水工鋼結(jié)構(gòu)鋼閘門課程設(shè)計

水工剛結(jié)構(gòu)潛孔式焊接平面鋼閘門設(shè)計計算書一、設(shè)計資料及有關(guān)規(guī)定:閘門形式：潛孔式平面鋼閘門孔口凈寬：10m孔口凈高：13m上游水位：73m下游水位：0.1m閘底高程：0m啟閉方式：電動固定式啟閉機啟閉機械：液壓式啟閉機材料：鋼材：Q235-A.F；焊條：E43型；行走支承：采用滾輪支承；止水橡皮：側(cè)止水和頂止水用P型橡皮，底止水用條型橡皮。制造條件：金屬結(jié)構(gòu)制造廠制造，手工電孤焊，滿足III級焊縫質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：《水利水電工程剛閘門設(shè)計規(guī)范SL1974-2005》混凝土強度等級：C30二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置毗禰主默拙（糙：血（一）閘門尺寸的確定（圖1示）1閘門孔口尺寸：孔口凈跨：10m孔口凈高：13m閘門高度：13.2m閘門寬度：10.4m荷載跨度：13.2m

計算跨度：10?4m2計算水頭:73m（二）主梁的布置主梁的數(shù)目及形式主梁是閘門的主要受力構(gòu)件，其數(shù)目主要取決于閘門的尺寸。因為閘門跨度L=10m,閘門高度h=13m,L<h。所以閘門采用5根主梁。本閘門屬中等跨度，為了便于制造和維護，決定采用實腹式組合梁。主梁的布置本閘門為高水頭的深孔閘門，孔口尺寸較小，門頂與門底的水壓強度差值相對較小。所以，主梁的位置按等間距來布置。設(shè)計時按最下面的那根受力最大的主梁來設(shè)計，各主梁采用相同的截面尺寸。梁格的布置及形式梁格采用復(fù)式布置與等高連接，水平次梁穿過橫隔板所支承。水平梁為連續(xù)梁，間距應(yīng)上疏下密，使面板個區(qū)格需要的厚度大致相等，布置圖2示c§uMale；￡LIE.2IJS.ere三、面板設(shè)計根據(jù)《鋼閘門設(shè)計規(guī)范SDJ-78（試行）》關(guān)于面板的設(shè)計，先估算面板厚度，在主梁截面選擇以后再驗算面板的局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力。估算面板厚度假定梁格布置尺寸如圖2所示。面板厚度按下式計算t=a:t=a:kp\0.9a[]kp當(dāng)b/a>3時，a=1.55,則t=akp\'0.9x1.55x160=0.067^kp當(dāng)b/aW3時，a=1.65,則kp當(dāng)b/a>3時，a=1.55,則t=akp\'0.9x1.55x160=0.067^kp現(xiàn)列表1計算如下:區(qū)格a(mm)b(mm)b/akpJkpt199520702.0800.6830.5930.63643.1299520702.0800.4970.6040.54835.4399520702.0800.4970.6150.55335.7499520702.0800.4970.6260.57835.7599520702.0800.4970.6370.56336.1699520702.0800.4970.6470.56736.3799520702.0800.4970.6580.57236.7899520702.0800.4970.6690.57736.9999520702.0800.4970.6800.58137.21099520702.0800.4970.6910.58637.611109020702.0800.4970.7020.59137.91290020702.0800.4970.7120.61942.1根據(jù)上表計算，選用面板厚度t=44mm。面板與梁格的連接計算已知面板厚度t=44mm,并且近似地取板中最大彎應(yīng)力。max=［。］=160N/mm2,則p=0.07x44x160=492.8N/mm,面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)地應(yīng)力：〒而8589x344x4.4x71.3x106=2062N=2062N/mm,212x22466398.66x1040面板與主梁連接的焊縫厚度：七=4P2+T2/0.7x"]=2120.6/0.7x113=26.8mm,面板與梁格連接焊縫厚度取起最小厚度h=27mm。f四、水平次梁，頂梁和底梁地設(shè)計1.荷載與內(nèi)力地驗算水平次梁和頂，底梁都時支承在橫隔板上地連續(xù)梁，作用在它們上面的水壓力可

