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1、6 金属结构设计6.3 金属结构设计计算6.3.1 设计资料（1） 闸门型式：露顶式平面钢闸门（2） 孔口尺寸（宽高）：6m3m（3） 设计水头:3.16m（4） 结构材料：Q235 钢（5） 焊条：E43（6） 止水橡皮：侧止水型号采用 P45-A，底止水型号采用 I110-16（7） 行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为 MCS-2（8） 混凝土强度等级：C25（9） 规范：利水电工程钢闸门设计规范（SL74-95）6.3.2 闸门结构的形式及布置6.3.2.1 闸门尺寸的确定1. 闸门高度:考虑风浪产生的水位超高，将闸门的高度确定为 3m。2. 闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L0=6.0
2、m3.闸门计算跨度：L=L0+2d=6.0+20.15=6.3m6.3.2.2 静水总压力闸门在关闭位置的静水总压力如图 6.1 所示，其计算公式为：P = r gh22= 9.8 32 = 44.1kN / m 2图 6.1 闸门静水总压力计算简图P6.3.2.3 主梁的形式主梁的形式应根据水头的大小和跨度大小而定，本设计中主梁采用实腹式组合梁。6.3.2.4 主梁的布置根据主梁的高跨比，决定采用双主梁。两根主梁应布置在静水压力合力线上下等距离的位置上，并要求两主梁的距离值要尽量大些，且上主梁到闸门顶缘的距离 c 小于 0.45H，且不宜大于 3.6m，底主梁到底止水的距离应符合底缘布置的要
3、求。故主梁的布置如图 6.2 所示图 6.2 主梁及梁格布置图 6.3.2.5 梁格的布置和形式梁格采用复式布置并等高连接，并使用实腹式竖向隔板兼作竖直次梁，使水平次梁穿过隔板上的预留孔而成为连续梁，其间距上疏下密，面板各区格需要的厚度大致相等，具体布置尺寸如图 6.2 所示。6.3.3 面板设计根据利水电工程钢闸门设计规范（SL74-95），关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁截面选择之后再计算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。初选面板厚度。面板厚度计算公式为：k qa ys d =a当 b/a3 时，=1.4；当 b/a3 时，=1.5。列表进行计算，见表 6.1：表 6.1 面板
4、厚度计算表区格a（mm）b（mm）b/akq（N/mm 2） y(mm)65021003.2310.7500.00322.1365021003.2310.5000.00963.0146621004.5060.5000.01502.7046621004.5060.5000.02003.1146621004.5060.5000.02423.4230021007.0000.7500.02792.90由上表的计算结果，再加上 2mm 的腐蚀余度，选用面板厚度为 6mm。6.3.4 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、底梁都是支承在隔板上的连续梁，作用其上的水平压力可按下式计算
5、：a +apq 上下2列表计算，具体计算过程见表 6.2：表 6.2 水平梁水平压力计算表经计算，水平次梁计算荷载取 10.3kN/m，水平次梁为三跨连续梁，跨度为2.1m。计算简图如图 6.3 所示：图 6.3 水平次梁计算简图q=10.3kN/mABCD故水平次梁弯曲时跨中弯矩为：M = 0.08ql 2 = 0.0810.3 2.12 = 3.63kN m1支座 B 处的弯矩为：M = 0.1ql 2 = 0.110.3 2.12 = 4.54kN mB（2） 截面选择 W = M =s4.54106160= 28375mm3考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选14a,查表得： A=1
6、851mm2；Wx=80500mm3；Ix=5640000mm4；b=58mm；d=6mm。面板参加次梁工作的有效宽度：B = 60d + bl= 60 6 + 58 = 418mmB = x b （正弯矩段）1B = x b （负弯矩段）2按 4 号梁进行计算，梁间距为 b=470mm，对于连续梁的正弯矩段1l = 0.8l = 0.8 2100 = 1680mm ， l / b = 1680 / 470 = 3.57 ，查表得 =0.87，故00B = x b =409mm。1对于其负弯矩段l0 = 0.4l = 0.4 2100 = 840mm ，l0 / b = 840 / 470 =
7、 1.79 ，查表得 2=0.64，故 B = x2b =301mm。面板参加水平次梁工作后的组合截面如图 6.4 所示：图 6.4 组合截面图对于第一跨中，选用 B=409mm，则水平次梁的组合截面积为A=1851+4096=4305mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离为：e = 409 6 73 = 42mm 4305跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：I = 5640000 +1851 422 + 409 6 312 = 11263458mm4111263458Wmin=112= 100567mm3对支座段选用 B=301mm，则组合截面面积为：A=1851+3016=3657mm2组合截
