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1、目录一小型潜孔式平面钢闸门1、设计资料及有关规定22、闸门结构的形式及布置23、面板设计34、水平次梁、顶梁和底梁地设计45、主梁设计66、横隔板设计97、纵向连接系108、边梁设计119、行走支承设计1210、 轨道设计1311、止水布置方式1412、埋固构件1413、闸门启闭力1414、闸门的启闭机械16二固定式平面拦污栅1、基本资料192、拦污栅的结构布置193、栅面结构194、梁格设计20第 1页钢结构课程设计一、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）：7.0m4.0m3、上游水位：64m4、下游水位：0m5、闸底高程：0m6、启闭方式：电动固定式启闭机7
2、、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：4.2m闸门的荷载跨度为两止水的间距：7.0m 闸门计算跨度：7+20.22=7.44 m设计水头：64m6442、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=4m,L1.5H。所以闸门采用 2 根主梁。本闸门决定采用实腹式
3、组合梁。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。第 3页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 S7495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
4、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/a3 时，a=1.5,则当 b/a 3 时，a=1.4,则现列表 1 计算如下：表 1区格a(mm)b(mm)b/akpN/mm2kpt(mm)192012301.340.4220.5940.50131.34291012301.350.4240.6040.50631.31391012301.350.4240.6130.51031.56491012301.350.4240.6330.51832.05根据上表计算，选用面板厚度 t=33mm钢结构课程设计2、面板与梁格的连接计算已知面板厚度 t=33mm ,并且近似地取板中最大弯应
5、力部扰曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力 P 为：= =160N/mm2,则面板局max第 8页P = 0.07ts= 0.07 331 6 0= 3 6 9.6 N mm2m a x面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：VS44100 620 33 306T = 85.374 N mm2I2 16170000000面板与主梁连接的焊缝厚度：P 2 + T 2h =/(0.7 s w )ft1682 + 8702=(0.7 115) = 11mm面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度h = 11mmf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
6、，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q = p a+ a上下2梁号梁轴线处水压力强度 Pa + a上下2q = p a+ a上下2（kN/mm ）梁间距（m）2表 2（m）(kN/m)1(顶梁)2（主梁）588598.910.51294598.93（水平次梁）608.611608.64（主梁）618.411618.415（底梁）627.21627.2由列表计算后得Sq = 2747.1kN / m根据上表计算，水平次梁计算荷载取 608.6kN/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支座 B 处的负弯距：M= 0.042ql2
7、= 0.042 608.61.242 = 22.5kN m次中次B608.6kN/m= 0.083ql3 = 0.083 608.61.243 = 77.7kN m2、截面选择sW = M=77.7 106160= 485625mm3考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选32b,由附录查得：A=5510mm2 ；W =509012mm3；I =81442000mm4； b =90mm； d=10mmxx1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 = 90 + 60 33 = 2070mmB= B=b(对跨间正弯距段)1b（对支座负弯距段）2b + b10
8、00+1000按 11 号梁计算，梁间距b =1 2 2 =2=1000mm对于第一跨中正弯距段 ：l =0.8l=0.81240=992(mm)0对于支座负弯距段：l =0.4l0.41240496(mm)0根据 l /b 查表 7-1：0对于 l /b992/10000.992得00.40，1得 B=b400(mm)1对于 l /b496/10000.496得00.16，2得 B=b160(mm)2对第一跨中选用 B400mm,则水平次梁组合截面面积（如图）:A=5510+40033=18710(mm2)组合截面形心到槽钢中心线得距离:400 33176.5e =18710= 124.5m
9、m跨中组合截面的惯性距及截面模量为：I81442000+5510124.52+40033522次中202541177.5(mm4)202541177.5Wmin=284.5= 71146.5mm3对支座段选用 B160mm，则组合截面面:A=5510+160 33=10790(mm2)组合截面形心到槽钢中心线得距离：160 33176.5e = 86.4mm10790支座初组合截面的惯性距及截面模量为：惯性距： I次B= 81442000+ 551086.42 +160 33 90.12 = 165437002.4mm4截面模量：Wmin= 165437002.4246.4= 671416.5
10、mm33. 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:o= M次B次W77.7 106= 115.7N / mm2 160N / mm2 , 671416.5min说明水平次梁选用32b 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 支座处截面的弯距已经求得 M=77.7kN m,则边跨挠度可近似地按下式计算：次 BBw = 5 ql 3 - M 次 ll384EI次16EI次=5 608.6 12403-77.7 106 1240 385 2.