按下式計算，即a+a52現(xiàn)列表2計算如下：表2梁號梁軸線處水壓力強度P（kN/mm2）梁間距（m）a+a2(m)a+aq=p—^(kN/m)1頂梁600.350.55330.201.12水平次梁611.001.1672.11.13（主梁）622.001.1684.21.14（水平次梁）633.001.1696.31.15（主梁）644.001.1708.41.16（水平次梁）655.001.1720.51.17（主梁）666.001.1732.61.18（水平次梁）677.001.1744.71.19（主梁）688.001.1756.81.110（水平次梁）6991.1768.91.111（主梁）7101.1781.01.112水平次梁（）721.000.975793.10.8513（底梁）728.50.4225409.2Z=8798KN根據(jù)上表計算，水平次梁計算荷載取793.1kN/m,水平次梁為5跨連續(xù)梁，跨度為2.08m,水平次梁彎曲時的邊跨彎距為：M次中=0.077ql2=0.077x793.1x2.082=246.2kNmq=51&22KN/M支座B處的負(fù)彎距：M次B=°.l°7ql2=°.l°7x793.1x2支座B處的負(fù)彎距：M次B=°.l°7ql2=°.l°7x793.1x2.°82=366.31kNm2.截面選擇W=［。］M366,1X106=2.53x106mm3145考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選［56C由附錄三表四查得:A=157.78cm2;W=2.551x106mm3；I=71430cm4;b1=170mm;d=16.5mm。面板參加次梁工作的有效寬度分別按式6-11及式6—12計算，然后取其中較小值。式：6—11式：6—12梁間距b二七BWb1+60t=170+60X44=2810mm;B=Zb（對跨間正彎距段）B=Z：b（對支座負(fù)彎距段）。蘭=11°。+112。=mOmm。對于第一跨中正彎距段Z°=0.8Z=0.8X2080=1644mm;對于支座負(fù)彎距段Z°=0.4Z=0.4X2080=832mm。根據(jù)l/b查表6—1：0對于l/b=1664/1110=1.499得^=0.58，得B=Z1b=0.58X1110=634mm,對于l°/b=832/1110=0.430得Z2=0.750,得B=Z2b=0.16X1110=255.3mm,對第一跨中選用B=634mm取640mm，則水平次梁組合截面面積（例圖4）:i_n國4，醐參加冰平烈球后放始栽面?啤位項nilA=157.78+64X4.4=439.38cm2;組合截面形心到槽鋼中心線得距離:i_ne=640xe=640x44x32443938=207mm跨中組合截面的慣性距及截面模量為:次中164451.4cm4=71430+157.78X20.72+64X4.4X9.52=W=1644514=3376.82cm次中164451.4cm4min48.7對支座段選用B=260mm，則組合截面面積：A=1578.8+26X4.4=271.58cm2組合截面形心到槽鋼中心線得距離：260x44260x44x324e=26998=133.85mm支座初組合截面的慣性距及截面模量為:131682.25cm4=71430+157.78X13.462+26X4.4X16.82W=131682.5=3180.73cm3

min131682.25cm4水平次梁的強度驗算=366.31x106次_3180730由于支座B處（例圖3）處彎距最大，而截面模量較小，故只需驗算支座B處截面的抗彎強度，即=115.16N/mm2<［。］=145N/=366.31x106次_3180730軋成梁的剪應(yīng)力一般很小，可不必驗算。水平次梁的撓度驗算受均布荷載的等跨連續(xù)梁，最大撓度發(fā)生在便跨，由于水平次梁在B支座處截面的彎距已經(jīng)求得M次B=22.0248kNm,則邊跨撓度可近似地按下式計算：

w_5xqi3m次Bl1~384~ET16EI次5x793.1x[2080]3366.3x106x2080=384x2.06x105x164451x10416x2.06x105x164451x104=0.0002025W[-]_—_0.004l250故水平次梁選用[56c滿足強度和剛度要求。頂梁和底梁頂梁和底梁受得水壓力都比較大，所以都采用[56c五、主梁設(shè)計（一）設(shè)計資料1）主梁跨度：凈跨（孔口凈寬）Z。=10m；計算跨度Z=10.4m；荷載跨度11=13.2m。2)主梁荷載：q_%=(9.8x73x73-9.8x59.8x598)/5=1717.92kN3)橫向隔板間距:4222.07m。4）主梁容許撓度：［W］=L/750。（二）主梁設(shè)計1.截面選擇（1）彎距和剪力彎距與剪力計算如下：1717.91x13.210.413.2、彎距：M=2（―^-~^~）=30613.3kN-m剪力：孔_剪力：孔_%=*x生=8589.5kN需要的截面抵抗距已知A3鋼的容許應(yīng)力［o］=145N/mm2，考慮鋼閘門自重引起附加應(yīng)力的影響，取容許應(yīng)力［。］=0.9x145=130.5N/mm2,則需要的截面抵抗矩為；[W]=M__30613.3x102=234584.6cm3。[q]130.5x0.1（3）腹板高度選擇（3）腹板高度選擇按剛度要求的最小梁高（變截面梁）為:經(jīng)濟梁高：h=3.1W2/5_3.1x(234584.6)2/5_436cm。TOC\o"1-5"\h\zfl130.5x102x10.4x102x750「2.06x107h=0.208=0.96x0.23x=109.1cm2.06x107minE[W/1]…由于鋼閘門中的橫向隔板重量將隨主梁增高而增加，故主梁高度宜選得比h為小，但不小于h?，F(xiàn)選用腹板厚度h=300cm。eC（4）腹板厚'度選擇0七=3/11=<300/11_1.52cm,選用t=1.5cm。

