水工钢结构(平面钢闸门)课程设计

目录

一、设计资料及有关规定 (2)

二、闸门结构的形式及布置 (2)

三、面板设计 (3)

四、水平次梁、顶梁和底梁地设计 (4)

五、主梁设计 (7)

六、横隔板设计 (10)

七、纵向连接系 (11)

八、边梁设计 (11)

九、行走支承设计 (13)

十、轨道设计 (14)

十一、止水布置方式 (14)

十二、埋固构件 (15)

十三、闸门启闭力 (15)

十四、闸门的启闭机械 (15)

一、设计资料及有关规定

1、闸门形式：潜孔式平面钢闸门

2、孔口尺寸（宽×高）：7.0m×12.0m

3、上游水位：67m

4、下游水位：0.1m

5、闸底高程：0m

6、启闭方式：电动固定式启闭机

7、材料：钢结构：Q235-A.F

焊条：E43型

行走支承：采用滚轮支承

止水橡皮：侧止水和顶止水用P型橡皮，底止水用条型橡皮

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。

9、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：12.2m

闸门的荷载跨度为两止水的间距：7.0m

闸门计算跨度：10+2×0.22=7.44(m)

设计水头：67m

2、主梁的数目及形式

主梁是闸门的主要受力构件，其数目主要取决于闸门的尺寸。因为闸门跨度L=7m,闸门高度h=12m,L

3、主梁的布置

本闸门为高水头的深孔闸门，主梁的位置可按主梁均匀间隔来布置。设计时按最下面的那根受力最大的主梁来设计，各主梁采用相同的截面尺寸。

4、梁格的布置及形式

梁格采用复式布置与等高连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支承。水平次梁为连续梁，其间距应均匀，以减少计算量。

5、连接系的布置与形式

（1）横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置5道横隔板，其间距为1.24m，横隔板兼作竖直次粱。

（2）纵向连接系，采用斜杆式桁架。

三、面板设计

根据《钢闸门设计规范S74—95》关于面板的设计，先估算面板厚度，在主梁截面选择以后再验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。

1、估算面板厚度

假定梁格布置尺寸如图2所示。面板厚度按下式计算

当b/a≤3时，a=1.5,则

当b/a >3时，a=1.4,则

现列表1计算如下：

区格a(mm) b(mm) b/a k p[N/mm2] t(mm)

1 910 1230 1.35 0.510 0.544 0.527 32.61

2 910 1230 1.35 0.429 0.554 0.488 30.20

3 910 1230 1.35 0.429 0.56

4 0.492 30.44

4 910 1230 1.3

5 0.429 0.573 0.49

6 30.69

5 910 1230 1.35 0.429 0.583 0.500 30.94

6 910 1230 1.35 0.429 0.593 0.504 31.19

7 910 1230 1.35 0.429 0.603 0.509 31.50

8 910 1230 1.35 0.429 0.613 0.513 31.74

9 910 1230 1.35 0.429 0.622 0.517 31.99

10 910 1230 1.35 0.429 0.632 0.521 32.24

11 910 1230 1.35 0.429 0.642 0.525 32.49

12 860 1230 1.43 0.539 0.652 0.593 34.68

根据上表计算，选用面板厚度t=35mm

2、面板与梁格的连接计算

已知面板厚度t=35mm ,并且近似地取板中最大弯应力σmax=[σ]=160N/mm2,则面板局部扰曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力P为：

P=0.07tσmax =0.07×35×160=392(N/mm )

面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：

面板与主梁连接的焊缝厚度：

角焊缝最小厚度：

面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度

四、水平次梁，顶梁和底梁地设计

1、荷载与内力验算

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压力可按下式计算，即

现列表2计算如下

梁号

梁轴线处水压力

强度P

（kN/mm2）

梁间距

（m）

（m）(kN/m) 1(顶梁) 539 0.5075 273.5

1.015

2（主梁）548.9 1.015 557.1

1.015

3（水平次梁）558.9 1.015 567.3

1.015

4（主梁）568.8 1.015 577.3

1.015

5（水平次梁）578.8 1.015 587.5

1.015

6（主梁）588.7 1.015 597.5

1.015

7（水平次梁）598.7 1.015 607.7

1.015

8（主梁）608.6 1.015 617.7

1.015

9（水平次梁）618.6 1.015 627.9

1.015

10(主梁) 628.5 1.015 637.9

1.015

11（水平次梁）638.5 1.015 648.1

1.015

12（主梁）648.4 0.990 641.9

0.965

13（底梁）657.9 0.4825 317.4

∑q=7258.8kN/m

根据上表计算，水平次梁计算荷载取648.1kN/m，水平次梁为6跨连续梁，跨度为1.24m，水平次梁弯曲时的边跨弯距为:

M次中＝0.072ql2=0.072×648.1×1.242=71.9(kN·m)

支座B处的负弯距：

M次B＝0.106ql2=0.106×648.1×1.24 2=105.4(kN·m)

2、截面选择

考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选［36a,由附录三表4查得：

A=6089mm2；W x=659700mm3；I x=118742000mm4；b1=96mm；d=9mm 面板参加次梁工作的有效宽度分别按下式计算，然后取其中较小值。

B≤b1+60t=96+60×35=2196(mm)

B=ξ1b (对跨间正弯距段)

B=ξ2b （对支座负弯距段）

按11号梁计算，梁间距

对于第一跨中正弯距段：l0=0.8l=0.8×1240=992(mm)

对于支座负弯距段：l0=0.4l＝0.4×1240＝496(mm)

根据l0/b查表7-1：

对于l0/b＝992/1015＝0.997 得ξ1＝0.40，得B=ξ1b＝406(mm)

对于l0/b＝496/1015＝0.489 得ξ2＝0.16，得B=ξ2b＝162.4(mm)

对第一跨中选用B＝406mm,则水平次梁组合截面面积（如图）:

A=6089+406×35=21199(mm2)

组合截面形心到槽钢中心线得距离:

跨中组合截面的惯性距及截面模量为：

I次中＝118742000+6089×1322+406×35×65.52

＝285801188(mm4)

对支座段选用B＝162.4mm，则组合截面面:

A=6089+162.4 35=11773(mm2)

组合截面形心到槽钢中心线得距

支座初组合截面的惯性距及截面模量为：

惯性距：

截面模量：

3.水平次梁的强度验算

由于支座B处弯距最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即:

说明水平次梁选用[36a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，最大挠度发生在便跨，由于水平次梁在B支座处截面的弯距=71.86kN?m,则边跨挠度可近似地按下式计算：

已经求得M

次B

故水平次梁选用[36a度和刚度要求。

五、主梁设计

（一）设计资料

（1）主梁跨度：净跨（孔口净宽）L0＝7.0m ；计算跨度L＝7.44m；荷载跨度L1=7m；（2）主梁荷载：

（3）横向隔板间距：1.24m

（4）主梁容许挠度：[W]=L/600

（二）主梁设计

1、截面选择

（1）弯距和剪力。弯距与剪力计算如下：

弯距：

剪力：

（2）需要的截面抵抗距：已知Q235钢的容许应力[σ]=160N/mm2，考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力[σ]=0.9×160=144N/mm2则需要的截面抵抗矩为：

（3）腹板高度选择：按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为：

经济梁高：

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h ec为小，但不小于h min。现选用腹板厚度h0＝240cm 。

（4）腹板厚度选择

选用t w＝4cm

（5）翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为

下翼缘采用t1=2cm（符合钢板规格）

需要，选用b1=60cm（在h/2.5~h/5=96~48之间）。

上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的翼缘板同面板相连，选用t1＝2cm，b1＝14cm，

面板兼作主梁上翼缘的有效高度为B＝b1+60δ＝14+60×3.5＝224(cm)

上翼缘截面面积A1=14×2.0+224×3.5=812(cm2 )

(6)弯应力强度验算

截面形心距：

截面惯性距：

截面抵抗距：

上翼缘顶边

下翼缘底边

弯应力：

部位

截面尺寸

（cm cm）

截面面积

A(cm2)

各型心离面

板表面距离

y′（cm）

Ay′

（cm3）

各型心离中和

轴距离

y=y′-y1(cm)

Ay2

(cm4) 面板部分224×3.5 784 1.75 1372 -78.35 4812758 上翼缘14×2 28 4.5 126 -75.6 160030 腹板240×4 960 125.5 120480 45.4 1978714 下翼缘60×2 120 246.5 29580 166.4 3322675 合计1892 151558 10274177 （7）因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体稳定性，因梁高大于按高度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。

2、截面改变

因主梁跨度较大，为减小门槽宽度与支承边

梁高度（节约钢材），有必要将主梁承端腹板高度

减小为。梁高开始改变的位

置取在邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧，离

开支承端的距离为124－10=114cm

考虑到主梁端部腹板及翼缘相焊接，故可按

工字截面梁验算应力剪力强度。尺寸表4所示：

部位

截面尺寸

（cm cm）

截面面积

A(cm2)

