水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳細(xì)計(jì)算過(guò)程

1、.6 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.3 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算6.3.1 設(shè)計(jì)資料（1）閘門(mén)型式：露頂式平面鋼閘門(mén)（2）孔口尺寸（寬×高）：6m×3m（3）設(shè)計(jì)水頭:3.16m（4）結(jié)構(gòu)材料：Q235鋼（5）焊條：E43（6）止水橡皮：側(cè)止水型號(hào)采用P45-A，底止水型號(hào)采用I110-16（7）行走支承：采用膠木滑道，壓合膠木為MCS-2（8）混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C25（9）規(guī)范：利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范（SL74-95）6.3.2 閘門(mén)結(jié)構(gòu)的形式及布置6.3.2.1 閘門(mén)尺寸的確定1.閘門(mén)高度:考慮風(fēng)浪產(chǎn)生的水位超高，將閘門(mén)的高度確定為3m。2.閘門(mén)的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L0=6.0m3.

2、閘門(mén)計(jì)算跨度：L=L0+2d=6.0+2×0.15=6.3m6.3.2.2靜水總壓力閘門(mén)在關(guān)閉位置的靜水總壓力如圖6.1所示，其計(jì)算公式為：圖6.1 閘門(mén)靜水總壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖6.3.2.3 主梁的形式主梁的形式應(yīng)根據(jù)水頭的大小和跨度大小而定，本設(shè)計(jì)中主梁采用實(shí)腹式組合梁。6.3.2.4主梁的布置根據(jù)主梁的高跨比，決定采用雙主梁。兩根主梁應(yīng)布置在靜水壓力合力線上下等距離的位置上，并要求兩主梁的距離值要盡量大些，且上主梁到閘門(mén)頂緣的距離c小于0.45H，且不宜大于3.6m，底主梁到底止水的距離應(yīng)符合底緣布置的要求。故主梁的布置如圖6.2所示圖6.2 主梁及梁格布置圖6.3.2.5 梁格的布

3、置和形式梁格采用復(fù)式布置并等高連接，并使用實(shí)腹式豎向隔板兼作豎直次梁，使水平次梁穿過(guò)隔板上的預(yù)留孔而成為連續(xù)梁，其間距上疏下密，面板各區(qū)格需要的厚度大致相等，具體布置尺寸如圖6.2所示。6.3.3 面板設(shè)計(jì)根據(jù)利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范（SL74-95），關(guān)于面板的計(jì)算，先估算面板厚度，在主梁截面選擇之后再計(jì)算面板的局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力。初選面板厚度。面板厚度計(jì)算公式為： 當(dāng)b/a3時(shí)，=1.4；當(dāng)b/a3時(shí)，=1.5。列表進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表6.1：表6.1 面板厚度計(jì)算表由上表的計(jì)算結(jié)果，再加上2mm的腐蝕余度，選用面板厚度為6mm。6.3.4 水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計(jì)（1）荷載與內(nèi)

4、力計(jì)算水平次梁和頂、底梁都是支承在隔板上的連續(xù)梁，作用其上的水平壓力可按下式計(jì)算：列表計(jì)算，具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表6.2：表6.2 水平梁水平壓力計(jì)算表經(jīng)計(jì)算，水平次梁計(jì)算荷載取10.3kN/m，水平次梁為三跨連續(xù)梁，跨度為2.1m。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6.3所示：圖6.3 水平次梁計(jì)算簡(jiǎn)圖故水平次梁彎曲時(shí)跨中彎矩為：支座B處的彎矩為：（2）截面選擇考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選14a,查表得：A=1851mm2；Wx=80500mm3；Ix=5640000mm4；b=58mm；d=6mm。面板參加次梁工作的有效寬度：（正彎矩段）（負(fù)彎矩段）按4號(hào)梁進(jìn)行計(jì)算，梁間距為b=470mm，對(duì)于連續(xù)梁的正彎

5、矩段，查表得1=0.87，故=409mm。對(duì)于其負(fù)彎矩段，查表得2=0.64，故=301mm。面板參加水平次梁工作后的組合截面如圖6.4所示：圖6.4 組合截面圖對(duì)于第一跨中，選用B=409mm，則水平次梁的組合截面積為A=1851+409×6=4305mm2組合截面形心到槽鋼中心線的距離為：跨中組合截面的慣性矩及截面模量為：對(duì)支座段選用B=301mm，則組合截面面積為：A=1851+301×6=3657mm2組合截面形心到槽鋼中心線的距離為：支座組合截面的慣性矩及截面模量為：（3）水平次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算由于支座B處彎矩最大，且截面模量最小，故只需驗(yàn)算支座B處截面的抗彎強(qiáng)度，即