翼緣截面選擇：每個翼緣需要截面為A7218=―1—=90.1cm,取B=90cm,上1八匕以=234584.6一A7218=―1—=90.1cm,取B=90cm,上1下翼緣選用ti=8.0crn(符合鋼板規(guī)格)’需要?300__6翼緣的部分截面積可利用面板，故只需設(shè)置較小的翼緣板同面板相連，選用t1=8cm,b1=80cm，面板兼作主梁上翼緣的有效高度為B=b1+60t=16+60X4.4=344cm。300__6上翼緣截面面積A=80X8+3441X4.4=2153.6cm2。彎應(yīng)力強度驗算截面形心距：￡AV306905.9V=b=-=102.1cm,乙A3003.6圖；主梁跨中截面(單位CIU〕截面慣性距：I=\生+￡12Ay2_1.5X3003-+52641320.3—56016320cm4,12截面抵抗距：上翼緣頂邊W_I56016320——548641.7cm3,maxy1102.1下翼緣底邊w_I56016320——256602.5cm3,miny2218.3彎應(yīng)力：c—^^—30613.3X100—11.9kN/cm2<0.9x14.5—\3.05kN/cm2,安全W.256602.5表3部位截面尺寸(cmXcm)截面面積A(cm2)各型心離面板表面距離y'(cm)Ay'(cm3)各型心離中和軸距離y=y'—y1(cm)Ay2(cm4)面板部分344X4.41513.62.23329.9-99.9815129946.21上翼緣14X81128.42688-93.72809500.8腹板300X1.5450162.47308060.31636240.5

下翼緣90X8720316.4227808214.333065632合計3003.6306905.952641320.3因主梁上翼緣直接同面板相連，可不必驗算整體穩(wěn)定性，因梁高大于按高度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗算。1.截面改變因主梁跨度較大，為減小門槽寬度與支承邊梁高度(節(jié)約鋼材)，有必要將主梁承端腹板高度減小為h&=0.6h0=0.6x300=180cm?？紤]到主梁端部腹板及翼緣相焊接，故可按工字截面梁驗算應(yīng)力剪力強度。尺寸表4所示：344L90L90—1->1圖5主梁跨中截面(單位cm)180表4部位截面尺寸(cmXcm)截面面枳A(cm2)各型心離面板表面距離y'(cm)Ay'(cm3)各型心離中和軸距離y=y'—y1(cm)Ay2(cm4)面板部分344.X1.41513.62.23329.9-71.37694673.2上翼緣14X81128.42688-66.9501268.32腹板180X61080102.411059227.14795505下翼緣90X8720196.4141408121.110558951.2合計3425.6258017.919550398.6610=￥=19550398.66cm4250817.9y=13425.6=75.3cm截面下半部對中和軸的面積矩：117.1S=720x121.1+117.1x6x-=128329.23cm3,2T=匕任=85895x128329.23=8.17kN/cm2<[t]=8.5kN/cm2,因誤差未超過10%，安10122466398.66x6全3.翼緣焊縫翼緣焊縫厚度h按受力最大的支承端截面計算。V=8589.5kN°I「22466398.66cm4,上翼緣對中和軸的面積距：5「1513.6乂71.3+1.2乂6679=115412.48品,下翼緣對中和軸的面積距：S：=720X121.1=86472cm3<S],VS