各型心离面

板表面距离

y′（cm）

Ay′

（cm3）

各型心离中

和轴距离

y=y′-y1(cm)

Ay2

(cm4) 面板部分224×3.5 784 1.75 1372 -40.85 1308278 上翼缘14×2 28 4.5 126 -38.1 40645

腹板144×4 576 77.5 44640 43.9 701573 下翼缘60×2 120 150.5 18060 107.9 1397089 合计1508 64198 3447585 截面形心距：

截面惯性距：

截面下半部对中和轴的面积距：

剪应力：

3、翼缘焊缝

翼缘焊缝厚度h f按受力最大的支承端截面计算。V max＝4184.6kN。I0=4442913cm4，上翼缘对中和轴的面积距：S1=784×40.85＋28×38.1=33093(cm3)

下翼缘对中和轴的面积距：S2=120×107.9＝12948(cm3)﹤S1

需要

角焊缝最小厚度

全梁的上下翼缘焊缝都采用h f＝21mm 。

4、腹板的加劲肋

加劲肋的布置：因，故不需要设置横向加劲肋。

5、面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算

取面板区格12验算其长边中点的折算应力计算

面板区格12的长边中点的主梁弯矩和弯应力

该区格长边中点的折算应力

故面板厚度选用35mm满足强度要求。

六、横隔板设计

1、荷载和内力计算

横隔板同时兼作竖直次粱，主要承受水平次粱、底梁和顶梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为：

2、横隔板和截面选择和强度验算

腹板选用与主梁腹板同高，采用

2400mm×20mm，上翼缘利用面板，下翼

缘采用200mm×10mm的扁钢，上翼缘可

利用面板的宽度公式按式B＝ξ2b确定其中

b=1240mm,按l0/b=2×1.015/1.24=1.64,

查表得ξ2＝0.46 ，则

B=0.46×1240=570mm，取B＝570mm 。

计算如下图所示截面几何特性。

截面型心到腹板中心线距离

截面惯性距：

截面模量：

验算应力：

由于横隔板截面高度较大，剪切强度更不必验算，横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度

，选取h f＝8mm。

七、纵向连接系

1、荷载和内力计算

纵向连接系承受闸门自重。潜孔式平面钢闸门门叶自重按下式计算

则下游纵向连接系承受0.4G=464KN

纵向连接系视作平面简支桁架，其结点荷载为

2、斜杆截面计算

斜杆承受的最大的拉力为305KN，同时考虑闸门偶然扭矩时可能造成的压力，故细长比的限制应该与压杆相同。即

选用单角钢L110×12，由附录三表2查得：

截面面积A=25.2cm2回转半径i y0 =21.5cm

斜杆计算长度

长细比

验算拉杆强度

八、边梁设计

由于深孔大孔口，行走支承采用滚轮式。所以这里用双腹式组合边梁。

边梁的截面尺寸按构造要求确定，梁高1460mm，上翼缘直接采用面板，下翼缘用150mm×20mm的扁钢做成。腹板厚度40mm。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，做设计时将容许应力值降低20%作为考虑受扭影响的安全储备。

1、荷载和内力计算

滚轮采用等荷载布置，在每个边梁上分别布置6个大小相等的主轮。每个主轮位于主梁后面。

每个主轮受力为2092.3kN。具体计算根据结构力学求解器。

最大弯矩M max=2092.3kN/m

最大剪力V max=4184.6kN

最大轴向力为作用在边梁上的一个起吊力，估为2300kN

在最大弯矩作用截面上轴向力为：N=2300-4184.6×0.1=1881.5kN

2、边梁强度验

算

截面面积

y1=700mm

上半部分对中和轴的面积矩

下半部分对中和轴的面积矩

截面惯性距：

I=3.31176×1010(mm4)

截面模量：

截面边缘最大应力验算：

腹板最大剪应力验算：

均满足强度要求

九、行走支承设计

采用滑动式滚轮支承，轴孔采用滑动轴承，轮径D=900mm,宽度b=150mm,轮轴直径d=200mm,轴套工作长度b1=250mm，；轮子材料用ZG35GrlMo.

