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1、水工平面钢闸门结构计算书一、设计资料工程名称：马尾区白眉供水工程输水道进口闸门闸门用途：该闸门设于输水道，作为输水道进口的工作事故闸门，当压力钢管发生事故时，应将闸门迅速下降，关闭进水口，另外定期检修输水道时，同样关闭此门。闸门型式：焊接平面钢闸门，其面板在上游，顶、侧止水亦在上游，另设加重块，满足起闭力。孔口数量：3 孔。r孔口尺寸：宽高=8.006.00m2。设计水头 H ：5.40m。吊点中心距：4.0m。门叶结构：焊接钢结构。结构材料：Q235。焊条：E43。止水橡皮：侧止水用 P45-A 型，底止水用110-16 型。行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为 MCS-2。起闭机型式：双吊点
2、卷扬式。起闭机容量：225 吨。混凝土强度等级：C20。规范：水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95。二、闸门结构的形式及布置2.1 闸门尺寸的确定（图 1）闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为 0.3m，故闸门高度 H=5.4+0.3=5.7m。闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=8.0m。闸门的计算跨度：L = L0 + 2d = 8.0 + 2 0.2 = 8.4m式中L0闸门孔口的净宽，m；d行走支承中心线到闸墩侧壁的距离，取 0.2m。2闸门的总水压力：11P =g H 2 L = 9.81 5.42 8 = 1144.24kN2r 122.2 主梁的形式图1 闸门主要尺寸图(单
3、位：mm )主梁的形式应根据水头和跨度大小而定，本闸门属中等跨度，为了方便制造与维护， 决定采用实腹式组合梁。2.3 主梁的布置H5.7根据闸门的高跨比= 0.68 ，决定采用双主梁。为使两个主梁在设计水位时所L8.4受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力P 的作用线 y =H5.4=r1.800m ，33且两主梁间的距离 b 值要尽量大些，并要求上主梁到闸门顶缘的距离c 0.45H ，并不大于3.6m。另，底主梁到底止水的距离应符合底缘布置的要求。对于工作闸门和事故闸门下游倾角应不小于 30，当不能满足 30的要求时应采取适当补气措施。0.45H = 0.455.7 = 2.565
4、m ，考虑到若 c 太小，则不能满足 30的要求。取 c=2.565m，那么两主梁的间距b = 2(H - y - c)= 2 (5.7 -1.8 - 2.565)= 2.67m 。2.4 梁格的布置形式梁格采用复式和等高连接，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，其间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置的具体尺寸详见图 2。水工平面钢闸门结构计算书2.5 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 3 道横隔板，其间距为 2.1m， 横隔板兼作竖直次梁。2 纵向连接系，设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。2.6 边梁与行走
5、支承边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。三、面板设计根据 SL74-95水利水电工程钢闸门设计规范，关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁截面选择之后再验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。3.1 估算面板厚度27假定梁格布置如图 2 所示，面板估算厚度按式(3-1)计算：k qy0.9a s d = a(3-1)式中ky弹塑性薄板支承长边中点弯应力系数；弹塑性调整系数， b / a 3 时，a = 1.4 ； b / a 3 时，a = 1.5 ；q面板计算区格中心的水压力强度， q = g h ， N / mm 2；gh a、b水的容重，9.81kN/m3；水头，m；面板计算区格的
6、短边和长边长度，mm，从面板与主梁(次)梁的连接焊缝算起；s 钢材的抗弯容许应力，假设面板厚度小于 16mm，取 160N/mm2。现列表 1 计算如下：表1面板厚度的估算143520901.460.550.6180.00611.55.6389020902.350.4991.75000.01721.55.6075020902.790.52.7100.02661.55.8863020903.320.53.47000.03401.45.7558020903.600.54.14500.04071.45.7936020905.810.54.68500.04601.43.8229520907.080.7
