露顶式平面钢闸门设计

露顶式平面钢闸门设计一、 设计资料闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门； 孔口净宽：9.00m ； 设计水头：5.50m ； 结构材料：Q235钢； 焊条：E43；止水橡皮：侧止水用p 形橡皮；行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2； 混凝土强度等级：C20。

规范：《水利水电工程钢闸门设计规范》 （SL 74-95）。

二、 闸门结构的形式及布置（1）闸门尺寸的确定（图1）。

1）闸门高度：考虑到风浪产生的水位超高为0.2m ，故闸门高度= 5.5 + 0.2 = 5.7（m ）；2）闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L 1 = 9m ； 3）闸门的计算跨度：L = L 0 + 2d =9+2×0.2=9.4(m)；（2）主梁的形式。

主梁的形式应根据水头的大小和跨度的大小而定，本闸门属于中等跨度，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。

根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。

为使两个主梁设计水位时所受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力的合力作用线y = H/3≈1.83m(图1)并要求下臂梁H a 12.0≥和≥a 0.4 m 。

上臂梁 H c 45.0≤,今取a=0.63≈0.12H=0.66(m)主梁间距2b=2(y~-a)=2×1.2=2.4(m) 则c=H-2b-a=5.5-2.4-0.63=2.47≤0.45H （满足要求）（4）梁的布置和形式。

梁格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冰被横隔板所支承。

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，梁格布置具体尺寸如 图2 所示。

（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 道横隔板，其间距为 2.35 m ，横隔板兼作竖直次梁。

2）纵向连接系，设在两个主梁下的翼缘的竖平面内。

采用斜杆式桁架。

（6）边梁与行走支承。

边梁采用单复式，行走支承采用胶木滑道。

三、面板设计根据《水利水电工程钢闸门设计规范》 （SL 74-95），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的局部弯曲与主梁弯曲的折算应力。

（1） 估算面板厚度。

假定梁格布置尺寸 图 2 所示。

面板厚度按式[]σα9.0________kpt ≥计算当b/a ≤ 3 时，a = 1.5 ，则kp a kpa t 68.01604.19.0_________=⨯⨯= 当b/a > 3 时，a = 1.4 ，则kp a kpa t 07.01604.19.0_________=⨯⨯= 现列 表 1 进行计算。

表1 面 板 厚 度 的 估 算注 1、面板边长a 、b 都从面板宇梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽为140mm (详见后面)2、区格I 、VI 中的系数k 由三边固定一边简支板查得。

根据表1计算，选用面板厚度 t = 8 mm 。

（2）面板与梁格的连接计算。

面板局部绕曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力P 按式σt P 07.0=max计算，已知面板厚度t=8mm ，并且近似地取板中最大弯应力σmax =【σ】=160 N/mm 2 则σt P 07.0=max = 0.07×8×160=89.6（N/mm ）面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力T=VS/2I 0 =441000×620×8×306/2×1617000000=207(N/mm) 由式[])7.0/(22ωτf f T P h +≥计算面板与主梁连接的焊缝厚度为h f =((p/1.22)2+T 2)^(1/2)/(0.7[τt h )=√89.6×89.6+207×207/0.7×115=2.8(mm)面板与梁格连接焊缝取其最小厚度h f =6 mm四、水平次梁、顶梁和底梁的设计（1）荷载与内力计算。

水平次梁和顶、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水平压力可按式2______下上a a p q +=计算。

列 表2 计算后得εq =154.75kN/m表2 水 平 次 梁 、 顶 梁 和 底 梁 均 布 荷 载 的 计 算根据 表2 计算，水平次梁计算荷载取28.31kN/m,水平次梁为四跨连续梁，跨度为2..35m （图3）。

水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为M 次中=0.077ql 2=0.077×28.31×2.35×2..35=12.04(kN ﹒m)支座B 处的弯矩为M 次B ==0.107ql 2=0.107×28.31×2.35×2.35=15.63(kN ﹒m) （2） 截面选择。

W=M/[σ]=×106/160=97688mm 3考虑到利用面板作为次梁截面的一部分，初选 [ 18 a 由附表 6.3查的：A=25693mm ；3141400mm W x =；412727000mm I x =；b=68mm ；d=7mm 。

