8X4.5米钢闸门计算书(2012.8.7)_3

水库溢洪道金属结构设计计算书

1.1.1溢洪闸钢闸门设计

1、基本资料

单向止水平面定轮露顶式钢闸门，孔口尺寸（宽×高）8×4.5m，双吊点，3孔，闸底板高程54.47m，设计水位4.1m。校核水位4.5m。闸门动水启闭。

2、主要构件采用材料及容许值

（1）主要构件采用材料

闸门选用Q235-B钢，埋件选用QU钢。

轮轴：45号优质钢。

轴承：自润滑轴承。

橡胶止水。

（2）材料容许应力

1）钢材：按《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）4.2条规定执行。容许应力根据表4.2.1-1的尺寸分组按表4.2.1-2采用，连接材料的容许应力按表4.2.1-3、表4.2.1-4采用，大、中型工程的工作闸门及重要的事故闸门表4.2.1-2至表4.2.1-4的数值乘以0.9-0.95的系数。钢材的容许应力：

抗拉、压、弯[σ]=160N/㎜2×0.9=144N/㎜2

抗剪[τ]=95N/㎜2×0.9=85.5 N/㎜2

局部承压[σcd]=240 N/㎜2×0.9=216 N/㎜2

局部紧接承压应力[σcj]=120 N/㎜2×0.9=108 N/㎜2

2）焊缝

焊条采用E43××型

焊缝的容许应力抗压[σh c]=160 N/㎜2×0.9=144 N/㎜2抗拉（自动焊）[σh l]= 160 N/㎜2×0.9=144 N/㎜2（半自动焊或手工焊）精确方法检查：

[σh l] = 160 N/㎜2×0.9=144 N/㎜2普通方法检查：[σh l] =135N/㎜2×0.9=121.5 N/㎜2抗剪[τh]=95N/㎜2×0.9=85.5 N/㎜2

贴角焊缝抗拉、压、剪[σh l]=115 N/㎜2×0.9=103.5 N/㎜23）普通螺栓连接的容许应力

精制螺栓：

Q235碳素结构钢抗拉[σl l]=125 N/㎜2×0.9=112.5 N/㎜2（1类孔）抗剪[τl]=130N/㎜2×0.9=117 N/㎜2

（1类孔）承压[σl c]=290 N/㎜2×0.9=261 N/㎜2粗制螺栓：

Q235碳素结构钢抗拉[σl l]= 125 N/㎜2×0.9=112.5 N/㎜2

抗剪[τl]=85N/㎜2×0.9=76.5 N/㎜2

承压[σl c]=190 N/㎜2×0.9=171 N/㎜24）机械零件的容许应力

抗拉、压、弯[σ]=1000 N/㎜2

抗剪[τ]=65 N/㎜2

局部承压[σcd]=150 N/㎜2

局部紧接承压应力[σcj]=80 N/㎜2

孔壁抗拉[σl]=100 N/㎜2

5）铸件选用ZG310-570，其容许应力（《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）表4.2.2）：抗拉、压、弯[σ]=140 N/㎜2

抗剪[τ]=105 N/㎜2

局部承压[σcd]=200 N/㎜2

局部紧接承压应力[σcj]=110 N/㎜2

孔壁抗拉[σl]=155 N/㎜2

6）混凝土采用C30，其容许的承压应力（二期混凝土）为（《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）表4.2.5）规定：[σh]=11 N/㎜2。

7）梁系的容许挠度：（《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）5.2.3）：主梁[f/L]=1/600

3、结构布置

该闸门设计为单向止水平面定轮露顶式钢闸门，闸门高度4.5m。该闸门采用双主梁露顶式，上主梁至闸门顶缘的距离2m处。下主梁布置在距闸门底缘0.695m处。为缩减门槽尺寸和节约钢材，主梁采用变截面，梁高改变位置距离门槽外缘2.25m，主梁采用焊接工字形截面梁，最大梁高1.15m。顶梁选用［20槽钢，距闸门顶缘0.02m，底梁选用［18槽钢，两根水平次梁距闸门顶缘分别为1.1m、2.905m。

闸门为悬臂式滚轮支撑，主轮直径为υ750mm，材料为ZG310-570。

止水形式为上游止水，侧止水为“L 1”型（外R100o角），底止水为H20-11型，材质均为SF6674。在闸门两侧柱端的下游设四个侧轮，以约束闸门的侧向位移。闸门主、侧轮轴承均选用自润滑轴承。