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1.410[tf]8589.5x115412.48°。=2.8cm,1.4x22466398.66x11.3角焊縫最小，hf>1.5jt=1.5楓0=13mm。全梁的上下翼緣焊縫都采用h=28mm。4.加筋肋驗算f因匕=迎=50<80不需設(shè)置橫向加勁肋。閘門上已布置橫向隔板可兼作橫加勁肋，其t6間距a=2.08m。腹板區(qū)格劃分見圖2。5.取面板區(qū)格III驗算其長邊點的折算應(yīng)力0.497x0.712xx9002b=imy442=±148N/mm2,b=Vb=±0.3x148=±44N/mm2,面板區(qū)格III的長邊中點的主梁彎距和彎應(yīng)力M=8589.5x5x3.12-8589.5x2.922x0.5=97320kN-m,M_97320x106訂_548641x103=177N/mm2,該區(qū)格長邊中點的折算應(yīng)力bzh撲my+(b疽b0「」bmy(bmx+')=v11482+(44-177)2-148(44-177)=141.1N/mm2<a[b]=1.65x160=264N/mm2故面板厚度選用44mm滿足強度要求。六、橫隔板設(shè)計1.荷載和內(nèi)力計算如圖所示水平次梁為5跨均布連續(xù)梁，R可看作它所受的最大剪力，

K?由規(guī)范表查知：作用于豎直次梁上由水平荷載傳遞的集中荷載:R=(0.607+0.536)q次l=1.143x793.1x2.08=1881.2S;取q=q次M=1ql2+-Rl=-x793.1x2.082+1x1881.2x2.08=1406.1N-m8040842.橫隔板和截面選擇和強度驗算-1261740一2403000x60870x44腹板選用與主梁腹板同-1261740一2403000x60870x44腹板選用與主梁腹板同高，采用3000X60mm,上翼緣利用面板，下翼緣采用200mmX20mm的扁鋼，上翼緣可利用200x20面板的寬度公式按式B=Z1b確定。10/b=2.2/2.08=1.05,查表得Z1=0.418,B=0.418x2080=869.44mm,取B=870mm。計算如下圖所示截面幾何特性截面型心到腹板中心線距離：87x4.4x154.4-20x2x154.4e=87x4.4+300x6+20x2=24CM截面慣性距：I=6x3003+300x6x242+20x2x175212+87x4.4x130.42=22270992.4cm4W.=&=122368cm3,驗算應(yīng)力：Mb=Wmin=Mb=Wmin=11.5N/mm2<[b,]122368x103由于橫隔板截面高度較大，剪切強度更不必驗算，橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度hf=6mm。七、縱向連接系1.荷載和內(nèi)力計算縱向連接系承受閘門自重。潛孔式平面鋼閘門門葉自重按下式計算G=0.073x%xK2xK3xA0.93xH0.79x9.8=0.073x1.0x1.0x0.866x29.65x1300.93x9.8=1699.4KN則下游縱向連接系承受0.4G=679.4KN縱向連接系視作平面簡支桁架，如圖8所示縱向連接系視作平面簡支桁架，其結(jié)點荷載為679.4,5=135.8(KN)2.斜桿截面計算斜桿承受的最大的拉力為366.8KN,同時考慮閘門偶然扭矩時可能造成的壓力，故細長比的限制應(yīng)該與壓桿相同。即X<\k]=200選用單角鋼L100X16，由附錄三表2查得：明縱向連接斜算囹(Wcm)截面面積A=30.1cm2回轉(zhuǎn)半徑i0=2.19cm斜桿計算長度l=3.05m長細比X=匕=305*103=139.3<EJ=200l021.7驗算拉桿強度8=366.8xlO3=121.8nmm2<0.85^5]=123.3Nmm23010八、邊梁設(shè)計由于深孔大孔口，行走支承采用滾輪式。所以這里用雙腹式組合邊梁。邊梁的截面尺寸按構(gòu)造要求確定，梁高850mm，上翼緣直接采用面板，下翼緣用200mmX40mm的扁鋼做成。腹板厚度40mm。邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，做設(shè)計時將容許應(yīng)力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲備。1、荷載和內(nèi)力計算滾輪采用等荷載布置，在每個主梁上分別布置6個大小相等的主輪。每個主輪受力為8589KN。具體計算根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器。最大彎矩M=4723.95KN-m最大剪力V：：=4294KN最大軸向力為作用在邊梁上的一個起吊力，估為1699X2=3398KN在最大彎矩作用截面上軸向力為：N=3398-8589X0.1=2540KN

2.邊梁強度驗算截面面積A=800x60+60x180x2+200x80x2=1016(cm4)y=74mm2.邊梁強度驗算1上半部分對中和軸的面積矩=6x80x71+2x6x682=61824cm3下半部分對中和軸的面積矩=2x20x8x(122-4)+2x6x1182-2=121304cm3I=2x6x1803+6x80x712+180x6x762x2+20x8x2x1162=25033760cm412W=—=3382940cm3。74截面邊緣最大應(yīng)力驗算:。=N+竺?=2540x103+4723x106=38.9N/mm2<0.8[t]=0.8x157=126N/mm2maxAW1016003382940x103腹板最大剪應(yīng)力驗算:

T=—max——mazItw4294x105x121304=34.7N/mm2<0.8[t]=0.8x75=76N/mmT=—max——mazItw九、行走支承設(shè)計采用滑動式滾輪支承，軸孔采用滑動軸承，輪徑D=1600mm，寬度b=200mm，輪軸直徑滾輪驗算:PE=-xV=4294x0.5=2147KN2~PE'2147九、行走支承設(shè)計采用滑動式滾輪支承，軸孔采用滑動軸承，輪徑D=1600mm，寬度b=200mm，輪軸直徑滾輪驗算:PE=-xV=4294x0.5=2147KN2~PE'2147x2.06x105。=0.418,^^=0.418X、[—200800-3f=3x3458egP

—l-

db12147x103180x300=39.7Nmm2<8L50N-mm2eg膠木軸套內(nèi)徑d1=240+0.5x2=241mm膠木軸套外徑d2=240+25=265mm2147x103-2240x70=63.8(N/mm2)以上計算均滿足強度要求。十、止水布置方式側(cè)向止水米用P型橡皮，頂止水米用P型橡皮，底止水米用條形橡皮，布置方式如圖閘門自重G=1176KN滑動摩擦阻力T=—(fr+f)=665x10.4x13*0.1+0.1)=1168.8(KN)zdRJ1Jk800止水摩阻力T=2x0.65x0.06x13x665=674.2(KN)zs上托力P=0KNt閉門力T=1.2(T+T)—nG+P=1.2xG168.8+674.2)-1x1699+0=511.4(KN)1zdzsGt起門力計算下吸力P=20x0.016x10.4=3.3(KN)W=0KN則啟門力為：T=1.2(T+T)+nG+P+G+—2zdzsGxjx=1.2(1168.8+674.2)+1x1699+3.3+0=4082(KN)十二、埋固構(gòu)件門槽的埋固構(gòu)件主要有：行走支承的軌道、與止水橡皮相接觸的型鋼、為保護門槽和孔口邊棱處的混凝土免遭破壞所設(shè)置的加固角鋼等。

1I潛7L閘門胸墻護面板形式十三、軌道設(shè)計滾輪荷載R=4294KN,軌道材料為35Mn2,軌道截面尺寸如圖所示:(1)軌道底板混凝土承壓應(yīng)力:P3hB2147x10003x240x300=9.9(N/mm2潛7L閘門胸墻護面板形式十三、軌道設(shè)計滾輪荷載R=4294KN,軌道材料為35Mn2,軌道截面尺寸如圖所示:(1)軌道底板混凝土承壓應(yīng)力:P3hB2147x10003x240x300=9.9(N/mm2)二期混凝土為C30,其L]=11(N/mm2)(2)軌道橫斷面彎曲應(yīng)力:—……-八，一“LC—-8X243“IR24X4.5X142+30x4.5x16.52+8x24x32+以=80795(cm4)eI80795W=—=y18=4893(cm3)3Ph3x2147x24x10「]一b===39.9(N/mm2)<b」=130(N/mm2)8W8x4839故滿足要求。十四、閘門的啟閉機械由于啟閉力T=4600KN〉3000KN，故采用液壓式啟閉機。查資料如下QPKY系列液壓啟閉機共14種規(guī)格，適用于水利水電工程水輪發(fā)電機機組進口、調(diào)壓井下游快速事故閘門的啟閉，也可用于一般平面事故閘門啟閉，本系列液壓缸按閘門利用水柱壓力或部分加重可關(guān)閉孔口而無需投運油泵電機組的條件進行設(shè)計。型號表示方法QPKY□/□一□一□QPKY系列快速閘門液壓啟閉機基本參數(shù)序號_參數(shù)型號持住力Fg（KN）啟門力Fq（KN）最大行程Lman（m）缸內(nèi)徑D（mm）活塞桿直徑d（mm）缸內(nèi)計算壓力F/F（MPa）速度Vg/Vq（m/min）1QPKY-60/60-8*60608.0100509.99/9.99Vg=3.0?8.5Vq=0.25?1.02QPKY-80/80-8*80808.01106010.39/10.393QPKY-100/100-8*1001008.01256310.7/10.74QPKY-12