平次梁）472.360.45212.560.456 （主梁）476.470.45214.410.457（水平次梁）481.180.45216.530.458 （主梁）485.590.45218.510.459 （底梁）4900.225110.25工=1727.61kN/m根据上表计算，水平次梁计算荷载取216.53kN/m,水平次梁为4跨连续梁,跨度为0.90m, 水平次梁弯曲时的边跨弯距为：M次中FEqgEx 216.53x O.975.8516.53kN/nTTTT VY VJ魯汀汁卄卄 W” V VQaAgZScA 2e一975m_ 一975si_ 一975i_ 一 975nm.支座 B 处的负弯距：M =0.107ql2=0.107x 2 1 6. 53x 0. 9 7 52=22 . 02 48kNm2. 截面选择次B=137655mm3m M22.0248 x 106W= =0 160考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选18b，由附录三表四查得：A=2929mm2 ;W=152200mm3 ;I=13699000mm4 ; b1=70mm ; d=9mm 。面板参加次梁工作的有效宽度分别按式611及式612计算,然后取其中较小值。式：611BWb1+60t=70+60X 14=910mm ;式：612B=Z b（对跨间正弯距段）1B=Z b（对支座负弯距段）。2梁间距b= 22 = 900mm 。对于第一跨中正弯距段22l =0.8l=0.8X 975=780mm ;对于支座负弯距段 l =0.4l = 0.4X 975 = 390mm 。 00根据 l /b 查表 61：0对于 l /b = 780/900 = 0.867 得Z =0.40，得 B=Z b = 0.40X 900 = 360mm ,011对于 l /b = 390/900 = 0.430 得Z =0.16，得 B=Z b = 0.16X 900= 144mm ,022对第一跨中选用 B= 360mm, 则水平次梁组合截面面积（例图 4） :A=2929+360X 14=6961mm2 ;组合截面形心到槽钢中心线得距离：360 x 14 x 98 ”e=65mm ;8689跨中组合截面的惯性距及截面模量为：I =13699000+2929X 652+360X 14X 次中352 = 29662171mm4W=min33130025155=203165.6mm 2对支座段选用B= 144mm，则组合截面面 积：A=2929+144X 14=4592mm2 ;组合截面形心到槽钢中心线得距离：e=118.8 x 14 x 984592.2=35mm支座初组合截面的惯性距及截面模量为：= 13 6 9 9 0 00+29 29X 432+144X 14X 次B352 = 2 3 6 8 0 3 65 . 8mm4W=min23680365.815=189442.9mm 23. 水平次梁的强度验算由于支座 B 处（例图 3）处弯距最 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_ 22.0248 x 106 次_189442.9=116.24N / mm2 c = 160N / mm2,说明水平次梁选用18b满足要求。轧成梁的剪应力一般很小，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，最大挠度发生在便跨，由于水平次梁在 B 支座处截面的弯距已经求得M次B=22.0248kN m,则边跨挠度可近似地按下式计算：w 5 ql3 M l= x 次Bl 384 EI 16 EI 次次_5 x 216.53 x 9753_22.0248 x 106 x 975_ 384x 2.06x 105 x 2966217 16x 2.06x 105 x 29662171 _0.0002W w = 一 = 0.004I 250故水平次梁选用18b满足强度和刚度要求。五、主梁设计（一）设计资料1）主梁跨度：净跨（孔口净宽）l0_3.5m ；计算跨度l_3.9m ；荷载跨度l1_3.66m。P5046.342)主梁荷载：q 二总=(9.8x50x-9.8x 46.34x)/4 二 431.9kN 3)横向隔板间距:4220.975m 。4）主梁容许挠度： W=L/750（二）主梁设计1.截面选择（1）弯距：弯距和剪力 弯距与剪力计算如下：431.9x 3.66 3.9 3.66M =()二 818kN - mmax 2 2剪力：V 二的二 4319 X 彳66 二 790kNmax 2需要的截面抵抗距已知A3钢的容许应力9 = 160N/mm2 ,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力9 = 0.9x 160 = 144N/mm2,则需要的截面抵抗矩为；MW= maxb 818 x 106144=5681cm 3。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： h =3.1W2/5 =3.1x(5681.833)2/5 = 98.43cm。 echmin= 42.5cm,0.208 亠=06 x 215 x 3.9 x 103Ew/l2.06x105x1/750由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比h为小，但 ec 不小于 h 。现选用腹板厚度 h =90cm 。min0（4）腹板厚度选择t =4h/11 = v90/11 = 0.86cm,选用 t =1.0cm 。wW（5）翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为W t h5681.833 1x90A = w 0 = 58cm2,1 h69060A 58下翼缘选用t = 2.0cm （符合钢板规格），需要b = 1 = 一 = 29cm,取B =30cm,上翼缘 11 t 211的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的翼缘板同面板相连，选用 t =2.0cm， b= 16cm，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为B = b +60t = 16+60X 1.4= 100cm 。