11、06 105 202541177.516 2.06 105 202541177.5 w 1= 2.17 10-4 = 0.004 l 250故水平次梁选用32b 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）L 7.0m ；计算跨度 L7.44m；荷载跨度 L =7m；01（2） 主梁荷载： q = Pn = 1215.2 kNm（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：Mmax= 1215.2 7 ( 7.44 - 7 ) = 8378.8N m224剪力：ql1
12、215.2 7Vmax=1 = 4253.2kN22（2） 需要的截面抵抗距：已知 Q235 钢的容许应力 =160N/mm2，考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力 =0.9160=144N/mm2 ，则需要的截面模量为：MW= max8378.8100= = 58186cm3。s 144 0.1（3） 腹板高度选择：按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为：s Lhmin= 0.96 0.23 Ew l2.06 107 (1 600)= 0.96 0.23 144 100 7.4 100 = 70.3cm经济梁高：hec= 3.1W 25 = 3.1 5818625 = 249.6cm由于
13、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 hec为小，但不小于 h 。现选用腹板厚度 h 240cm 。min0（4）腹板厚度选择t =h /11 =240 /11 = 1.41cm选用 t 4cmww（5）翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为0A = W - twh581864 240=-= 82.4cm2 ,1h624060下翼缘采用t =2cm（符合钢板规格）1需要，选用 b =60cm（在 h/2.5h/5=9648 之间）。1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 t 2cm， b 14cm，11面板兼作主梁上翼缘的有效高度为Bb +60
14、 14+603.3212(cm)1上翼缘截面面积A =142.0+2123.3=727.6(cm2 )1(6)弯应力强度验算截面形心距： Ay1y = A= 151118 = 83.6cm, 1807.6截面惯性距：30I = twh + 4 2403Ay 2 =+ 97455171212= 14353517cm4截面抵抗距：上翼缘顶边WI14353517=171692.8cm3 ,maxy183.6下翼缘底边WI14353517=87681.8cm3 ,miny2163.7弯应力：s =MmaxW8378.8100= 9.56kN / cm2 0.9 16 = 14.4kN / cm2 （安
15、全）87681.8min面板部分2123.3699.61.651154-81.954280411上翼缘142284.3120-79.3159903腹板2404960125.312028841.71981330下翼缘602120246.329556162.73323873合计1807.61511189745517表 3部位截面尺寸截面面积（cmcm）各型心离面板表面距离y（cm）Ay各型心离中和轴距离y=y-y (cm)1Ay2A(cm2)（cm ）3(cm )4（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
16、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hs = 0.6h = 144cm 。梁高开始改变的位置取在邻近支承端的00横向隔板下翼缘的外侧，离开支承端的距离为 12410=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（cmcm）截面面积A(cm )2各型心离面板表面距离y（cm）1表 4各型心离中Ay和轴距离Ay2（cm3）y=y(cm4)-y (cm)面板部分2123.3699.61.651154-43.151302601上翼缘142284.3120-40.54
17、5927腹板144457677.34452532.5608400下翼缘602120150.318036105.51335630合计1423.6638363292558钢结构课程设计 Ay63836第 9页截面形心距： y1= A = 1423.6 = 44.8cm,截面惯性距： I0= 3.3144312+ 3292558 = 4113703.6cm4截面下半部对中和轴的面积距：S = 120 105.5 +104.5 4.0 104.52= 34500.5cm3,剪应力：t = maxVI tS4253.2 34500.5t= 8.91kN / cm2 = 9.5kN / cm2 , 411
18、3703 40 w3、翼缘焊缝翼缘焊缝厚度 h 按受力最大的支承端截面计算。V 4253.2kN。I =4113703.6cm4，fmax0上翼缘对中和轴的面积距：S =699.543.152840.5=31317.4(cm3)1下翼缘对中和轴的面积距：S =120105.512660(cm3)S需要h21=1VS=4253.2 31317.4= 20mmf1.4I t f 1.4 4113703.6 11.30wt角焊缝最小厚度h 1.5f= 1.5= 9.5mm40全梁的上下翼缘焊缝都采用h 21mm 。f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
19、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：9.8 (60 + 61)11M =1.24 = 367.6kN m222、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 2400mm20mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm10mm 的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式Bb 确定其中b=1240mm,2按 l /b=21/1.24=1.61,查表得 020.46 ，则 B=0.461240=570mm，取 B570mm 。计算如图所示截面几何特性。截面型心到腹板中心线距离570 331221.5 - 200 10 1221.5e =570 33 + 2
20、400 20 + 200 10= 298mm钢结构课程设计截面惯性距：20 24003I =+ 20 2400 2982 + 200 10 15032 + 33 570 918.52 = 4.77 1010 mm4 012第 16页截面模量：Wmin4.77 1010= 31631299.7mm31508M367.6 106验算应力：s = = = 11.6N / mm2 sWmin31631299.7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 8mm。f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G = 0.