7、45.15300.05061.43.99区格a(mm)b(mm)b/akyh(m)q(N/mm2)ad(mm)注1.面板边长a、b 都从面板与梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽度为 140mm、次梁上翼缘宽度为 70mm、顶梁和底梁上翼缘宽度为 70mm(详见于后)；2.区格、中系数 ky 由三边固定一边简支板查得。根据上表计算，选用面板厚度d=6mm，满足面板厚度小于 16mm 的假定。3.2 面板与梁格的连接计算面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力 P 按下式计算，已知面板厚度d=6mm，并且近似地取板中最大弯应力smax= s = 160 N / mm 2 ，则P = 0.07d
8、s= 0.07 6 160 = 67.2N / mmmax面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：T = VS2I0= 365103 550 7 260.6 = 197N / mm2 92920104式中V主梁的最大剪力，286.06kN；S主梁端部截面面板部分对组合截面的面积矩，参照表 4 计算，cm3；I0主梁端部截面的惯性矩 cm4按下式计算面板与主梁连接的焊缝厚度：P 2 + T 2( )h =/ 0.7 t w89.62 + 1972f(t)=/ 0.7 113 = 2.8mm面板与梁格连接焊缝取其最小厚度 hf=6mm。四、水平次梁、顶梁和底梁的设计4.1 荷载与内力计算水平次梁和
9、顶梁、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式(3-2)计算，即q = p a上 + a下2(3-2)式中pa 、 a上下次梁轴线处的水压强，kN/m2；水平次梁轴线到上、下相邻梁间的距离，见图 2。列表 2 计算后得 q = 128.62kN / m根据表 2 计算结果，水平次梁计算荷载取 q=22.62kN/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度为 2.1m(见图 3)。图2 水平次梁计算简图和弯矩图(单位：mm )水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为M= 0.077ql2 = 0.077 22.62 2.12 = 7.68kN m次中支座 B 处的负弯矩为：M= 0.107ql2 =
10、 0.107 22.62 2.12 = 10.67kN m次B所以，次梁的设计弯矩M = MaxM次中M= Max7.6810.67= 10.67kN m次B4.2 截面选择水工钢闸门的水平次梁一般采用 Q235 热轧普通槽钢，假定所用槽钢属于第一组钢材，其强度设计值s = 160N / mm2 ，所以次梁所需的截面模量 W = M =s10.67 106160= 66711mm3考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选 12.6，查型钢表得：A=1569mm2；Wx=62137mm3；Ix=3914660mm4；b=53mm；t=5.5mm。面板参加次梁工作的有效宽度分别按式(3-3)及式(3
11、-4)计算，然后取其中较小值。B = x 1b 或 B = x 2 b(3-3)00B 60d + b(3-4)式中b0主、次梁的间距， b0+ bb= 122，mm；b1、b2 次梁与两侧相邻梁的间距；1212x 、x有效宽度系数，查表， x 用于正弯矩、x 用于负弯矩；d面板厚度，6mm；b梁胁宽度，即次梁上翼缘宽度，53mm。上下表2水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算梁号h(m)梁轴线处水压强度p(kN/m2)梁间距(m)(a +a )/2(m)q(kN/m)1(顶梁)3.071.43521.26512.41.162514.410.893(上主梁)2.26522.20.82018.200
12、.7543.11530.50.6921.060.6353.81537.40.60522.620.5864.46543.80.4720.570.367(下主梁)4.93548.40.327515.840.2958(底梁)5.351.90.20.247512.86选取荷载最大的5 号梁进行计算，从表2 可知b0=0.605m=605mm。确定式(3-3)中面板的有效宽度系数x时，需要知道梁弯矩零点之间的距离 l0 与梁间距 b0 之比值。对于第一跨中正弯矩段取l = 0.8l = 0.8 2100 = 1680mm0对于支座负弯矩段取l = 0.4l = 0.4 2100 = 840mm0当l /
13、 b = 1680 / 605 = 2.78 ，得x = 0.814 ，则001B = x b1 0= 0.814 605 = 493mm当l / b = 840 / 605 = 1.388 ，得x = 0.393 ，则002B = x b1 0= 0.393 605 = 238mm另外， B 60d + b = 60 6 + 53 = 413mm。图3 面板参加水平次梁工作后的组合截面(单位：mm)对于第一跨中选用 B=413mm，则水平次梁组合截面面积(见图 4)为A = 1569 + 413 6 = 4047mm2组合截面形心到槽钢中心的距离为e = 413 7 66 = 47mm 40
