弧形钢闸门设计计算实例分析

弧形钢闸门设计计算实例分析

摘要：本文主要根据某面板堆石坝工程弧形钢闸门的实例数据，就其结构布置和结构设计中一些重要参数进行了实际的计算验证分析。

关键词：弧形钢闸门；设计；计算；实例

Abstract: In this paper, according to the instance data of CFRD tainter gate, it analyzed the actual calculation and verification on some important parameters of the structural layout and structure design.

Keywords: tainter gate design; calculation; examples

中图分类号: TV663.2

本文将以工程实例为据通过具体的计算就弧形钢闸门工程设计进行分析。重点对结构的稳定、强度及应力计算进行分析。本文设计计算的内容主要包括框架内力分析、框架结构计算及启闭力计算。

一、水库工程概况说明

大坝坝型为面板堆石坝，主堆石区以中下部强风化或弱风化岩体作为基础持力层，次堆石区以强风化岩体为基础持力层。趾板应放在弱风化岩体中下部。

1）水库特性指标

正常蓄水位：500.00m

正常蓄水位以下库容：1492万m3

设计洪水位：500.44m

校核洪水位：501.70m

总库容：1629万m3（校核洪水对应库容）

死水位：474.00m

死库容：327万m3

调节库容：1165万m3

2）材料容重

混凝土：24kN/m3

钢筋混凝土：25kN/m3

钢材容重：78.5kN/m3

浆砌石：23kN/m3

水：10kN/m3

3) 设计安全系数

抗剪断公式：基本荷载组合K′≥3.00

特殊荷载组合K′≥2.50

闸门采用斜支臂双主横梁式焊接结构，其结构布置图见图1。弧门半径R=9.0m，支铰高度H2=4.2m。垂直向设置三道实腹板式隔板及两道边梁，区格间距为2.25m，边梁距闸门面板边线为0.3m；水平向除上、下主梁及顶、底次梁外，还设置了5根水平次梁，其中上主梁以上布置1根，两主梁之间布置4根。支铰采用圆柱铰，侧水封为“L”行橡皮水封，底水封为“刀”形橡皮水封。在闸门底主梁靠近边梁的位置设置两个吊耳，与启闭机吊具通过吊轴相连接。采用2×160kN固定式卷扬机操作。

二、结构布置

1、荷载计算分析

闸门在关闭位置的静水压力，由水平水压力和垂直水压力组成，如图2所示。

水平水压力：

(kN)

垂直水压力：

图1主横梁式弧形闸门结构简图（单位：mm）

其中：=(6.44-4.2)/9=0.249,所以=14.412°

=4.2/9=0.467,所以=27.818°

=42.23°

=0.737°

=sin55.636°=0.825

=-sin13.406°=-0.232

=sin42.23°=0.672

=-sin6.703°=-0.117

故=457.82(kN)

总水压力：

=1921.6(kN)

总水压力作用方向：

=457.8/1866.3=0.2453

所以=13.783°

2、面板弧长

闸门门叶垂直高度为6.5m，支铰中心水平线以上弧形面板包角为=14.807°

总水压力作用线上、下的弧长L上、L下分别为

L上=0.01745 = 0.01745×9.0×（14.807+13.783）= 4.490（m）

L下=0.01745 = 0.01745×9.0×（27.818-13.783）= 2.204（m）

面板总弧长L总为

L总= L上+ L下= 4.49+2.204 = 6.694（m）

3、主框架位置

根据等荷载原则，闸门上、下主梁与支臂组成的主框架平面布置应与总水压力作用线对称，使两框架受力均匀。两主梁之间的弧长为 3.925m，上、下主框架之间的夹角为，即

=180×3.925/28.274=24.987°

所以=12.494°

上、下框架与水平线的夹角（负号表示位于水平线的上方）为

=13.783-12.494=1.289°

=13.783+12.494=26.277°

三、结构计算

1、面板

面板厚度按下列公式初选，并按表1计算。

式中：为弹塑性薄板支承长边中点弯曲应力系数；为弹塑性调整系数（b/a ＞3时，=1.4；b/a≤3时，=1.5）；为面板计算区格中心的压力强度，N/mm2；a、b为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]为钢材的抗弯容许应力。

表1面板厚度计算表

注：主梁前翼缘宽度取100mm，次梁前翼缘宽度取70mm。

根据表1的计算结果，面板厚度选定为δ=10mm。

2、水平次梁

（1）荷载及内力

水平次梁荷载按“近似取相邻间距和之半法”计算单位宽度荷载，见表2。

表2 水平次梁荷载计算表

全部次梁及顶、底次梁采用同一截面，按其中最大荷载的一根次梁（次梁5）进行计算。水平次梁按受均布荷载的六跨连续梁计算，其计算简图见图3。

图3水平次梁计算简图（单位：m）

水平次梁参数为：=43.5kN/m，=2.25m。

最大支座弯矩：

=0.106×43.5×2.252 =23.3（kN·m）

最大跨中弯矩：

=0.078×43.5×2.252 =17.2（kN·m）

最大剪力：

=0.606×43.5×2.25=59.3（kN）

（2）应力计算

弯曲应力：

(MPa)＜

(MPa) ＜

剪应力：

(MPa) ＜