露頂式鋼閘門設(shè)計舉例

1、水利水電鋼閘門設(shè)計一、設(shè)計資料：1 潛孔式平面閘門設(shè)計：潛孔式平面閘門 孔口尺寸（寬高）： 4.0m 7.0m 上游水位： 47m 下游水位： 0m 閘底高程：0m 啟閉方式：電動固定式啟閉機材料 鋼結(jié)構(gòu)：q235-a.f 焊條：e43型 行走支承：滾動支承或膠木滑道 止水橡皮：側(cè)止水和頂止水用p型橡皮，底止水用 條形象皮 制造條件：金屬結(jié)構(gòu)制造廠制造，手工電弧焊，滿足級焊縫質(zhì)量檢驗標準規(guī)范：水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范sl 1974-20052 攔污柵設(shè)計： 攔污柵型式：固定式平面攔污柵尺寸（寬高）：4.0m7.0m水頭：4m二、閘門結(jié)構(gòu)的型式及布置 1 閘門尺寸的確定： 閘門凈高：7.0m

2、閘門高度：7.4m 閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水之間的間距：l=4m閘門的計算跨度：l= l0+2d = 4+20.2 = 4.4m 2 主梁的形式: 本閘門屬于小跨度中水頭閘門，所以主梁采用實腹式組合梁。 3 主梁的布置 因為閘門跨度l小于閘門高度h，所以采用主梁式。主梁根數(shù)采用5根。 由公式 yk= 得： 每根主梁距水面的距離： 圖一 閘門主要尺寸圖（單位：m） 4 梁格的布置和形式： 根據(jù)面板的計算結(jié)果，采用復(fù)式。詳細布置見圖二。 圖二 梁格布置尺寸圖（單位：m）5 連接系的布置和形式： （1） 橫向連接系，根據(jù)主梁的跨度，布置4道橫隔板，其間距為0.88m，橫隔板兼做豎直次梁。 （2） 縱

3、向連接系，由于面板尺寸較小，水平次梁較多，可以不必設(shè)置縱向連接系。6 邊梁和行走支承 邊梁采用單腹式，行走支承采用膠木滑道。三、面板設(shè)計 1 估算面板厚度： 計算面板厚度的公式： 當； 當 計算結(jié)果詳見表一： 表一 面板厚度的估算區(qū)格(mm)b(mm)k13458702.50.860.460.6314.823858702.30.600.470.5313.933958702.20.600.470.5314.243908702.30.600.480.5414.353958702.20.600.480.5414.563958702.20.600.480.5414.573508702.50.610.4

4、90.5513.183958702.20.600.490.5414.593758702.30.600.500.5514.0103808702.30.600.500.5514.2113458702.50.610.510.5613.1123458702.50.610.510.5613.1133808702.30.600.520.5614.5143358702.60.610.520.5612.8152558703.40.610.520.5610.0161958704.50.890.530.699.4根據(jù)上表計算，選用面板厚度t=15mm2 面板與梁格的連接計算面板局部撓曲時產(chǎn)生的垂直與焊縫長度方向的

5、橫向拉應(yīng)力p按式：p計算，面板厚度t=15mm,近似取板中最大彎應(yīng)力，則 面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)的剪力： 面板與主梁焊縫厚度： 面板與梁格連接取焊縫厚度四、水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計 1 荷載與內(nèi)力計算 水平次梁和頂梁、底梁都是支承在橫隔板上的連續(xù)梁，作用在它們上面的水壓力可按式：計算，計算結(jié)果見表二。 表二 水平次梁、頂梁和底梁均布荷載計算梁號梁軸線處水壓強度p(n/mm2)梁間距（m） (m)備注1 頂梁458022510310.452 水平次梁46304721760.493 主梁468049523160.504 水平次梁4730.48227.00.465 水平次梁4770.48

6、229.00.506 主梁4820.50241.00.507水平次梁4870.46224.00.428 水平次梁4910.46225.90.509 主梁4960.49243.00.4810 水平次梁5010.465233.00.4511 水平次梁5050.45227.30.4512 主梁5090.45229.30.4513 水平次梁5140.45231.30.4514 水平次梁5180.445230.70.4415 主梁5230.40209.10.3616 水平次梁5260.33173.70.3017 底梁529.20.1579.4 水平次梁 q=230.7kn/m 水平次梁為五跨連續(xù)梁，跨度

7、為0.88m。 水平次梁彎曲時的邊梁中彎矩為： 支座b處的彎矩為： 圖三 水平次梁計算簡圖和彎矩圖 2 截面選擇 初選 18a由附錄表得： a=2569mm2 wx=141400 面板參加次梁工作有效寬度： 按14號梁計算，梁間距確定面板的有效寬度系數(shù)時，需要知道梁彎矩之間的距離與梁間距b之比值。對于第一跨中正彎矩段取，對于支座負彎矩段根據(jù)查表7-1： 對于 則對于 則對于第一跨中選用b=258，則水平次梁組合截面積為： a=2569+25815=6439組合截面形心到槽鋼中心線的距離： 跨中組合截面的慣性矩及截面模量為： 圖四 面板參加水平次梁工作后的組合梁(單位：)對支座段選用b=102，