总压力: P 总 =γH 2s B zs /2=810kN

下主梁受力为P max =448.75 kN ，上主梁受力为P min =361.25 kN 荷载及内力：主梁为等荷载布置其线荷载为 q=P max /8=56.1(KN/m)

q 作用下的最大弯矩剪力 L=8.28米 L 1=8米 M max =（ - ）=KN ·m Q==KN

面板参与主梁作用的有效宽度B 为 B=ξ1b 且B ≤60ξ+b b=（59.5+90）=74.75cm L 0=828cm 则L 0/b=828/74.75=11.077 查表得ξ1=0.982 则B=0.982x74.75=73.42cm 又B ≤60ξ+b=60x0.982+74.75=133.68cm 所以取B=73.42cm

A=1x73+1.6x20+1.2x111.4+2x30=298.68cm 2

Y 1=(73x0.5+32x2+133.68x58.7+60x115)/298.68=49.71cm Y 2=116-49.71=66.29cm

I=73x49.042+32x46.542++133.68x9.162+60x65.462 =651434.48cm 4

W max ==13104.7 cm 3

W min ==9827 cm 3 σ1===36.65Mpa σ2====48.88Mpa 挠度f max ===2.51mm [f]===17.13mm

中和轴处δ=2x30x65.46+1.2x64.462/2=6420.65 cm 3 剪应力τ

max ===26.97Mpa ＜[τ

]=85.5Mpa

主梁腹板高度与厚度之比故需加筋肋板。

以上验算均满足要求。

根据运行条件，闸门为动水下降，动载系数选为1.1，总水压力按照《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）附录D 计算： 总压力: P 总 =γH 2s B zs /2=810kN 面板初选面板厚度按下式计算 δ=α×

[]σ

αp k y

式中：k y —弹塑性薄板支承长边中点弯应力系数，按《水利水电工程钢闸门设计规范》附录G

表G1~G3采用； α—弹塑性调整系数，b/a ＞3时，α=1.4，b/a ＜＝3时，α=1.5； p —面板计算区格中心的压力强度，N/㎜2；

a 、

b —面板计算区格的短边和长边长度，mm ，从面板与主（次）梁的连接焊缝算起；

[σ]—钢材的抗弯容许应力，N/㎜2。

各区格面板计算成果见表1-1。

表1-1 闸门面板计算表

区

格

b

(㎜)

a

(㎜)

b/a P

(N/㎜2)

ky α[σ]

(N/㎜2)

δ

(㎜)

Ⅰ1750 1080 1.62 0.0055 0.468 1.5 144 3.73 Ⅱ1750 900 1.94 0.0155 0.495 1.5 144 5.36 Ⅲ1750 905 1.93 0.02453 0.495 1.5 144 6.79 Ⅳ1750 900 1.94 0.03355 0.495 1.5 144 7.89 Ⅴ1750 595 2.94 0.041 0.500 1.5 144 5.79 根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）5.2.6条考虑1-2mm锈蚀，考虑到工程的具体情况，实际面板厚度选用10mm。

面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力

从前面的计算可见区格Ⅳ所需的板较大，其b/a=1.94＞1.5只需按下式验算长边中点的折算应力

σzh=√（σmy）2＋（σmx－σox）2－（σmy）（σmx－σox）

≤1.1α[σ]=237.6MPa

其中σmy= k y pa2/δ2=93.42MPa

σmx=μσmy =0.3×93.42=28.03Mpa

L1=8m X=3.265m a=0.14m q=56.1(KN/m)