8、面形心到槽钢中心线的距离为：e = 301 6 73 = 36mm 3657支座组合截面的惯性矩及截面模量为：I = 5640000 +1851 362 + 301 6 372 = 10511310mm4110511310Wmin=106= 99163mm3（3） 水平次梁的强度验算由于支座 B 处弯矩最大，且截面模量最小，故只需验算支座 B 处截面的抗弯强度，即 sBM=BWmin= 4.54106 =45.78N/mm2s =160N/mm2 99163故水平次梁选用14a 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，
9、由于水平次梁在 B 支座处截面的弯矩已经求得，则边跨挠度可近似地计算为：f = 0.677ql4= 0.67710.3 2.13 109= 0.0003 f = 0.004l100EI l100 2.06105 105113101故水平次梁选用14a 满足强度和刚度要求。（5） 顶梁和底梁 l 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，故采用16a。底梁采用14a。6.3.5 主梁设计（1） 设计资料主梁荷载：q=P/2=22.05kN/m主梁跨度：计算跨度 L=6.3m ，荷载跨度 Lq=6m。隔板间距：2.1m主梁允许挠度：f=1/600（2） 内力计算主梁计算
10、简图如图 6.5 所示：图 6.5 主梁计算简图q=22.05kN/mq LLL22.05 66.36M=q (- q ) = (- ) = 109.15kN mmax224224qV= qL = 22.05 6 = 66.15kNmax22（3） 需要的截面模量 =M已知 Q235 钢的允许应力=160N/mm2，考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取允许应力为=0.9160=144N/mm2，则需要的截面模量为：W =maxs109.151000144= 758cm3考 虑 利 用 面 板 作 为 主 梁 截 面 的 一 部 分 ， 初 选 I40a， 查 表 得 : A=86.1cm2；W
11、x=1090cm3；Ix=21700cm4；b=142mm；d=10.5mm；t=16.5mm。面板参加主梁工作有效宽度：B = 60d + bl= 60 6 +142 = 502mm取 b=0.5m，l0=6.3m， l0/b=12.6，查表得 1=0.99，故B = x b =0.990.5=495mm1故选用 B=495mm，则主梁组合截面面积为：A=86.1+49.50.6=115.8cm2组合截面形心到工字钢中心线的距离为：49.5 0.6 20.3e =115.8= 5.2cm组合截面的惯性矩及截面矩为：I = 21700 + 86.1 5.22 + 49.5 0.615.12 =
12、 30800cm4130800Wmin=25.2= 1222.2cm3S = 14.21.65 24.4 + 0.51.05 23.62 = 864.1cm3（4） 弯应力验算s = MW109.15106max =89.3N / mm2144N / mm2 1222.2103mint= VS66.15 103 864.1103t max= 17.67MPa= 120MPamaxI d30800 104 10.589.32 + 317.6721s2 + 3t2maxmax校核主应力：=故满足要求。（5） 挠度验算= 94.4MPas f = 5 ql3 =5 22.05 63 109= 0.0
13、01 f = 0.0017l384 EI1384 2.06105 30800104 l （6） 面板参加主梁工作的折算应力验算由上述的面板计算可知，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格 所需要的板厚较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取区格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为：0.5 0.0242 4662s=kmyqa2 / d 2 =73N / mm2 y62s=msmxmy=0.3 73=21.9 N / mm2对于面板区格在长边中点的主梁弯矩为：M=109.15kNmM109.15106s= 89.3N / mm2 0xW1222.8103故折算应力
14、为：s = （szh）2 +（smymx-s ）2 -（s0x）(smymx-s ）=121.6N/mm2 1.1a s = 246.4N/mm 2 0x故面板厚度选用 6mm，满足强度要求。6.3.6 竖直次梁（隔板）竖直次梁按支承在主梁上的双悬臂梁计算，受力简图如图 6.6 所示:图 6.6 竖直次梁计算简图A B（1） 内力计算支座 A 断面上的弯矩为：AM = g H 3A6b = 7.54kN m支座 B 断面上的弯矩为：BM = g (H + H )B4C 2b = 2.41kN mB（2） 截面选择隔板的腹板选用与主梁腹板一致，采用 380mm10mm，上翼缘利用面板， 下翼缘采
15、用 200mm10mm 的扁钢。面板参加竖直次梁工作的有效宽度：b=2.1m，l0=0.71.4m=0.98m，l0/b=0.46，查表得1=0.18。故有效宽度为 B=1b=378mm截面形心到腹板中心线的距离：e = 378 6 190-20010190 = 6.3mm378 6+38010+200 10截面惯性矩：1I = 12 1 383 + 381 0.632 + 37.8 0.618.672 + 201 20.132 = 70897cm4截面模量为：Wmin70897= 20.63= 3437cm3中和轴一侧静面矩：S = 20 119.6 + 0.51.05192 = 582cm
