平面钢闸门设计.

钢结构课程设计

题目：平面钢闸门设计

专业：水利水水电工程

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二〇一六年11月20日

平面钢闸门设计

一、设计资料

闸门形式：平面钢闸门；

孔口净宽：10.00m

设计水头：5.40m

结构材料：Q235F

A-;

焊条：焊条采用E43型手工焊；

止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮；行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为2

MCS;

-

启闭方式：电动固定式启闭机;

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；执行规范：《水利水电工程钢闸门设计规范》（1995

SL）。

74-

-

。

二、闸门结构的形式及布置

（1）闸门尺寸的确定（见下图）。

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= 5.54+ 0.2 = 5.6（m）；

2）闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1 = 10m；

3）闸门的计算跨度：L = L0 + 2d = 10+2?0.2 =10.4 (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 ≈1.867， 并要求下臂梁H a 12.0≥和≥a 0.4。上臂梁 H c 45.0≤,今

取

a 0.12H=0.672(m)

主梁间距

2b=2(y-a)=2(1.867-0.672)=2.39(m)

则 c=H-2b-a=5.5-2.46-0.6=2.538(m)

（满足要求）

（4）梁格的布置和形式。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下图所示。

（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 2.6 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________kp

t ≥计算

当b/a ≤ 3 时，a = 1.5 ，则kp a kp

a

t 68.0160

4.19.0_________=??= 当b/a > 3 时，a = 1.4 ，则kp a kp

a

t 07.0160

4.19.0_________=??=

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，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 。=333500?580?8?262/2?1003410000=202（N/mm ） 由式[]

)7.0/(22ωτf f T P h +≥=2.7（mm ）

面板与梁格连接焊缝取其最小厚度6mm 。

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

根据表2 计算，水平次梁计算荷载取30.10kN/m,水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.35m（如上图）。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为

M次中=0.077ql2=0.077?29.90?2.352=12.71(kN?m)

支座B 处的弯矩为

M 次B =0.107ql 2=0.107?29.90?2.352=17.67(kN ?m)

（2） 截面选择。W=M/[?]=176.7?102?103/160=1104375mm 3) 考虑到利用面板作为次梁截面的一部分，初选 [ 16 a 由附表 6.3查的：A=25693mm ；Wx=141400mm 3；Ix=12727000mm4；b=68mm ；d=7mm ；

面板参加次梁翼缘工作的有效宽度

16068608548()B b t mm ≤+=+?=

12()

B b B b

εε==对跨间正弯矩段（对支座负弯矩段）

（其中()2/21b b b +=）计算，然后取其其中较小值。

按5号梁计算，设梁间距()=+=2/21b b b (720+770)/2=745(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=1880mm 。对于支座负弯矩段取0l = 0.4L=940mm 。

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= 1880/700= 2.686，得1ξ= 0.78，则B =0.78*745=581; 对于b L /0= 940/700 = 1.262，得1ξ= 0.364，则B =0.364*745= 271.2 ; 对第一跨中选用B=548mm ，则水平次梁组合截面面积（如图）为 对于第一跨中选用B=548mm ，则水平次梁组合截面面积为

2256954886953()A mm =+?=

组合截面形心到钢槽中心线的距离为 54889459()6953

e mm ??==

跨中组合截面的惯性矩及截面模量为

224=127270000+256959+548835=27040000I ???次中（mm ）

2min 27040000

181500()149

mm =

W 对支座B =300mm ，则组合截面面积为

A =2569+300?8=4969（mm 2）

组合截面形心到槽钢中心线的距离为

e=8+83-46=45（mm ） 支座处组合截面的惯性矩及截面模量为

I 次B=12727000+2569?452+300?8?492=23691625（mm4） Wmin=23691625/135=175493（mm

3）

（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

?次=M 次B/

Wmin=17790000/175493=101.4<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 =26.26kN ?m ，则边跨挠度可近似地计算为

v/l=5ql 3/384EI 一次M 次Bl/16 EI 次=5?30.10?23503/384?206000?27040000-17190?2350/16?2060000?27040000=0.000912?【v/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 100= ，计算跨度 m L 4.10=,荷载跨度m L 101= ；

2）主梁荷载：；q=74.11kN/m 3）横向隔板间距：2.60 ； 4）主梁容许挠度[]600/L =υ。

（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 Mmax=747.11?10.0?（10.4/2-10/4）/2=10085 kN/m Vmax=74.11?10.0/2=370.55kN