8、則組合截面面積：a=2569+10215=40992結(jié)合截面形心到槽鋼中心線距離： 支座處組合截面的慣性矩及截面模量： 3 水平次梁的強度驗算： 安全 說明水平次梁選用18a滿足要求。 扎成梁的剪應(yīng)力一般很小，可不必驗算。 4 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)生在邊跨，由于水平次梁在b支座處截面的彎距已經(jīng)求得m次b=19.1knm，,則邊跨撓度可近似地按下式計算： 所以水平次梁選用槽鋼18a滿足強度和剛度要求。4 頂梁和底梁 頂梁和底梁受荷載較小，但由于其他偶然荷載的影響，也采用18。五、主梁設(shè)計（一）設(shè)計資料 1 主梁跨度：凈跨（孔口寬度）l0=4.0m，計算寬度l=4

9、.4m，荷載跨度l1=4.0m， 2 主梁荷載： 3 橫向隔板間距：880 4 主梁容許撓度。（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：彎距： 剪力： （2）需要的截面模量。 已知q235鋼的容許應(yīng)力=160n/mm2 ,考慮鋼閘門自重引起附加應(yīng)力的影響，取容許應(yīng)力= 則需要的截面模量為；w= （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： 選擇腹板高度則 選用 （5） 翼緣截面選擇。每個翼緣需要截面為：因為，所以選擇b=35cm，則 上翼緣的部分截面積可以利用面板，選用 面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為 上翼緣截面面積:圖五 主梁跨中截面（單位

10、：）（6）彎應(yīng)力強度驗算。主梁跨中截面（見圖五）的幾何特征性見表三。 表三 主梁跨中截面的幾何特征 部位截面尺寸（cmcm）截面面積a（2）各形心離面板距離(cm)a()各形心離中和軸距離（）面板部分1041.51560.75117-42.45281112上翼緣板142.5352.7596-40.4557267腹板1101.011059649015.827460下翼緣板352.587.5115.251008472.05454230合計388.516787820069截面形心矩： 截面慣性距： 截面模量： 上翼緣頂邊 下翼緣底邊 彎應(yīng)力：安全 （7） 整體穩(wěn)定性與撓度驗算。因主梁上翼緣直接同面板

11、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。 2 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。（見圖六） 梁開始改變的位置取在臨近支承端的橫向隔板下翼緣的外側(cè)，離開支承端的距離為8817.5=80.5。 剪切強度驗算：考慮到主梁端部的腹板及翼緣都分別同支承邊梁的腹板及翼緣相焊，故可按工字形截面來驗算剪應(yīng)力強度。主梁支承端截面的幾何特征見表四。 圖六 主梁支承端截面（單位：） 表四 主梁端部截面的幾何特征部位截面尺寸（cmcm）截面面積a（2）各形心離面板距離(cm)a()各形心離中和軸距離（）面板部分

12、1041.51560.7511734.25182998上翼緣板142.5352.7596.2532.2536402腹板881.0884842241314872下翼緣板352.587.593.25815958.25296893合計366.512796531165 截面形心矩： 慣性矩： 截面下半部對中和軸的面積矩： 剪應(yīng)力，安全。 3 翼緣焊縫翼緣焊縫厚度按受力最大的支承端截面計算。 面慣性矩： 翼緣對中和軸的面積矩： 翼緣對中和軸的面積矩： 需要 角焊縫最小， 的上下翼緣焊縫都采用。5板的加勁肋和局部穩(wěn)定性驗算。加勁肋的布置：因為故需設(shè)置加勁肋，以保證腹板的局部穩(wěn)定性。因閘門上已布置橫向隔板兼

13、可作橫向隔板，其間距。梁格與彎矩都較大的區(qū)格可按式驗算。 區(qū)格左邊及右邊的剪力為： 區(qū)格的平均剪應(yīng)力： 彎矩分別為： 區(qū)格的平均彎矩： 平均彎應(yīng)力： 計算： 算，由于區(qū)格長短邊之比為 代入數(shù)據(jù)： 滿足局部要求。所以不需要再設(shè)橫向加勁肋。5 面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力驗算： 從表一的面板計算可見，區(qū)格1需要的板厚較大，所以選用區(qū)格1驗算其長邊的中點的折算應(yīng)力。 面板區(qū)格1在長邊中點的局部彎曲應(yīng)力： 對于面板區(qū)格1在長邊中點的主梁彎矩和彎矩力為： 面板區(qū)格1的長邊中點的折算應(yīng)力： 所以面板厚度為15滿足強度。六、橫隔板設(shè)計 1 荷載和內(nèi)力計算 橫向隔板兼做豎直次梁，每片橫向隔板在上懸臂梁