面板参加次梁工作有效宽度分别按式c b B t 2+≤及式b B 1ξ=或b B 2ξ=（其中()2/21b b b +=）计算，然后取其其中较小值。

B ≤b 1+60t= 68+6×8=548mmb B 1ξ=（对胯间正弯矩段）b B 2ξ=（对支座负弯矩段）按5号梁计算，设梁间距()=+=2/21b b b (720+710)/2=715(mm)。

确定式中面板的有效宽度系数 ξ 时，需要知道梁弯矩零点之间的间距0l 与梁间距b 比值。

对于第一跨中正弯矩段取0l = 0.8l=0.8×2350=1880 。

对于支座负弯矩段取0l =0.4×2350=940。

表3 面 板 有 效 宽 度 系 数 1ξ 和 2ξ根据b L /0查 表3，得对于b L /0= 1880/715 = 2.63 ，得1ξ= 0.78 ，则B =0.78×715=558(mm) ; 对于b L /0= 940/715 = 1.31 ，得1ξ= 0.364 ，则B = 0.364×715=260(mm) ; 对第一跨中选用B=488mm ，则水平次梁组合截面面积 图3 为A =2569+548×8=6953 mm 2组合截面形心到槽钢中心线的距离为e=548×8×94/6953=59（mm ） 跨中组合截面的惯性矩及截面模量为I 次中=12727000+2569×592+548×8×352=27040000mm 4 W min =12727000/149=181500mm 2对支座B = 260 mm ，则组合截面面积为A =2569+260×8=4649 mm 2组合截面形心到槽钢中心线的距离为 e=260×8×94/4694=42(mm)支座处组合截面的惯性矩及截面模量为I 次B =12727000+2569×422+260×8×422=mm 4W min =20970172/135=155335 mm 2（3）水平次梁的强度验算。

由支座B （图3）处弯矩最大，而截面模量最小，故只需验算支座B 处的截面的抗弯强度，即σ次=M 次B /W min =15.63×106/155335=101N/mm 2<[σ]=160N/mm 2说明水平次梁选用 [18a 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，最大挠度发生在边跨，由于水平次梁在B 支座处截面的弯矩已经求得M 次B =20.48kN.m ,则边跨挠度可近似地计算为v/l=5/384×ql 3/EI 次-M 次B l/16EI 次=5×28.31×(2.35×103）3/384×2.06×105×2704×104-15.63×106× 2.35×103/16× 2.06×105×2704×104=0.000093<[W/L]=1/250=0.004故水平次梁选用 [18a 满足强度和刚度要求。

（5）顶梁和底梁。

顶梁所受的荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度，所以也采用 [18a 。

底梁也采用 [18a 。

五、主梁设计（1）设计资料。

1）主梁跨度（图5）；净跨（孔口宽度）()m L 90= ，计算跨度 m L 4.9=,荷载跨度m L 91= ；2）主梁荷载：74.1KN/M ； 3）横向隔板间距：2.35 ； 4）主梁容许挠度[w]=L/550。

（2）主梁设计。

主梁设计包括：○1截面选择；○2梁高改变；○3翼缘焊缝；○4腹板局部稳定验算；○5面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。

1）截面选择。

○1弯矩与剪力。

弯矩与剪力计算如下M max =74.1×9/2×(9.4/2-9/4)=817(kN ﹒m) V max = qL 1/2=0.5×74.1×9=333(KN)○2需要的截面模量。

已知 Q235 钢的容许应力 []2/160mm N =σ ，考虑钢闸门自重应力引起的附加应力作用，取容许应力为[]2/1441609.0mm N =⨯=σ ，则需要的截面模量为W=M max /[σ]=817×100/144×0.1=5674cm 2○3腹板的高度选择。

按高度要求的最小高梁（变截面梁）为 h min =0.96×0.23×[σ]L/E[w/L]=0.96×0.23×144×100×9.4×100/2.06×107×(1/550)=79.8cm经济梁高 h e =3.1W 2/5=3.1×56742/5=98.4cm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ec h 小，但不小于m in h 。

现选用腹板高度cm h 900= 。

○4腹板厚度选择。

按经验公式计算：cm h t 86.011/9011/===ϖ，选用cm t 0.1=ϖ。

○5翼缘截面选择。

每个翼缘截面为 A 1=W/h 0-t w h 0/6=5674/90-1.0×90/5.5=61cm 2下翼缘选用cm t 0.21=（符合钢板规格）需要，选用b 1=A 1/t 1 =61/2.0=30.5cm ，选用b 1= 32cm(在cm hh 20~405~5.2= 之间）。