21、073K K K1 2 3A0.93 H 0.79 9.8 = 0.073 11.11.23 280.93 640.79 9.8 = 573.5kNS则下游纵向连接系承受 0.4G=229.4KN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229.4 = 38.2kN6斜杆承受的最大的拉力为 N =2 (114.7 -19.1)= 135.2kN ，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l l = 150 。选用单角钢 L1008，由附录三表 2 查得：截面面积 A = 15.6cm2 = 1560mm 2回转半径i12 +1.242 + 0.42y
22、0= 1.98cm = 19.8mm斜杆计算长度l0= 0.9 = 1.48m长细比l =l= 1.48103 = 74.7 l = 1500i19.8y 0osN mmN mm135.2 103验算拉杆强度= = 86.7/2 0.85 = 133/21560考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。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，边梁的截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁端部高度相同，腹板厚度与主梁腹板厚度相同，为了便于腹板的焊接两腹板间距为 300400mm，闸门每侧边梁上各设两个滚轮。边梁是闸门重要受力构件，由于受力情况复杂
23、，故在设计时可容许应力值降低 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 2 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 2126.6kN。具体计算根据结构力学求解器。最大弯矩 M =2126.6kN/mmax最大剪力 V =4253.2kNmax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=2300-4253.20.1=1874.68kN2、边梁强度验算截面面积A=49035+150202+4014602=140020(mm2)y =700mm1上半部分对中和轴的面积矩S1=35490(
24、70017.5)+40(70035)2=29393875 mm3下半部分对中和轴的面积矩S =215020 1490700+10 +2(1490700)24022=30111000 mm3截面惯性距：I=3.311761010mm4截面模量：I3.31176 1010W = = = 76661049mm3y432截面边缘最大应力验算：o= N + M1874.681032126.6 106max =+maxAW14002076661049= 13.4 + 27.7 = 41.1N / mm 2 0.8t = 0.8 160 = 128 N / mm 2腹板最大剪应力验算：Vt = maxSma
25、z4253.2102 30111000t= 9.7N / mm2 0.8 = 0.8 95 = 76N / mm2It3.311761010 40w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 b =250mm，；轮子材料用 ZG35GrlMo.1滚轮验算圆柱形滚轮与平面轨道接触应力：smax= 0.418= 0.418= 1064.9N / mm2 3 fPEtbR2126.6 103 2.06105150 450y= 3 390 = 1170N / mm2P ：一个轮子的计算压力，N
26、；b、R：轮缘宽度和轮半径，mm；lE：材料的弹性模量，N/mm2；f ：屈服强度，N/mm2。y轴和轴套间接触应力：d：轴的直径，mm；b ：轴套的工作长度，mm；1：滑动轴套的容许应力，N/mm2。cg轮轴与轴承板间局部承压应力N：轴承板所受的压力（N=P /2），N；t：轴承l板叠总厚度，mm；：容许应力，N/mm2。cj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 h=9N/mm 2 。轨道材料为 35Mn2,轨道选 I56c,由附录三表 4 查得： W =2551100mm3；I =714300000mm4； b=170mm； t =16
27、.5mm；h=560mmxxwEI3E bhX1、轨道底板混凝土承压应力：a = 3.3= 3.3 206000 714300000 = 10121.4mm330000170sP2126600= 1.2N / mm2 hab10121.4 170= 9N / mm2sh2、轨道局部承压应力：I3 t Xfb714300000a = 3.3s1= 3.3316.5= 1158.7mmsP2126600= 111.2N / mm2 = 150N / mm2cd故满足要求。a t1 fb1158.7 16.5cd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，
28、 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、闸门启闭力和吊座计算1、启门力、闭门力计算闸门自重 G=573.5kN滚动摩擦阻力:T= W ( fzdRr + f1）= 491 .4 kNk止水摩阻力tT = 2 fbHp = 2 0.6 0.06 4 672.2 = 193.6kN上托力 P =0KNzs闭门力T闭= 1.2(Tzd+ T ) - 0.9G = 1.2 (491.4 +193.6)- 0.9 573.5 = 305.9kNzs下吸力Px= 20 7 0.