14、的最大負彎矩為： 2 橫隔板截面選擇和強度計算 其腹板選用與主梁腹板同高，采用110010，上翼緣利用面板，下翼緣采用20010的扁鋼。上翼緣可利用面板的寬度公式按式b1b確定。查表得10.51.則b=0.51880=448.8，取b=450計算如圖七所示的截面幾何特征。截面形心到腹板中心線的距離： 圖七 橫隔板截面（單位：mm） 截面慣性矩： 截面模量： 驗算應(yīng)力： 安全 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。 七、邊梁設(shè)計 邊梁的截面形式采用單腹式，邊梁的截面尺寸按構(gòu)造要求確定，即截面高度與主梁端部高度相同，腹板厚度與主梁腹板厚度相同，為了便于安裝壓合

15、膠木滑塊，下翼緣寬度不宜小于300mm 。邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，故在設(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。 圖八 邊梁截面和邊梁計算圖（單位：） 1 荷載和內(nèi)力計算 在閘門每側(cè)邊梁上各設(shè)置三個膠木滑塊，其布置見上圖八。 （1）水平荷載 主要是主梁傳來的水平荷載，還有水平次梁和頂，底梁傳來的水平荷載，為了簡化起見，可假定這些荷載由主梁傳給邊梁，每個邊梁作用于邊梁荷載為r1387kn（2）豎向荷載有閘門自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，起吊力等。因為五根主梁間距比較接近，為了簡化計算，所以可以近似的把邊梁受的荷載處理為均布荷載。 每個滑塊所受壓力： 最大彎矩： 最

16、大剪力： 最大軸向力為作用在一個邊梁上的起吊力，估計為1500kn。在最大彎矩作用截上的軸向力，等于起吊力減去滑塊的摩擦力，該軸向力為： 2 邊梁的強度計算 截面面積： 面積矩： 慣性矩： 截面模量： 截面邊緣最大應(yīng)力驗算： 腹板最大剪應(yīng)力驗算： 腹板與下翼緣連接處折算應(yīng)力驗算： ， 均滿足強度要求。八、行走支承設(shè)計 膠木滑塊計算：滑塊受力均勻，其值為r2312kn，設(shè)滑塊長度為700mm，則滑塊單位長度承受壓力查表得軌頂弧面半徑r=300mm，軌頭設(shè)計寬度為b50mm，膠木滑塊與規(guī)頂弧面的接觸應(yīng)力驗算：。 選定膠木高30，寬120，長700。九、膠木滑塊軌道設(shè)計 1 確定軌道底板寬度軌道底板

17、寬度按混凝土壓強度確定，根據(jù)c20混凝土由附表十查得混凝土的容許承壓應(yīng)力為，則所需要的軌道底板寬度為： 取 故軌道底面壓應(yīng)力：2 確定軌道底板厚度 軌道底板厚度按其彎曲強度確定，軌道底板的最大彎應(yīng)力：軌道底板懸臂長度c215mm，對于q235查表得100n/mm2 ，故所需軌道底板厚度：，取厚度t100mm 圖九 膠木滑塊支承軌道截面（單位：）十、閘門啟閉力和吊座計算1 啟門力計算： 其中閘門自重： p=693.654=13872kn 滑道摩阻力：止水摩阻力： 因橡皮止水與鋼板間摩擦系數(shù)f0.65， 橡皮止水受壓寬度取為b0.06m，每邊側(cè)止水受壓長度h7.2m 下吸力px底止水橡皮采用i11

18、016型，其規(guī)格為寬16mm，長110mm，底止水沿門跨長4.4m，根據(jù)規(guī)范sl 7495，啟門時閘門底緣平均下吸強度一般按20kn/m2計算，則下吸力： 故閘門啟門力： 2 閉門力計算 顯然僅靠閘門自重是不能關(guān)閉閘門的。需采用機械加壓。 3 吊軸和吊耳板驗算 （1） 吊軸 采用q235鋼，查表得，由于水壓力較大，所以采用4吊點，每邊起吊力為： 吊軸每邊剪力： 需要吊軸截面積： 又 故吊軸直徑：d 取d140mm， （2）吊耳板強度驗算。按局部緊接承壓條件，吊耳板需要厚度按下式計算，查表得q235鋼的，故t取t=80mm固在邊梁腹板上端部的兩側(cè)各焊一塊為40mm的軸承板。軸承板采用圓形，其直徑取為3d3140420mm吊耳孔壁拉應(yīng)力計算：，吊耳板半徑r=210mm,軸孔半徑=50mm，由表得：k=120n/mm2，故孔壁拉應(yīng)力：，滿足要求。 圖十 吊軸和吊耳板（單位：）十一、攔污柵的設(shè)計 1 攔污柵的形式及構(gòu)造 采用固定式攔污柵，放置方式采用垂直放置。攔污柵的形式見圖十一。 圖十一 固定式攔污柵構(gòu)造圖 2 柵面結(jié)構(gòu) （1） 攔污柵的柵面由垂直放置的金屬柵條互相連接而成，連接方式為焊接。每片柵條選用長2.4m，厚t=10，高h=100（見圖十二左）。一共用