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1、精选优质文档-倾情为你奉上露顶式平面钢闸门设计专心-专注-专业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：16.00m孔口净高：15.00m结构材料：Q235-A.F焊条：E43型行走支承：胶木滑道或者是滚轮支承止水橡皮：侧止水用p形橡皮，底止水用条形橡皮制造条件：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：考虑到风浪产生的水位超高为0.2m，故设计水头高度= 15- 0.2 = 14.8（m）闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1 =16
2、m闸门的计算跨度：L = L0 + 2d =16+20.2=16.4(m) 图一 闸门主要尺寸（单位：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 因为L=16m1.5H=1.515=22.5m 所以是选择7根主梁 根据公式计算得到每一根主梁距水面的距离，然后可取值为y1=4.00m；y2=7.00m; y3=9.00m; y4=11.00m; y5=12.00m; y6=13.00m; y7=14.00m 其具体布置如下图： 图二 主梁的布置 单位（m）4.梁的布置和形式。梁格采用复式布置和等高连接
3、，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。 （单位：dm）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2 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，行走支承采用滚轮支承。三、面板设计根据水利水电工程钢闸门设计规范SL 1974-2005，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
4、示。面板厚度按式计算 当b/a 3 时，= 1.5 ，则 当b/a 3 时，= 1.4 ，则现列 表 1 进行计算。 表一： 面 板 厚 度 的 估 算区格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm)t(mm)1128019901.550.5800.0070.0645.572125019901.590.4680.0200.0978.253113019901.760.4830.0330.1269.68495019902.090.4970.0440.1489.56592019902.160.4980.0540.16410.26690019902.210.4980.0640.17910.9576001
5、9903.320.5000.0720.1907.98859019903.370.5000.0780.1978.14948019904.140.5000.0830.2046.851064019903.110.5000.0910.2139.541162019903.210.5000.0980.2219.591244019904.520.5000.1030.2276.991342019904.740.5000.1040.2286.701441019904.850.5000.1100.2356.741541019904.850.5000.1200.2457.031641019904.850.5000.
6、1240.2497.151740019904.980.5000.1300.2557.14183901990 5.100.5000.1350.2607.101931019906.420.5000.1390.2655.752024019908.30 0.7500.1430.3305.54根据上表计算，选用面板厚度 t = 11mm。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max计算。已知面板厚度t=11mm，并且近似地取板中最大弯应力max =【】=160 N/mm2 ，则：max = 0.0711160=123.2（N/mm）面板与主梁连接焊缝方向单位长
7、度内的剪力： T=VS/2I0 =62011306/2=204 (N/mm)由式计算面板与主梁连接的焊缝厚度为=(p/1.22)2+T2)(1/2)/(0.7)=123.222042/0.7115= 3.0(mm)面板与梁格的连接焊缝应采用连续焊缝，面板与梁格连接焊缝取其最小厚度=8mm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计算，即列表2 计算后得q=996.86kN/m表2 水 平 次 梁 、 顶 梁 和 底 梁 均 布 荷 载 的 计 算梁号梁轴线处水压强度梁间距（m）（m）（KN/m）1顶梁1.961
8、.22 11.761.26514.881.333 24.791.30032.231.274（主梁） 37.241.13542.271547.041.00047.0411656.841.00056.8417（主梁）66.640.85056.640.7873.500.70051.450.7980.360.65052.230.610（主梁）86.240.65056.060.71193.100.70065.170.71299.960.65064.970.613（主梁） 105.840.55058.210.514 110.740.50055.370.515（主梁） 115.640.50057.820.5
9、16120.540.50060.270.517（主梁）125.440.50062.720.518 130.340.50065.170.519（主梁） 135.240.45060.860.420139.160.35048.710.321（底梁） 142.10.30042.63顶梁荷载按下图计算：根据 表2 计算，水平次梁计算荷载取65.17kN/m,水平次梁为十跨连续梁，跨度为2m。如下图所示。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为M次中=0.077ql2=0.07765.1722=20.07(KNm)支座B处的弯矩为M次B =0.107ql2=0.10765.1722=27.89(KNm)图三 水平次梁