14、47跨中组合截面的惯性矩及截面模量为I= 3914660 + 1569 472 + 413 6 (66 - 47 )= 7427663 mm 4次中Wmin7427663=110= 67524mm3对于支座选用 B=238mm，则水平次梁组合截面面积为A = 1569 + 238 6 = 2997mm 2组合截面形心到槽钢中心的距离为e = 238 6 66 = 31mm 2997跨中组合截面的惯性矩及截面模量为I= 3914660 + 1569 312 + 238 6 (66 - 31)= 5472449 mm 4次中5472449Wmin= 62 + 31= 58844mm34.3 水平次
15、梁的强度验算由于支座 B(图 3)处弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座 B 处的截面的抗弯强度，即M10.67 106 o=次B次W= 181.32N / mm2 1.05 s58844= 1.05160 = 168N / mm2min由上可知，水平次梁选用14b 不能满足要求。因此，改用 14a。查型钢表得：A=1851mm2；Wx=80500mm3；Ix=5637000mm4；b=58mm；t=6mm。因为次梁所需的截面模量为W = 66711mm3 ，选择14a 足以抵抗而不必考虑利用面板强度。另外，轧成梁的剪应力一般很小，可必验算。4.4 水平次梁的挠度计算受均布荷载的等跨连续梁
16、，最大挠度发生在边跨，根据规范要求，次梁的最大挠度与计算跨度之比不应超过 l/250。水平次梁在 B 支座处截面的弯矩M= 10.67kN m 。边跨挠度可近似按下式计算：次Bw5ql3Ml=-次Bl384 EI次16EI次=5 22.62 21003-10.67 106 2100384 2.06 105 563700016 2.06 105 5637000= 0.00114 w = 1 l 250故水平次梁选用14a 满足强度和刚度要求。4.5 顶梁和底梁顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度， 所以也采用14a。底梁也采用14a。五、主梁设计5.1 设计资料111
17、主梁跨度：净跨(孔口宽度)L0=8m，计算跨度 L=8.4m，荷载跨度 L1=8m。主梁荷载：根据等荷载原则，每根主梁：0-q =P =g H 2 = 9.81 5.42 = 71.51kN / m 。24r4横隔板间距：2.1m。主梁容许挠度： w = l 16005.2 截面选择1) 弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下：M= 71.51 8 8.4 - 8 = 629.29kN mmax2 24 qL71.51 8Vmax=1 = 286.06kN222) 需要的截面模量。假设组合梁的翼缘、腹板厚度均小于 16mm。那么 Q235钢的容许应力s = 160N / mm2 ，考虑钢闸门自重引起的
18、附加应力作用，取容许应力为s = 0.9 160 = 144N / mm 2则需要的截面模量为 W = M =s629.29 106 144= 4370069mm3 = 4370.07cm33) 腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高(变截面梁)为h= 0.96 0.23s L= 0.96 0.23 144 8400= 778mm = 77.8cmminE w l 206000 1600经济梁高hec= 3.1W 2 / 5 = 3.1 4370.072 / 5 = 88.6cm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h0min0hec 小，但不小于 h。现选用腹板高度 h
19、 =85cm。4) 腹板厚度选择。按经验公式计算： t=w用t= 0.9cm 。w/ 11 =85 / 11 = 0.84cm ，选5) 翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为A = W - th4370.070.9 85w 0 =-= 39cm21h68560hh8585一般，翼缘宽度： b = 34 17cm ，选用b= 30cm12.552.551A39b30下翼缘厚度需要t =11 = 1.29cm ，选用tb301= 1.3cm 1 = 1cm ，满30301足翼缘的局部稳定要求。上翼缘的部分截面面积可利用面板，故只需设置较小的翼缘板同面板相连，选用t1= 1.3cm ， b1= 13cm
20、 。面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为上翼缘截面积B = 60d + b1= 60 0.6 +13 = 49cmA = 131.3 + 49 0.6 = 46.3cm21弯应力强度验算。主梁跨中截面(图 5)的几何特性见表 3。图4 主梁跨中截面(单位：mm )表3主梁跨中截面的几何特性各形心离面板表面距截面尺寸截面面积 AAy各形心离中和轴距Ay2部位y(cm)y=y1-y2(cm)面板部分490.629.40.38.82-42.051813.6上翼缘板131.316.91.2521.125-41.028451.3腹板850.976.544.43396.62.1343.6(cmcm)(cm2)