1上翼缘截面面积 A =18X 2.0+100X 1.4=172cm2。（6）弯应力强度验算1截面形心距：Ay9926.8312=31.82cm,t h31 0 乂 903截面惯性距：I = -w亠 + x Ay2 = _：一90- + 335010 = 377677cm4,12 12截面抵抗距：上翼缘顶边 W = 1 = 377677 = 11869.17cm3,max y 31.821下翼缘底边 W = = 6568cm3,min y 57.52弯应力：.=卜=F=12.45kN/cm2 0.9x 16=14.4kN/cm2,安全min表3部位截面尺寸(cmX cm)截面面积A(cm2)各型心离面 板表面距离 y(cm)Ay (cm3)各型心离中和 轴距离 y=y -y (cm)1Ay2(cm4)面板部分100X 1.4140.00.7980-27.21103578上翼缘16X 2.032.02.476.8-25.520808腹板90X 1.090.043.4390615.519220下翼缘30X 2.060.084.4506456.5191405合计3129926.8335011(7)因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体稳定性，因梁高大于按高度要求 的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。2. 截面改变因主梁跨度较大，为减小门槽宽度与支承边梁高度(节约钢材)，有必要将主梁承端腹板高度减小为hs = 0.6h = 54cm。考虑到主梁端部腹板及翼缘相焊接，故可按工字截面0012286梁验算应力剪力强度。尺寸表 4 所示：部位截面尺寸(cmX cm)截面面积A(cm2)各型心离面 板表面距离 y(cm)Ay (cm3)各型心离中和 轴距离 y=y -y (cm)Ay2(cm4)面板部分100X 1.4140.00.7980-27.21103578上翼缘16X 2.032.02.476.8-25.520808腹板54X 1.054.043.42343.615.519220下翼缘30X 2.060.050.643038.456.5191405合计2868710.8335011表41 x 5438710=13122cm4= 30.45cm0y1rS = 62.5 x 58.95 + 60.2 x 1.6 x = 6584cm 3,t = VmaxS = 790x 6584 = iokN/cm2 t = 9.5kN/cm2,因误差未超过 10%，安全It 13122 x 1.00w3. 翼缘焊缝翼缘焊缝厚度h按受力最大的支承端截面计算。V =790kN。I=13122cm4, 上翼缘对中和轴的面积距：S=32.0X 25.5+140X 27.2=4624cm3，下翼缘对中和轴的面积距：S=60X 56.5 = 3390cm3 1.5左=1.5迈0 = 6.7mm。全梁的上下翼缘焊缝都采用h =8mm。f4. 加筋肋验算f因h =聖=80,不需设置横向加劲肋。闸门上已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距 t 1.0wa = 0.975m。腹板区格划分见图2。5. 取面板区格III验算其长边点的折算应力=110 N / mm 2,0.5x0.0098x49.915x3002b =my 16 2a=450-80-90=280mm,b =Vb = 0.3x110 = 33N / mm2,mx my面板区格III的长边中点的主梁弯距和弯应力33 663431.9 x (0.975 x - 0.15)2M = 431.9 x x 0.975 - -2= 784kN - m,2 2 2= 58N / mm2,M 784x106b =0x W13537x103 该区格长边中点的折算应力b = Jb 2 + (b+b )2 -b(b+b )zhmymx0 xmy mx0 x=v1102 + (33 + 58)2 110(33 58) = 100.8N/mm2 ab = 1.65x 160 = 264N/mm2qr故面板厚度选用 14mm 满足强度要 求。六、横隔板设计1. 荷载和内力计算如图所示水平次梁为 4 跨均布 连续梁， R 可看作它所受的最大剪力， 由规范表查知：作用于竖直次梁上由 水平荷载传递的集中荷载：R 二(0.607 + 0.536)q l 二 1.143 x 216.53 x 0.975 二 241kN; 取 q = q 次 次n1 1 11M = ql2 + Rl - x 216.53 x 0.92 + x 241 x 0.9 = 76.15kN - m8 0 4 0 842. 横隔板和截面选择和强度验算腹板选用与主梁腹板同高，采用800X 10mm,上翼缘利用面板，下翼缘采用200mmX 800mm的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式B = Z 1b确定。l /b = 900 / 975 = 0.923,查表0得z 1 = 0.369 , B=0.369x975=360mm，取 B =360mm 。计算如下图所示截面 几何特性截面型心到腹板中心线距离：360 x 10 x 405 - 200 x 8 x 405e =360 x 10 + 200 x 8 + 800 x 10= 61mm截面惯性距：I = 10 x 8003 + 800 x 10 x 612 + 8 x 200 x 465212+10 x 360 x 3442 = 122840 x 104 mm 4W = = 2619190mm 3 ，min 469Mg =Wmin76.15 x 1062619190=29N / mm 2 g ,验算应力：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hf = 6mm 。七、边梁设计边梁的截面形式采用单腹式，如下图，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 度不宜小于 300mm 。 