10、计算简图和弯矩图2.截面选择。 W=M/=27.89106/160=.5mm3考虑到利用面板作为次梁截面的一部分，初选 20a，由附录三表4查得：A=2883；=73mm；d=7mm。面板参加次梁工作有效宽度分别按式及式或（其中）计算，然后取其其中较小值。 b1+60t=73+6011=733(mm)（对胯间正弯矩段）（对支座负弯矩段）按18号梁计算，设梁间距(500+500)/2=500(mm)。确定式中面板的有效宽度系数 时，需要知道梁弯矩零点之间的间距与梁间距b比值。对于第一跨中正弯矩段取= 0.8=0.82000=1600(mm)。对于支座负弯矩段取 =0.42000=800(mm)。
11、根据/查下面表3可得：表3 面 板 有 效 宽 度 系 数 和 0.51.01.52.02.53456810120.200.400.580.700.780.840.900.940.950.970.981.000.160.300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92对于/=1600/500=3.2得=0.852则B=b=0.852500=426（mm）对于/=800/500=1.6得=0.429则B=b=0.429500=215（mm）图四 面板参加水平次梁工作后的组合界面（单位：mm）对第一跨中选用B=426mm ，则水平次梁组合截面面积（图四）为A =
12、2883+42611=7569 （mm2）组合截面形心到槽钢中心线的距离为 e=（42611105.5）/7569=65（mm）跨中组合截面的惯性矩及截面模量为 I次中=+2883652+4261140.52=（mm4） W min=/165=（mm2）对支座段选用B =215mm ，则组合截面面积为A =2883+21511=5248 （mm2）组合截面形心到槽钢中心线的距离为 e=21511105.5/5248=48(mm)支座处组合截面的惯性矩及截面模量为 I次B=+2883482+260857.52=（mm4）W min=/148= （mm2）3.水平次梁的强度验算。由支座B（图三）处
13、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/W min=27.89106/=131.8N/mm2=160N/mm2说明水平次梁选用 20a 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=27.89kN.m ,则边跨挠度可近似地计算为v/l=5/384ql3/EI次-M次Bl/16EI次=565.17(2.0103）3/3842.06105-27.891062.0103/162.06105=0.W/L=1/250=0.004 故水平次梁选用 20a 满足强度和刚度要求。（5）顶梁和底
14、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 20a。底梁也采用 20a。五、主梁设计（一）设计资料。1.主梁跨度（图五）；净跨（孔口宽度）16m ，计算跨度,荷载跨度 ；2.主梁荷载：153.4KN/M；3.横向隔板间距：2m；4.主梁容许挠度w=L/600。（二）主梁设计。主梁设计包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板局部稳定验算；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。弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下 M max=153.49/2(9.4/2-9/4)=5154.24(KNm) V max= qL1/2=1/2153.416.0=1
15、228(KN) 图五 平面钢闸门的主梁位置和计算简图需要的截面模量。已知 Q235 钢的容许应力 ，考虑钢闸门自重应力引起的附加应力作用，取容许应力为 ，则需要的截面模量为 W=M max/= 5154.24100/（1440.1）=35793cm2 腹板的高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为H min=0.960.23L/Ew/L=0.960.2314410016.4100/（2.06107(1/600)）=151.9cm经济梁高 he=3.1W2/5=3.1/5=206cm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 小，但不小于 。现选用腹板高度 腹板厚度选择
16、。按经验公式计算： ，选用 翼缘截面选择。每个翼缘截面为 A1=W/h0-twh0/6=35793/180-2.0180/6=138.85cm2 下翼缘选用（符合钢板规格） 需要，选用b1=A1/t1 =138.85/2.0=69.425（cm），选用b1= 70cm(在 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t1 =2.0cm，b1=30cm。 面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为 B=b1+60=30+601.1=96cm； 上翼缘截面积为 A1=302.0+961.1=165.6cm2弯应力强度验算。主梁跨中截面（图六）的几何特性见表4 。图六 主
17、梁跨中截面（单位：mm）截面形心矩为： y1=Ay/A=59474.1/665.6=89.4cm；截面惯性矩 I=th03/12+Ay2=21803/12+.4=cm4截面模量： 上翼缘顶边 W min=I/y1=/89.4=39422cm4； 下翼缘底边 W min=I/y2=/95.7=36827cm2；弯应力=M max/W min=5154.24100/36827=14.0（kN/cm2）0.916=14.4（kN/cm2）（安全）表4 主 梁 跨 中 截 面 的 几 何 特 性部位面板部分961.1105.60.5558.1-88.9.0上翼缘板302.0602.1126-87.3.