21、离离(cm3）(cm4)下翼缘板合计301.339161.8 Ay684187.553414.456840.99545.379923.6160532.1截面形心矩： y =1= 42.3cmA161.8t h30.9 85324截面惯性矩： I =w 0 +Ay =+160532.1 = 206591.4cm1212截面模量：上翼缘顶边WI206591=4886cm3maxy142.3上翼缘顶边WI206591=4499cm3miny45.92弯应力：M629.29 100 o =maxW= 13.99kN / cm2 = 140N / mm2 s4499= 144N / mm2min由此可见
22、，主梁强度满足要求。6) 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，故梁的挠度也不必验算。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，故梁的挠度也不必验算。5.3 截面改变因主梁跨度较大，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hs = 0.6h00= 0.6 85 = 51cm (图 6)。图5 主梁支承端截面(单位：mm)梁高开始改变的位置取在邻边近支承端的横向隔析下翼缘的外侧(图 7)，离开支承端的距
23、离为 210-7.5=202.5cm 。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强度。主梁支承端截面的几何特性见表 4。图6 主梁变截面图表4主梁端部截面的几何特性各形心离面板表面距截面尺寸截面面积 AAy各形心离中和轴距离Ay2部位(cmcm)(cm2)离y(cm)(cm3）y=y1-y2(cm)(cm4)面板部分上翼缘板腹 板 下翼缘板合计490.7131.3510.9301.329.416.945.939131.2 Ay42740.31.2527.453.558.8221.1251257.662088.453376.055-
24、25.4-24.51.727.819015.710129.4127.730179.559452.4截面形心矩： y =1= 25.7cmA131.2t h30.9 51324截面惯性矩： I = w 0 +Ay =+ 59452 = 69401cm01212截面下半部对中和轴的面积矩： S = 39 27.8 + 26.9 0.9 26.9 = 1411cm32腹板厚度小于 16mm，对于 Q235 属于第一组钢材，抗剪容许应力t = 95N / mm 2 。剪应力：tVS= max= 286 1411 = 6.46kN / cm2 = 64.6N / mm2 t = 95N / mm2I t
25、69401 0.90 w可见主梁剪应力满足要求。5.4 翼缘焊缝翼缘焊缝采用角焊缝，对于第一组钢材的焊缝抗拉、抗压和抗剪强度t h = 113N / mm 2 = 11.3kN / cm21f翼缘焊缝厚度 h 按受力最大的支承端截面计算。最大剪力V= 286.06kN ，max截面惯性矩 I = 69401cm4 。0上翼缘对中和轴的面积矩： S = 29.4 25.4 +16.9 24.5 = 1161.5cm31下翼缘对中和轴的面积矩： S = 39 27.8 = 1084.9cm3 80 ，且不大于 170，为保证腹板的局部稳定性，须设置横向加劲而不必设置纵向加劲肋。因闸门上已布置横向隔
26、板可兼作加劲肋，其间距 a=210cm。腹板区格划分见图 7。梁高与弯矩都较大的区格可按式(3-5)验算： s 2 s t 2+ t+ s c 1s(3-5)crcrc。cr区格左边及右边截面的剪力分别为V= 286 - 71.51 (4 - 2.1)= 150.19kN ；V左右= 0kN区格截面的平均剪应力为(V+ V)/ 2(150.19 + 0)/ 2t =左右h t0 w=85 0.9= 0.981kN / cm2 = 9.81N / mm2区格左边及右边截面的弯矩分别为M= 286.06 2.1 - 71.51左(4 - 2.1)22= 471.65kN mM= M右max= 62
27、9.29kN m区格截面的平均弯矩为MM=左+ M471.65 + 629.29右 = 550.47kN m22区格截面最大弯应力点y0=y2-t1=459-13=446mm。M yo=550.47 106 4460 = 119N / mm 2I206591104计算通用高厚比(受压翼缘扭转受到约束)：h / tl =0w= 94 = 0.53 0.85b177177所以，s= s = 160 N / mm 2 。crs由于区格长短边之比为 2.1/0.85=2.51.0，按下式计算l ：h / t940w41 5.34 + 4 h / a 20()41 5.34 + 4 (0.85 / 2.
