露顶钢闸门课程设计

一、设计资料：

①闸门型式：露顶式平面钢闸门

②孔口尺寸（宽?高）： 14 m ? 12 m

③上游水位： m

④下游水位： m

⑤闸底高程： 0 m

⑥启闭方式：

⑦材料钢结构：Q235-A.F；

焊条：E43型；

行走支承：滚轮支承或胶木滑道

止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮

⑧制造条件金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足Ⅲ级焊缝质量检验标准规范：《水利水电工程钢闸门设计规范SL 1974-2005》

二、闸门结构的形式及布置

1.闸门尺寸的确定

闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高0.2m，故闸门高度=12+0.2=12.2（m）；闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=14m；

闸门计算跨度：L=L0+2d=14+2*0.2=14.40（m）

整个闸门的荷载为作于和闸门距离闸底H/3的P=706.32 KN/m的均布荷载

2.主梁的形式

主梁的形式根据水头和跨度大小而定，本闸门属偏大跨度，为了方便制造和维护，决定采用实腹式组合梁。

3.主梁的布置

①根据闸门的高跨比：当L小于等于H时采用多主梁形式，当L大于等于1.5H 时候采用双主梁形式，根据设计资料为14*12孔口尺寸，本设计采用3根主梁②主梁位置的确定：

主梁位置的设计原则是根据每个主梁承受相等水压力的原则确定。

对于露顶式闸门：假定水面至门底的距离为H，主梁的个数为n，第K根主梁至水面的距离为Yk，则

Yk=2H/3√n[K1.5 -（K-1）1.5 ]

根据公式：

Y1=2*12/3√3[11.5 -（1-1）1.5 ]=4.6（m）

Y2=2*12/3√3[21.5 -（2-1）1.5 ]=8.5 （m）

Y3=2*12/3√3[31.5 -（3-1）1.5 ]=10.9（m）

考虑到后面梁格的布置和面板的选取将第三根主梁的位置下调0.5m

所以Y3=11.4（m）。

4.梁格的布置和形式

对于露顶式大跨度闸门采用复式布置和等高连接，水平次梁穿过横隔板上的预留

孔并被横隔板所支撑，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，梁格布置的尺寸详见下图

5.连接系的布置和形式

①横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置7道横隔板，其间距为1.75m，横隔

板兼做竖直次梁，

②纵向连接系，设在两两主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。

6.边梁与行走支承：

边梁采用双腹式，行走支承采用滚轮

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

的厚度，在主梁截面选择之后再验算面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。

1.估算面板厚度

假定梁格的布置如上图所示。面板厚度按

T=a√(KP/0.9a[o])

当b/a小于等于3时，a=1.5则T=a√(KP/（0.9*1.5*160）)=0.068√KP

当b/a大于等于3时，a=1.4则T=a√(KP/（0.9*1.5*160）)=0.07√KP

列表计算：

区格a(mm) b(mm) b/a k p(N/mm2) √kp t(mm)

I 1750 3100 1.771429 0.652 0.01519 0.099518 12.19098 II 1500 1750 1.166667 0.368 0.03773 0.117833 12.01898 III 1500 1750 1.166667 0.368 0.05243 0.138904 14.16818

IV 1300 1750 1.346154 0.419 0.06615 0.166484 14.71717 V 1100 1750 1.590909 0.462 0.07791 0.189722 14.1912 VI 1000 1750 1.75 0.484 0.0882 0.206613 14.04966 VII 1000 1750 1.75 0.484 0.098 0.217789 14.80964 VIII 900 1750 1.944444 0.495 0.10731 0.230474 14.10503 IX 600 1750 2.916667 0.75 0.11417 0.292622 12.29011

t=15mm

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，已经面板厚

度为15mm，并且近似取板中的最大弯应力为[o]=160N/mm2，则：

P =0.07t[o]=0.07*15*160=168 N/mm2

面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：

T=VS/2I=298 N/mm2

由 hf=√（P2+T2）/（0.7*113）=11.6mm

面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=12mm

四、水平次梁、底梁、顶梁的设计

1、荷载与内力计算

水平次梁和顶、底梁都是支撑在横隔板上的连续梁，作用在他们上面的水压力可

按下式计算：

q = p（a上+a下）/2

列表计算：

根据上表计算，水平次梁的计算荷载取513.741 KN/m，水平次梁为8跨连续梁，

跨度为14/8=1.75m ，8跨弯矩系数选择如下图：

水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为

M次中=0.078ql2=0.078*513.741*1.752=122.72 （KN*m）支座B处的负弯矩：

M次B=0.105q l2=0.105*513.741*1.752=165.20（KN*m）

2.截面选择

W=M/[o]=165.2*106/160=1032500（mm3）

考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选【40c，由教材附录三表4查的：

A=9105mm2 Wx=985600mm3 Ix=197112000mm4 b1=104mm d=14.5mm 面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取最小值：

B<=b1+60t=104+60*15=1004(mm)

按上述中的8号梁进行计算：梁间距b=(b1+b2)/2=(1000+900)/2=950(mm)