18、4腹板2.018036093.1335163.74928.4下翼缘702.0140184.12577494.7.6合计665.659474.1.4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（图七）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（图八），离开支承端的距离为20010 = 190 cm。（单位：mm ） 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
19、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 性部位面板部分961.1105.60.5558.1-53.6.6上翼缘板302.0602.1126-52腹板2.010821657.112333.631944下翼缘702.0140112.11569458合计521.628211.7.6 截面形心距 y1=28211.7/521.6=54.1cm 截面惯性矩 I0=21083/12+.6=.6cm4截面下半部对中和轴的面积矩S=14058+572.057/2=11369cm3 剪应力： =VmaxS/I0t=1228113
20、69/（.62.0）=6.08KN/cm2=9.5KN/cm2（安全） 3翼缘焊缝。翼缘焊缝厚度（焊脚尺寸）按受力最大的支承端截面计算。最大剪应力1228kN，截面惯性矩=.6 cm4 上翼缘对中和轴的面积矩 S1=105.653.6+6052=8780.2cm3; 下翼缘对中和轴的面积矩 S2=14058=8120cm3S1 需要h f=VS1/1.4I0f=12288780.2/（1.4.611.3）=0.593m 角焊缝最小厚度h f1.5t0.5=1.5200.5=6.7mm 全梁的上、下翼缘焊缝都采用8mm。六、横隔板设计（1）荷载和内力计算。横隔板同时兼作竖直次梁，它主要承受水平次
21、梁、顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替（图一），并且把横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬臂的最大弯矩为 M=3.837.24/223.8/3=179kN.m（2）横隔板截面选择和强度计算。其腹板选用与主梁腹板同高，采用1800mm10mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm 10mm 的扁钢。上翼缘可利用面板宽度按确定，其中b= 2000mm ,按 l0/b=23800/2000=3.8，从 表3查得有效宽度系数2=0.71，则B=0.712000=1420mm，取B=1400mm计算如 图九所示的截面几何特性。图
22、九 横隔板截面截面形心到腹板中心线的距离为e = (140010905-20010905)/ (140010+20010+180010) =319mm截面惯矩为I=1018003/12+1018003193+1020012242+814005862=104mm4截面模量为W min=104/1229=mm3验算弯应力为 =M/W min=179106/=15.2N/mm2 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8mm。七、纵向连接系设计1.荷载和内力计算。纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面刚闸门门叶自重G按附录10中的式计算 =0.0121.01.09.8=
23、176.7（KN）下游纵向连接系承受 0.4G=0.4176.7=70.67（KN）纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如 图10所示，其结点荷载为 70.67/8=8.834（KN）杆件内力计算结果如 图十 所示。图十 纵向连接系计算图（单位：mm）2.斜杆截面计算。斜杆承受做大拉力N =31.57 KN. 同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制应与压杆相同，即 =200 选用单角钢10010, 由表附表6.4查得 截面面积 A=1926mm2回转半径 I =19.6mm 斜杆计算长度 l0=0.9=2.08m 长细比 =l0/iy0=2.08103/19.6=106.