29、016 = 2.3kN则启门力为：T = 1.1G +1.2(Tr=80R=190305030启zd+ T ) + Pzsx= 1.1 573.5 +1.2 (491.4 +193.6)+ 2.3 = 1455.2kN160吊吊 耳板VVP2、吊轴和吊耳板验算（1） 吊轴采用 Q235 钢，查得t = 65kN / mm 2 ，采用双吊点，每边起吊力为T1455.2P = 1.2 P873.1启= 1.2 = 873.1kN 22吊轴每边剪力V = = = 436.5kN22V436.5103p d 2需要吊轴截面积A = 6715.4mm2又 A = 0.785d 2t 654A0.7856
30、715.40.785故吊轴直径d = 87mm（取d=160mm）（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，查得Q235 钢的s = 80N / mm2 ，故cjP873 .1103t = 68.2mm ，取 t=50mmd s160 80cj轴承采用正方形，其边长取为b = (1.4 2.5)d = 224 400mm ，取 b=380mmP873.1103() 吊耳孔壁强度验算：scj= 70 N / mm2 std68.2 160cj= 80N / mm2吊耳孔壁拉应力按式sk= sR 2 + r 2 0.8s cj R 2 - r 2k其中，吊耳板半径R = b
31、 = 190mm ，轴孔半径r = d = 80mm ，所以孔壁拉应力：221902 + 702o= 70 = 91N / mm2 0.8120 = 96N / mm2k1902 - 702故满足要求。十四、闸门的启闭机械由于启门力为 1455.2kN，选用江苏龙城宏力液压设备有限公司生产Q的PKY-3200/1600-12 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
32、计。型号表示方法QPKY/液压缸支承型式或 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表QPKY 系列快速闸门液压启闭机基本参数序数号型号持住启门最大行参力力程FFL（KN）（KN）（m）(mm）1QPKY-60/60-8*60608.0100502QPKY-80/80-8*80808.0110603QPKY-100/100-8*1001008.012563gqman缸内径活塞杆直径缸内计算压力速度Vg/VqdF / F（m/minD（mm）gq（MPa）9.99/9.Vg=993.010.39/108.5.39 10.7/10.7Vq=钢结构课程设计4QPKY-
33、125/125-8*5QPKY-160/160-8*6QPKY-200/200-8*7QPKY-250/250-8*10.6/10.6 9.7/9.710.29/10.29 10.4/10.40.251.0第 17页1251258.0140701601608.0160702002008.0180902502508.020010032032011.522010040040011.525011050025011.530012063032011.530012080040011.5320140100050011.5320140125063011.5340150160080011.53601502000
34、10011.54001502500125011.5*450*1803200160012.04502204000200014.55002504500250015.05602805000250016.06003006300315016.06303008000400017.07103508QPKY-320/320-11.5*9QPKY-400/400-11.5*10QPKY-500/250-11.5*11QPKY-630/320-11.5*12QPKY-800/400-11.5*13QPKY-1000/500-11.5*14QPKY-1250/630-11.5*15QPKY-1600/800-11.
35、5*QPKY-2000/1000-11 16.5*17QPKY-2500/1250-11.5*QPKY-3200/1600- 181219QPKY-4000/2000-14.520QPKY-4500/2500-15.021QPKY-5000/2500-16.0QPKY-6300/3150-16 22.023QPKY-8000/4000-17.024QPKY-10000/5000-1 100007.0注：*为修改后的数据500017.080035010.33/10.33 10.0/10.0 10.39/5.28 10.39/5.2812.1/6.0515.09/7.5516.76/8.4 18.
36、65/9.3318.16/9.118.4/9.2* 26.5/13.25 27.1/13.6 24.4/13.5 23.6/11.8 26.2/13.126.7/13.35 24.6/12.3钢结构课程设计QPKY 系列快速闸门液压启闭机机座液压缸结构图第 20页固定式平面拦污栅一、基本资料拦污栅型式：固定式平面拦污栅尺寸（宽X 高）： 7m 4m水头：2m二、拦污栅的结构布置拦污栅结构布置如图：三、栅面结构栅面和栅条连接方式选用焊接固定，以开有槽口的肋片与栅条相焊接。1、强度计算，确定栅条的截面宽度b 和高度h。栅条单位长度上的荷载： q = r gh = 9.8 2 = 19.6kN / m栅条简支长度（横梁间距）：l = 1msql 219.6 12M= s = = 2.45kN m栅条截面上的弯矩：max88栅条上实际的荷载： P = ql = 19.6 1 = 19.6kNs应力容许值： s = 160 N / mm2 MW =max则s2.45 106=160= 15312.5mm3取栅条截面高度h