对于第一跨中正弯矩段取L0=0.8L=0.8*1750=1400(mm),对于负弯矩段取L0=0.4L=0.4*1750=700(mm)，根据L0/b查表教材P205页表7-1

对于L0/b=1400/950=1.47得&1=0.56则B=&1*b=0.56*950=532(mm)

对于L0/b=700/950=0.74得&2=0.22则B=&2*b=0.22*950=209(mm)

对第一跨中选用B=532mm，则水平次梁的组合截面面积为

A=9105+532*15=17130 mm2

组合截面形心到槽钢的中心线距离为：

e=532*15*207.5/17130=96.66(mm)

跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：

I次中=197112000+9105*96.662+532*15*110.842=380640208.4 mm4

Wmin=380640208.4/296.66=1283085 mm3

对于支座B选B=209(mm)，则组合截面面积为：

A=9105+209*15=12240 mm2

截面形心到槽钢的中心线距离为：

e=209*15*207.5/12240=53.15(mm)

支座处组合截面的惯性矩及截面模量：

I次B= 197112000 +9105*53.152 +209*15*602 =234118919.4 mm4 Wmin=234118919.4/253.15=1069951.9 mm3

3.水平次梁的强度验算

由于支座B处弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处抗弯强度，即：O次=M次B/Wmin=165.2*106/1069951.9=154.40（N/mm2）<[o]=160 N/mm2

说明水平次梁选用【40c满足要求。

4.水平次梁的挠度验算

受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在跨边，由于水平次梁在B支座处截面的弯矩为MB次=165.2（KN*m），则边跨挠度可近似计算：

w/l=5*ql3/(384*EI次)-M次B*l/16EI次

=5*513.74*(1.75*103)/(384*206000*380640208.4)-

165.2*106*1.75*103/(16*206000*380640208.4)

=0.000564<0.004

故水平次梁选用40c满足强度刚度要求

5.顶梁和底梁

顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击影响，必须加强顶梁刚度，所以也采用【40c。

底梁也采用【40c。

五、主梁的设计

1.设计资料

①主梁的跨度：孔口尺寸L0=12m，计算跨度L=L0+2d=12.4m，荷载跨度L1=12m

②主梁荷载：由于第三根主梁位置下调，故将第三根主梁作为设计依据：

q = 248.12KN/m

③横向隔板间距：1.75m

④主梁的允许挠度：[W]=L/600

2.主梁设计

主梁设计的内容包括：①截面选择；②梁高改变；③翼缘焊缝；④腹板局部稳定性验算；⑤面板局部弯曲与主梁整体弯曲折算应力验算。

①截面选择：

弯矩与剪力：

Mmax=248.12*12/2*（12.4/2-12/4）=4763.9 (KN/m)

Vmax=q L1/2=248.12*12/2=1488.72 (KN)

②需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力为[o]=160（N/mm），考虑钢闸门的自重引起的附加应力，取[o]=0.9*160=144（N/mm），则需要的截面模量为

W=Mmax/[o]=4763.9*100/(144*0.1)=33082.64 cm3

③腹板高度的选择：

hmin=0.96*0.23*[o]/(E*[W/L])=0.96*0.23*144*100*12.4*100/2.06*107/(1/6 00)=114.83 (cm)

经济梁高hec=3.1W2/5=3.1*(33082.64) 2/5=199.16 (cm)

由于钢闸门中的横向隔板重量随主梁增高而增加，故主梁高度应比hec小，但不小于hmin，故选用腹板高度为:

h 0= 180 (cm)

④腹板厚度的选择：

tw= √h0/11=√180/11=1.22(cm)

选用腹板tw=1.4(cm)

⑤翼缘截面的选择：

A1=W/h0-(1/6)*tw*h0=33082.64/180-(1/6)* 1.4*180=141.79 (cm2)

下翼缘：需要b1=h0/3至h0/5之间，故取b1=h0/4=45（cm）

t1=A1/b1==141.79/45=3.15（cm）

上翼缘的部门面积可利用面板，故只需要设置较小的上翼缘同面板相连，选用t1=3.15cm,b1=20cm

面板兼做主梁上翼缘的有效宽度取为：

B=b1+60&=20+1.5*60=110 (cm)

上翼缘面积：A1=20*3.15+110*1.5=228(cm2)

⑥弯应力强度验算。主梁跨中截面如下图，几何特性如下表:

截面的形心矩：

y1=∑Ay’/∑A=50566.67/621.75=81.33(cm)

截面的惯性矩：

I=tw*h03/12*∑Ay2=1.4*1803/12+3061550=3741950 cm4

截面模量：

上翼缘顶边：Wmax=I/y1=3741950/81.33=46009.47 cm3

下翼缘底边：Wmin=I/y2=3741950/106.47=35142.76 cm3

弯应力：o=Mmax/Wmin=4763.9*100/35142.76=13.56(KN/cm2)<0.9*16=14.4 (KN/cm2) 所以安全。

表：主梁跨中截面的几何特性

⑦整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同刚性面板相连，可以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。

⑧截面改变

因主梁的跨度较大，为减小门槽宽度和支撑边梁高度（节省钢材），有必要将主梁支承段腹板高度减小为h0s=0.6h0=0.6*180=106cm,如下图：