24、1=200 验算拉杆强度 =31.57103/1926=16.39N/mm20.85=133N/mm2 考虑到单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行计算。3.斜杆与结点板的连接计算（略）。八、边梁设计边梁的截面形式采用双腹式（图十一），边梁的截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁端高度相同，腹板厚度与主梁腹板厚度相同，为了便于安装滚轮，两个下翼缘为用宽度为200mm的扁钢做成。图十一 边梁截面边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力值降低15%作为考虑受扭影响的安全储备。Q主梁作用力大小为1228KN 1.荷载和内力计算。在闸门每侧边梁上各设6个滚轮。其布置
25、尺寸见 图十二。最大轴向力为作用在一个边梁上的启吊力，估计为9956kN（详细计算见后面）。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于启吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力N=9956- R1f=9956-1170.00.11=9827.3kN。2.边梁的强度验算。 截面面积 A=55060+220060+2015602=mm2 面积矩 S max=mm3 截面惯性矩 I=51010mm4 截面模量 W=51010/780=mm3 截面边缘最大应力验算max=N/A+M max/W=9827.31000/+818.7/=95.06N/mm20.8=120N/mm2腹板最大应力验算 =V max S max
26、/It w=1169.5100/（5101020）=45.49N/mm20.8=76 N/mm2腹板与下翼缘连接处折算应力验算 max=N/A +（M max/W）（y/y）=82.3+12.8780/840=94.2 N/mm2= V max Si /2It w=1169.51000220060810/（25101020）=11.4N/mm22h=96.2 N/mm20.8=128N/mm2 以上验算均满足强度要求。九、行走支承设计滚轮计算：轮子的主要尺寸是轮径D和轮缘宽度b，这些尺寸是根据轮缘与轨道之间的接触应力的强度条件来确定的，对于圆柱形滚轮与平面轨道的接触情况是线接触，其接触应力可按
27、下式计算，其中第五个滚轮受力最大，其值为1284.9kN，设滚轮轮缘宽度b=120mm，轮径D=500mm max =0.418 =41.18(N/mm2)2.5f=2.5235=587.5(N/mm2) 为了减少滚轮转动时的摩擦阻力，在滚轮的轴孔内还要设滑动轴承，选用钢对10-1铸铁铝磷青铜轴和轴套间压力传递也是接触压力的形式。可按下式验算：cg=取轴的直径d=250mm，轴套的工作长度b1=300mm滑动轴套容许应力=50N/mm2cg = 18.85(N/mm2)=50(N/mm2)轮轴选用45号优质碳素钢，取轮轴直径d=200mm，其工作长度为b=300mm，对其进行弯曲应力和剪应力验
28、算：M max=161.25kN.mW=(N/mm2)=M max/W=77.1(N/mm2) 0.8=116 (N/mm2)V max= 642.45（k N）20.46(N/mm2)0.8=76(N/mm2)轴在轴承板的连接处还应按下式验算轮轴与轴承板之间的紧密接触局部承压应力：轴承板所受的压力 N=642.45（k N）取轴承板叠总厚度 =75mm故=(N/mm2)0.8=128(N/mm2)十、胶木滑块轨道设计（单位：mm）1. 确定轨道底板宽度。轨道钢板宽度按钢板承压强度确定。根据Q235钢的容许承压应力为，则所需的轨道底板宽度为q= =1284.91000/120=10707.5m
29、m B h=N/mm2(取B h=110mm)故轨道地面压应力：=97.34(N/mm2)2. 确定轨道底板厚度。轨道底板厚度按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力为 式中轨道底板的悬臂长度c =40mm，对于Q235钢，查得【】=100 N/mm2 故所需轨道底板厚度为 =68.35mm （取t=70mm）十一、闸门启闭力和吊座计算1. 启门力按式计算：（其中闸门自重G=）计算其中闸门自重 G=176.7kN滑道摩阻力 =2060.7kN止水摩阻力 =因为橡皮止水与钢板间摩擦系数 f=0.65橡皮止水受压宽度取为 b=0.2m每边侧止水受水压长度 H=15m侧止水平均压强 P=71.55kN
30、/mm2故 20.650.21571.55=279.05KN 下吸力底止水橡皮采用I11016型，其规格为宽16mm、长110mm。底止水沿门跨长16.4m。根据SL74-95修订稿：启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20 kN/m2计算，则下吸力为 故闸门启门力为 2.闭门力按式计算=1.2(279.1+2060.7)-0.9176.7=2648.73 显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。为此，我考虑采用一个重量3000的加载梁，在闸门关闭时可以一次对需要关闭的闸门加载下压关闭。3.吊轴和吊耳板验算（如图十四） 1）吊轴。采用Q235钢，查得，采用双吊点，每边启吊力为 =1804.38 k N 吊轴每边剪力 需要吊轴截面积 又 故吊轴直径 (取d=100mm) 2）吊耳板强度验算。按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按式计算，查的Q235钢的，故 因此在边梁腹板上端部分的两侧各焊一块厚度为50mm 的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为 3d=3100=300mm。 吊耳孔壁拉应力按式计算 式中 ，吊耳板半径R=150mm ;轴孔半径r=50mm；又查表2-8得 ，所以孔壁拉应力 故满足要求。