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4个胶 木滑块，其布置如下图： (1 )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，可假定这些荷载由主梁传给边梁，每个边梁作用于边梁荷载为R=790kN（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：R = 2 x 790kN ,1下滑块所受压力：R = 2 x 790 = 1580kN ,2M= 790 x 0.9 = 711kN - m,V = 790kN,max max最大阻力为作用于一个边梁上的起吊力，估计为650kN,有N=650kN进行强度验算，N = 650 - Rf = 650 -1580 x 0.12 = 460.4kN ,12.边梁强度验算截面面积 A 二 2 x 400 x 20 + 800 x 16 二 28800mm2,S二 20 x 400 x 410 + 400 x 16 x 200 二 4560000mm3,max护 + 2 x 400 x 20 x 4102 = 3372266667mm4，W 二占二 8029206mm3。截面边缘最大应力验算：N M460.4x103 711x106CT=+ ma =+max A W 80292066428253=111N / mm2 0.8t = 0.8 x 157 = 126N / mm2腹板最大剪应力验算：VST = maxmazItw790 x 103 x 4560000I x 16= 68N / mm2 0.8T = 0.8x 75 = 76N / mm2,腹板与下翼缘连接处则算应力验算：N My 460.4 x103 711x106 400t =+ x =+x= 84.4 N / mm 2,A W y 288008029206420V S790x103x400x20x410t = max 1 = 48 N / mm 2，It16Iwt2 + 3t 2 =、；84.42 + 3 x 482 = 119N /mm2 0.8t = 0.8 x 160 = 128N /mm2 。2 h均满足强度要求八、行走支承设计胶木滑块计算：下滑块受力最大，起值为R=1580kN，设滑块长度为350mm，则滑块单 计宽度为b = 40mm，胶木滑块与规定弧面的接触应力验算:位长度承受压力q =1580 x 103350=4514N/mm,由表2查得轨顶弧面半径R=200mm,轨头设i q45 14G = 104 - = 104= 494N / mm 2 Q = 500N / mm 2 。maxR200j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确定，查表得：砼允许承压应力为o =7N/mm2，则所需 轨道底板宽度为:B =丄=2257 = 322mm. n C 7n取 Bh = 350mm,故轨道底面压应力：2257c = 6.4 N / mm 2h 3502. 确定轨道底版厚度 轨道底板厚度6按其弯 曲强度确定，轨道底版 的最大弯应力：c2c = Q n t 2轨道底板悬臂长度C=102.5mm，对于A3查表3c c2.3 x 6.4 x 102.52故：t = n = 44.9mm，故 t = 50mm。c 100十、闸门启闭力和吊座验算1启门力:T =1.1G+1.2(T +T )+Px启 2d 2sG=0.022KKKA1.34H 0.63X 9.81 2 3s其中，A=3.5X 3.5=12.25mm2，可查知：系数 K,K,K，均取为 1.0，123G=0.022X 1.0X 1.0X 1.0X 12.25皿 500.63X 9.8=80.1kN，滑道摩阻力： T = fp =0.12x4x431.9x3.66=760kN,2d止水摩阻力： T = 2fbhp = 2 x 0.65 x 0.06 x 3.66 x 411.3 = 117.4kN. 2s4 x 431.9 x 3.663.66 x 4.2= 411.3kN / m2因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 = 0.06m, 每边侧止水受压长度H = 3.66m，侧止水平均压强：下吸力Px底止水橡皮采用I11016型，其规格为宽16mm，长110mm，底止水沿门跨长3.9m，根据规范SDJ1378，启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m2计算，则下吸力：P 二 20 x 3.9 x 0.016 二 1.248kNx故闸门启门力：T 二 1.1 x80.1 +1.2x (760 +117.4) +1.248 二 1142kN. 启2闭门力:T =1.2(T + T ) -0.9G 二 1.2x (760 +117.4) -0.9x80.1 二 980.79kN, 闭2d2 S3. 吊轴和吊耳板验算（1） 吊轴采用 3 号钢，由第一章表 19 查得T =65n/mm2,采用双吊 点，每边启吊力为：P = 1.2 x 启=1.2 x1142 = 685.2kN,吊轴每边剪力：P685.2V 二二 342.6kN,22需吊轴截面积：V342.6x103A =-5270mm 2k 652 2由 A =空=0.785d2,有： = -5270 = 83mm,取 d= 100mm,4 0.785 丫 0.785（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，查表19得A3得9 =80N/mm,cjt二-二685.2x 103二86mm,固在边梁腹板上端部的两侧各焊一块为45mm的轴承 d0 100 x 80cj板。轴承板采用圆形，其直径取为3d = 3X 100 = 300mm, 吊耳孔壁拉应力计算：a氏=R2Y1 .8Qk P685.2x103a = =-= 76.1N/mm2，吊耳板直径 R=150mm，轴孔半径 Y=50mm，由表 1一9cj td90x100查得：o = 120N/mm2，故孔壁拉应力：k1502 -502a = 76.1 x 1502 + 502 = 95.1N/mm2 0.8 x 120 = 96N/mm2，满足要求。