区格Ⅳ长边中点处主梁M1为

M1=q/2［L1X－（X－a）2］=459.4KN·m

σox=M1/ W max =35.1MPa

σzh=√（σmy）2＋（σmx－σox）2－（σmy）（σmx－σox）=97.2MPa＜1.1α[σ]=237.6MPa

以上验算均满足要求

4、主轮计算

轮直径Φ75cm 轮缘宽度10cm 轮轴Φ20cm

下主轮受力为P=220.9ⅹ1.1=243KN

上主轮受力为P=184.7ⅹ1.1=203.2KN

接触应力δmax=0.418=0.418ⅹ=487.6Mpa

轮子材料选用ZG310—570 δs=310Mpa

则δmax≤3.0δs=3.0ⅹ310=930Mpa

以上验算均满足要求

5、轨道底板混凝土承压应力h k=17cm B k=17cm

δh===2.8Mpa

二期混凝土为C25其【δh】=9Mpa

6、轨道横断面弯曲应力QU120

W k==574.51cm3

δ===26Mpa＜140Mpa

7、轨道颈部的局部承压应力

S=4.5cm t=4.4cm

δcd===40.9Mpa 【δcd】=200Mpa

8、轨道底板弯曲应力

δ=3δh=3x2.8x=27.22Mpa＜140Mpa

以上验算均满足要求。

9、轮轴材料采用45号优质钢。

轮轴的弯曲应力：P=243KN a=5.0cm l=16.0cm b=51.0cm δ=4.8cm d=20.0cm

σ===39.5Mpa＜145Mpa

轮轴剪应力(当b≥a+0.5l=6+0.5x16=14cm＜51cm时）

τ===35.1Mpa＜95Mpa

以上验算均满足要求

轴承板的局部紧接承压应力【δcj】=80Mpa

R A=P（0.5l+a+b）/b=243x(0.5x16+5+51)/51=305KN

δcj===38.13Mpa＜80Mpa

以上验算均满足要求

10、闭门力计算

n T=1.2 n G=0.9

F W=n T（T zd＋T zs）－n

G G +P t

式中F W—启门力（KN）；

n T—摩擦阻力安全系数，取n T=1.2；

n G—闸门自重修正系数，取n G=1.2；

T zd—滑动轴承的滚轮摩阻力（KN），滑动轴承的滚轮摩阻力（KN），

T zd=P（f1r+f）/R=56.5KN；

P—作用在闸门上的总水压力（KN），P=902.1KN；

f1—轴与轴套间的滑动摩擦系数，按钢对青铜（有润滑）情况，

取f1=0.25；

f—滚轮的滚动摩擦力臂，取f=1mm；

R、r—分别为滚轮、滚轮轴半径（mm），R=375mm，r=100mm；

T zs—止水摩擦阻力（KN），T zs= f3P Zs=37.87KN；

f3—止水摩擦系数，取f3=0.5；

P Zs—作用在止水上的水压力（KN），P Zs=59.4KN；

G—闸门自重（KN），G=130.5KN；

P1—上托力（KN），包括底缘上托力和止水上托力，本工程闸门面板在上游面，不计上托力；

经计算，F W=-18.2KN＜0，闸门依靠自重即可关闭。

11、闸门持住力计算

根据《水工钢闸门设计》，持住力一般在相对开度0.2左右时最大，取闸门开启高度a=0.82m 计算闸门持住力，闸门持住力按下式计算：

F T=n G＇G+W S+P x-P t-（T zd+ T zs）

式中F T—持住力（KN）；

n G＇—闸门自重修正系数，取n G＇=1.1；

T zd—滑动轴承的滚轮摩阻力（KN），T zd= P（f1r+f）/R=28.4KN；

f1—轴与轴套间的滑动摩擦系数，f1=0.1；

T zs—止水摩擦阻力（KN），T zs= f3P Zs=22.72KN；

f3—止水摩擦系数，取f3=0.3；

P x—下吸力（KN），P x= P S D2B ZS=173.5KN；

P S—闸门底缘平均的下吸强度（KN/m2），P S=20 KN/m2；

D2—闸门底缘止水至主梁下翼缘的距离，取D2=1.13（m）；

P t—上托力（KN），P t=γβt H S D1B ZS=0KN；

W S—作用闸门底横梁上的水柱压力（KN），W S=0。

其它符号同前。

经计算，F T=267KN＞0，说明此时启闭机的钢丝绳仍受拉力。

12、启门力计算

启门力F Q按下式计算：

F Q=n T（T zd+ T zs）+ P x +n G＇G+W S

式中F Q—启门力（KN）；

T zd、T zs—取计算闭门力数值；

其它符号同前。

经计算，启门力F Q=432KN。

13、启闭设备选型

根据上述计算结果，查产品样本，选用3台QP2×250型手、电两用卷扬式启闭机，采用机械和电子双重控制和显示。设限位开关和闸门开度传感器。设荷载限制器。启闭机的容许超载值一般不得大于额定起重容量的110%，因此，在实际负荷达到额定起重量的110%时，荷载限制器自动切断电源，使电动机停止转动。

启闭机主要参数：

启闭机形式固定卷扬式启闭机

台数3台

启门容量2×250KN

启闭机扬程9.5m

启门速度 2.1m/min

电动机YZ200L—8, 18.5KW, 697r.p.m

制动器YWZ3—315，50Kg.m，380V