滚轮验算

圆柱形滚轮与平面轨道接触应力：

P l：一个轮子的计算压力，N ；b、R：轮缘宽度和轮半径，mm；

E：材料的弹性模量，N/mm2；f y：屈服强度，N/mm2。

轴和轴套间接触应力：

d：轴的直径，mm；b1：轴套的工作长度，mm；

[σcg]：滑动轴套的容许应力，N/mm2。

轮轴与轴承板间局部承压应力

N：轴承板所受的压力（N=P l/2），N；∑t：轴承板叠总厚度，mm；[σcj]：容许应力，N/mm2。

以上计算均满足强度要求。

十、轨道设计

滚轮荷载R=2092.3kN, 混凝土为

C25,其[σh]=9N/mm2。轨道材料为

35Mn2,轨道选I56c,由附录三表4查得：

W x=2551400mm3；

I x=714300000mm4；b=170mm；

t w=16.5mm ；h=560mm

1、轨道底板混凝土承压应力：

2、轨道局部承压应力：

故满足要求。

十一、止水布置方式

侧向止水采用P型橡皮，顶止水采用P型橡皮，底止水采用条形橡皮，

布置方式如图

十二、埋固构件

门槽的埋固构件主要有：行走支承的轨道、与止水橡皮相接触的型钢、为保护门槽和孔口边棱处的混凝土免遭破坏所设置的加固角钢等。

侧止水座底止水座

十三、闸门启闭力

闸门自重G=1160kN

滚动摩擦阻力

止水摩阻力

上托力P t=0KN

闭门力

起门力计算

下吸力

则启门力为：

十四、闸门的启闭机械

由于启门力为2352kN ，选用江苏龙城宏力液压设备有限公司生产的QPKY -4500/2500-15.0型号的启闭机。

QPKY 系列——平面快速闸门液压启闭机

QPKY 系列液压启闭机共14种规格，适用于水利水电工程水轮发电机机组进口、调压井下游快速事故闸门的启闭，也可用于一般平面事故闸门启闭，本系列液压缸按闸门利用水柱压力或部分加重可关闭孔口而无需投运油泵电机组的条件进行设计。

型号表示方法

Q P K Y □/□—□—□

液压缸支承型式Ⅰ或Ⅱ 行程（m ） 启门力（kN ） 持住力（kN ） 液压传动 快速关闭 平面闸门 启闭机

QPKY 系列快速闸门液压启闭机基本参数

序号 参数 型号

持住力

F g （KN ） 启门力

F q （KN ） 最大行程 L man （m ） 缸内径 D （mm ） 活塞杆直径

d (mm ） 缸内计算压力 F g / F q （MPa ） 速度 Vg/Vq （m/min ）

1 QPKY-60/60-8* 60 60 8.0 100 50 9.99/9.99 Vg= 3.0～8.5 Vq= 0.25～1.0

2 QPKY-80/80-8* 80 80 8.0 110 60 10.39/10.39

3 QPKY-100/100-8* 100 100 8.0 125 63 10.7/10.7

4 QPKY-125/125-8* 12

5 125 8.0 140 70 10.6/10.

6 5 QPKY-160/160-8* 160 160 8.0 160 70 9.7/9.

7 6 QPKY-200/200-8* 200 200 8.0 180 90 10.29/10.29 7 QPKY-250/250-8* 250 250 8.0 200 100 10.4/10.4

8 QPKY-320/320-11.5* 320 320 11.5 220 100 10.33/10.33

9 QPKY-400/400-11.5* 400 400 11.5 250 110 10.0/10.0 10 QPKY-500/250-11.5* 500 250 11.5 300 120 10.39/5.28 11 QPKY-630/320-11.5* 630 320 11.5 300 120 10.39/5.28 12 QPKY-800/400-11.5* 800 400 11.5 320 140 12.1/6.05 13 QPKY -1000/500-11.5* 1000 500 11.5 320 140 15.09/7.55 14 QPKY -1250/630-11.5* 1250 630 11.5 340 150 16.76/8.4 15 QPKY -1600/800-11.5* 1600 800 11.5 360 150 18.65/9.33 16 QPKY -2000/1000-11.5*

2000

100

11.5 400

150

18.16/9.1

17 QPKY-2500/1250-11.5* 2500 1250 11.5* 450* 180 18.4/9.2*

18 QPKY-3200/1600-12 3200 1600 12.0 450 220 26.5/13.25

19 QPKY-4000/2000-14.5 4000 2000 14.5 500 250 27.1/13.6

20 QPKY-4500/2500-15.0 4500 2500 15.0 560 280 24.4/13.5

21 QPKY-5000/2500-16.0 5000 2500 16.0 600 300 23.6/11.8

22 QPKY-6300/3150-16.0 6300 3150 16.0 630 300 26.2/13.1

23 QPKY-8000/4000-17.0 8000 4000 17.0 710 350 26.7/13.35

24 QPKY-10000/5000-17.0 10000 5000 17.0 800 350 24.6/12.3

QPKY系列快速闸门液压启闭机机座

液压缸结构图