○

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=Mmax/[?]=100850/14.4=7000（cm3）

○

3腹板的高度选择。按高度要求的最小高梁（变截面梁）为 hmin=0.96?0.23?144000?10400/20600000?（1/600）=87.1（cm ） 经济梁高ec h =3.1?5√5674.032=98.4（cm ）

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min h 。现选用腹板高度h 。=90cm

○

4腹板厚度选择。按经验公式计算：cm h t 86.011/9011/===?，选用cm t 0.1=?。

○

5翼缘截面选择。 下翼缘选用cm t 0.21=（符合钢板规格） 需

要

选

用

cm

b 321=(在

cm h

h 20~405

~5.2= 之间）。 上翼缘的部分截面面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用cm t 0.21=，cm b 121=。

面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为 B=b1+60δ=10+60?0.8=58(cm) 上翼缘的面积为

A1=10?2+58?0.8=66.4(cm2)

○

6弯应力强度验算。主梁跨中截面的几何特性见表4 。 截面形心矩为

Y1=∑Ay1/∑A=8839/200.4=44.1(cm)

截面惯性矩

I=?t h 。3/12+∑Ay 2=903?1/12+231650=292400（cm4） 截面模量：

上翼缘顶边 Wmin=I/y1=292400/44.1=6630(cm3) 下翼缘底边 Wmin=I/y2=292400/49.9=5860(cm3)

弯应力?=Mmax/Wmin=81706/5860=13.9 (kN/cm2)?0.9?16=14.4(kN/cm2) (安全)

○

7整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按《设计规范》规定，可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，故梁的挠度不必验算。

2)截面改变。因为梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度（节省钢材），有必要将主梁支承端腹板高度减小为cm h h s

546.000==（如图）

表4 主 梁 跨 中 截 面 的 几 何 特 性

梁高开始改变的位置去载邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧（如图），离开支承端的距离为235–10 = 225 cm 。

剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字形截面来验算剪应力的强度。主梁支承端截面的几何性质

见表5 。

表5 主 梁 端 部 截 面 的 几 何 特 性

截面形心距

y 1=4377/164.4=26.6(cm)

截面惯性矩

I 。=1?543/12+87219=100341(cm4)

截面下半部对中和轴的面积矩

S=48?30.6+29.8?1?29.8/2=1913(cm 2)

剪应力

т=VmaxS/I 。?t =333.5?2294/100341?1=6.39(kN/cm 2)?[т]=9.5(kN/cm 2)

3）翼缘焊缝。翼缘焊缝厚度（焊脚尺寸）f h 按受力最大的支承端截面计算。最大剪应力=max V 333.5kN ，截面惯性矩0I = 100341cm4 。

上翼缘对中和轴的面积矩

S1=46.4?26.2+16?25=1615.7（cm3）

下翼缘对中和轴的面积矩

S2=48?30.6=1468.8（cm 3）?S1

需要34.03

.111231584.12.19755.333][4.11=???==

Tfw I VS h f （cm ） 角焊缝最小厚度)(7.6205.15.1cm t h f ==≥ 全梁的上、下翼缘焊缝都采用=f h 8mm

4）腹板的加劲肋和局部稳定验算。加劲肋的布置：因为

80900

.190

0>==ωt h ，故需设置横向加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋，其间距a = 2350 。腹板区格划分如（图8）所示。

梁高与弯矩都较大的区格II 可按式()()1///2

2

≤++?cr c c cr cr σσττσσ验算：

区格II 截面的平均剪应力

V Ⅱ左=333.5-74.11?（4.5-2.35）=174.2(kN) V Ⅱ右=0

т= V Ⅱ左+ V Ⅱ右/2?t h 。=174.2/2?90?1=0.97（kN/cm 2）=9.7（N/mm 2） 区格II 左边及右边截面上的弯矩分别为

M Ⅱ左=333.5 ?2.35-74.11?（4.5-2.35）2/2=612(KN m ?) M Ⅱ右=max M =817.06KN m ?

区格II 的平均弯矩为

M Ⅱ=（M M +Ⅱ右Ⅱ左）/2=612+817.02/2=714.53(KN m ?)

区格II 的平距弯应力为

σⅡ=M Ⅱ0y /I =714.53?417000000/2924000000=101.9（N/mm 2）

计算cr σ

b λ=0h /w t =90/1.0/177?1=0.51<0.85