28、1)2l =s= 0.94因为0.8 l = 0.94 1.2 ，所以st= 1 - 0.59(l - 0.8)t= 1 - 0.59 (0.94 - 0.8) 95 = 87.2N / mm 2crs无局部应力，所以将以上数据代入式(3-5)有 119 2 + 9.81 2 = 0.56 1 160 87.2 满足局部稳定要求。故在横隔板之间不必增设横加劲肋。再从剪力最大的区格来考虑：该区格的腹板平均高度h = 1 (850 + 510)= 680mm 。2因h/tw = 680 / 9 = 76 80 ，可不必验算。故在梁高减小的区格内也不必另设横向加劲肋。5.6 面板局部弯曲与主梁整体弯
29、曲的折算应力的验算从上述的面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格所需要的板厚厚度较大，所以选取区格(图 2)按下式验算其长边中点的折算应力。面板区格在长边中点的局部弯曲应力：o= kqa 2y0.5 0.0407 5802= 190.16N / mm2myd 2o= ms62= 0.3190.16 = 57N / mm2mxmy对应于面板区格在长边中点的主梁弯矩(图 5)和弯应力：71.51 2.752M = 71.51 4 2.95 -= 573.42kN m 2M573.42 106o= 117N / mm 2 0xW4886 103面板区格的长边中点的折算应力2o= s 2 +
30、 (s+s) -s(s+s)zhmy( mx0x)my (mx0x )= 1902 + 57 -117 2 -190 57 -117= 226kN / mm2 1.1as = 1.11.4 160 = 246N / mm2上式中s、smy和smx0x的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。故面板板厚选用 6mm，满足强度要求。考虑工作环境防腐条件等因素增加1-2mm 腐蚀裕度，取面板厚度为 8mm。六、横隔板设计6.1 荷载和内力计算图7 横隔板截面横隔板同时兼作竖直次梁，它主要承受水平次梁、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 1)
31、，并且把横隔板作为支承在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为M = 9.81 2.5652 2.1 2.565 = 57.94kN m 236.2 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 8508mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用 2008mm 的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度按 B = xb 确定，其中2 0lb = 2100mm ，按 00b0= 2 2565 = 2.44 ，查表得有效宽度系数x21002= 0.572 ，则B = 0.572 2100 = 1201mm ，取 B=1200mm。列表 5 计算如图 9 所示的截面几何特性：表5横隔板截面的几何特
32、性部位截面尺寸截面面积各形心离面板表面距Ay各形心离中和轴距Ay2(cmcm)A离(cm3）离(cm4)54237.016030.454296.2124563.5(cm2)y(cm)y=y1-y2(cm)面板部分1200.6720.321.6-27.4腹板850.86843.12930.815.4下翼缘板200.81686137658.3合计156 Ay43284328.4截面形心矩： y =1t A =h31562= 27.7cm0.8 8534截面惯性矩： I =w 0 +Ay =+124564 = 165505cm1212截面模量：WI165505=2821.73cm3miny258.7
33、弯应力：s = M max = 57.94106 = 20.53N / mm2 s = 144N / mm2Wmin2822103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h = 6mm 。f七、纵向连接系设计7.1 荷载和内力纵向连接系承受闸门自重。当5m H = 6.1m 8m ，露顶式平面钢闸门门叶自重 G 按式(3-6)计算：G = K K KzcgH 1.43 B0.88 9.81kN(3-6)式中H、B孔口高度及宽度，分别取 6m、8m；Kz 闸门行走支承系数，滑动式支承取 0.81；Kc 材料系数，闸门用普通碳素钢时取 1.0；Kg 孔口高度系数，
34、当5m H = 6m 8m 时，取 0.13。计算得钢闸门门叶自重 G=83.48kN。下游纵向连接系承受0.4G=0.483.48=33.39kN纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹杆布置如图 10 所示：图8 纵向连接系计算简图(尺寸单位：mm，荷载内力：kN)其结点荷载为33.39 = 8.35kN4利用结构力学求解器得杆件内力计算结果如表 6 所示。表6各杆件内力计算结果表单元码123456789轴力(kN)0.09.19.10.0-17.1-9.1-12.1-12.1-9.1单元码1011121314151617轴力(kN)-17.1-12.8-8.6-12.815.75.25.2
35、15.77.2 斜杆截面计算斜杆承受最大压力 N=-17.1kN，对于联系构件，其容许长细比为l =200。拟选用单角钢 L1008，查表可得：截面面积A=15.6cm2=1560mm2弱轴回转半径iy0=1.98cm=19.8mm端部主梁变截面处的斜杆长度最大，属于斜平面，一般取其计算长度l = 0.9l ，l 为杆件的实际几何长度。那么21002 + 29742 + (850 - 510)20l = 0.9l = 0.9 0= 3291mm长细比l = l0i= 3291 = 166 19.8l= 200y0考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低 15%进行验算拉杆强度：N17.1103 o = 11.0N/mm 2 0.85 sA1560八、边梁设计= 0.85 160 = 133N / mm2边梁的截面形式采用单腹式(图 10)，边梁截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁端部高度(510mm)相同，腹板厚度与主梁腹板厚度(9mm)相同，为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不小于 300mm。图9 边梁截面(单位：mm )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 20%作为考虑受扭影响的安全储备