16、3（3） 弯应力验算M7.54106 s = 2.19N / mm2 sWmin3437 103故满足强度要求。6.3.7 边梁设计边梁的截面形式采用双腹板式，截面尺寸按构造要求确定，高度与主梁端部等高，腹板厚度与主梁腹板高度相同。为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不宜小于 300mm。双腹板的间距应根据滑块的尺寸确定。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将允许应力值降低 20%作为考虑受扭影响的安全储备。边梁在水平方向承受主梁、水平次梁以及由面板传来的水压力和行走支承反力，为简化计算，边梁的水平荷载折算成主梁的集中荷载。在竖直方向，还承受门重、水柱重、启闭闸门时的启门力
17、、下吸力、上托力以及行走支承与止水上的摩擦阻力等荷载。（1） 内力计算图 6.7 边梁计算简图R1上主梁66.15kN下主梁R266.15kN每根主梁作用与边梁的集中荷载为 R=66.15kN如图所示，上滑块所受到的压力为R1=46.31kN，下滑块所受到的压力为R2=86kN。边梁最大弯矩为：Mmax=46.310.6=27.8kNm 最大剪力为：Vmax=46.31kN最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为 180kN。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去滑块的摩阻力，该轴向力为：N=180- R1f=180-46.310.17=172Kn（2） 截面选择选40a 槽钢，查表
18、得：A=75.4cm2；Wx=879cm3；Ix=17600cm4；b=100mm；d=10.5mm。图 6.8 边梁组合截面图截面面积：A=75.4+301=105.4 cm2截面形心到腹板中心线的距离：e = 301 = 0.3cm105.4截面惯性矩：I = 17600 + 75.4 0.32 + 301 20.32 = 29970cm4面积矩：S = 10 1.819.6 + 0.51.0518.52 = 442.6cm3截面模量：Wmin29970= 20.3= 1476cm3（3） 弯应力、剪应力验算：M27.8106 s = 18.8N / mm2 sWmin1476 103tm
19、ax= VS = 46.31103 442.6103 =11.4MPat Id29970 104 6故满足要求。6.3.8 行走支承设计胶木滑块计算：滑块位置如图所示，下滑块受力最大，其值为R2=86kN。设滑块长度为250mm，则滑块单位长度的承压力为：q=0.344 kN/ mm。qR344100根据上述 q 值查得轨头弧面半径 R=100mm，轨头宽度 S=25mm。胶木滑道与轨头弧面的接触应力进行验算：smax= 104= 104 = 192N / mm2 s = 500N / mm2j选定胶木高 30mm，宽 100mm，长 250mm。6.3.9 胶木滑块的轨道设计（1） 确定轨道
20、底板宽度根据 C25 混凝土查得混凝土允许承压应力为n=9N/mm2，则所需的轨道底板宽度为： Bh= s =qn3449= 38mm取 Bh=120mm，故轨道底面压应力为：o= 593n120= 5N / 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：s=3sc2 s n t 2式中：轨道底板的悬臂长度 c=85mm，对于 Q235 钢，查得=100N/mm2。故所需轨道底板厚度为：3s c2sn 3 5 852100t = 33mm故取 t=40mm。6.3.10 闸门启闭力和吊座计算（1） 启闭力计算闸门启闭力按下式计算：T = 1.2(TQzd+
21、 T ) +1.1G + Pzsx闸门自重为 G=45kN滑道摩阻力为：Tzd=fP=0.17264.6=45kN止水摩阻力为：Tzs=0.65（24.50.07+40.07）27=16kN止水橡皮采用 I110-16 型，其规格为宽 16mm、长 110mm。底止水沿门跨长6m。下吸力为：Px=200.0166=1.92kN故闸门的启闭力为：TQ=1.2（45+16）+1.145+1.92=124.62kN（2） 闭门力计算闭门力计算公式为： TW= 1.2(Tzd+ T ) - 0.9G + Pzst上托力为：Pt=9.82.50.166=23.52kN故闭门力为：TW=1.2（45+16
22、）-0.945+23.52=56.22Kn可见仅靠闸门自重是无法关闭闸门的。（3） 吊轴验算吊轴采用 Q235 钢，查得=65N/mm2。采用双吊点，每边的起吊力为：N=1.20.5124.62=75kN吊轴每边的剪力为：V=37.5kN 所需吊轴截面矩为：A=578mm2A0.785吊轴直径为d = 27.1mm ，故取 d=30mm（4） 吊耳板强度验算按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按下式计算，查得Q235 钢 的cj=80N/mm2，故N75103t = 31.25mmd s 3080cj故取 t=32mm。为调整吊耳孔位置，决定在边梁腹板上端部的两侧各焊一块轴承板，根据要求，两块轴承板的总厚度应不小于 1.2t=38.4mm，故每块轴承板取 20mm。轴承板采用矩形，尺寸为 150mm180mm。吊耳孔壁拉应力按下式计算：o = sR2 + r2 = 75103 902 + 302 = 48.8N / mm20.8s= 96N / mm2kcj R2 - r 232 60 902 - 302k