6、 故水平次梁選用14a滿足要求。軋成梁的剪應(yīng)力一般很小，可不必驗(yàn)算。（4）水平次梁的撓度驗(yàn)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支座處截面的彎矩已經(jīng)求得，則邊跨撓度可近似地計(jì)算為：故水平次梁選用14a滿足強(qiáng)度和剛度要求。（5）頂梁和底梁頂梁所受的荷載較小，但考慮水面漂浮物的撞擊等影響，必須加強(qiáng)頂梁的剛度，故采用16a。底梁采用14a。6.3.5 主梁設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)資料主梁荷載：q=P/2=22.05kN/m主梁跨度：計(jì)算跨度L=6.3m ，荷載跨度Lq=6m。隔板間距：2.1m主梁允許撓度：f=1/600（2）內(nèi)力計(jì)算主梁計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6.5所示：圖6.5 主梁計(jì)算簡(jiǎn)圖（

7、3）需要的截面模量 已知Q235鋼的允許應(yīng)力=160N/mm2，考慮鋼閘門(mén)自重引起的附加應(yīng)力作用，取允許應(yīng)力為=0.9×160=144N/mm2，則需要的截面模量為：考慮利用面板作為主梁截面的一部分，初選I40a，查表得:A=86.1cm2；Wx=1090cm3；Ix=21700cm4；b=142mm；d=10.5mm；t=16.5mm。面板參加主梁工作有效寬度：取b=0.5m，l0=6.3m， l0/b=12.6，查表得1=0.99，故=0.99×0.5=495mm故選用B=495mm，則主梁組合截面面積為：A=86.1+49.5×0.6=115.8cm2組合截

8、面形心到工字鋼中心線的距離為：組合截面的慣性矩及截面矩為：（4）彎應(yīng)力驗(yàn)算 校核主應(yīng)力：故滿足要求。（5）撓度驗(yàn)算（6）面板參加主梁工作的折算應(yīng)力驗(yàn)算由上述的面板計(jì)算可知，直接與主梁相鄰的面板區(qū)格，只有區(qū)格所需要的板厚較大，這意味著該區(qū)格的長(zhǎng)邊中點(diǎn)應(yīng)力也較大，所以選取區(qū)格驗(yàn)算其長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力。面板區(qū)格在長(zhǎng)邊中點(diǎn)的局部彎曲應(yīng)力為：對(duì)于面板區(qū)格在長(zhǎng)邊中點(diǎn)的主梁彎矩為：M=109.15kN·m故折算應(yīng)力為： 故面板厚度選用6mm，滿足強(qiáng)度要求。6.3.6 豎直次梁（隔板）豎直次梁按支承在主梁上的雙懸臂梁計(jì)算，受力簡(jiǎn)圖如圖6.6所示:圖6.6 豎直次梁計(jì)算簡(jiǎn)圖（1）內(nèi)力計(jì)算支座A斷面上的

9、彎矩為：支座B斷面上的彎矩為：（2）截面選擇隔板的腹板選用與主梁腹板一致，采用380mm×10mm，上翼緣利用面板，下翼緣采用200mm×10mm的扁鋼。面板參加豎直次梁工作的有效寬度：b=2.1m，l0=0.7×1.4m=0.98m，l0/b=0.46，查表得1=0.18。故有效寬度為B=1b=378mm截面形心到腹板中心線的距離：截面慣性矩：截面模量為：中和軸一側(cè)靜面矩：（3）彎應(yīng)力驗(yàn)算故滿足強(qiáng)度要求。6.3.7 邊梁設(shè)計(jì)邊梁的截面形式采用雙腹板式，截面尺寸按構(gòu)造要求確定，高度與主梁端部等高，腹板厚度與主梁腹板高度相同。為了便于安裝壓合膠木滑塊，下翼緣寬度不宜

10、小于300mm。雙腹板的間距應(yīng)根據(jù)滑塊的尺寸確定。邊梁是閘門(mén)的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，故在設(shè)計(jì)時(shí)可將允許應(yīng)力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲(chǔ)備。邊梁在水平方向承受主梁、水平次梁以及由面板傳來(lái)的水壓力和行走支承反力，為簡(jiǎn)化計(jì)算，邊梁的水平荷載折算成主梁的集中荷載。在豎直方向，還承受門(mén)重、水柱重、啟閉閘門(mén)時(shí)的啟門(mén)力、下吸力、上托力以及行走支承與止水上的摩擦阻力等荷載。（1）內(nèi)力計(jì)算圖6.7 邊梁計(jì)算簡(jiǎn)圖每根主梁作用與邊梁的集中荷載為R=66.15kN如圖所示，上滑塊所受到的壓力為R1=46.31kN，下滑塊所受到的壓力為R2=86kN。邊梁最大彎矩為：Mmax=46.31×0

11、.6=27.8kN·m最大剪力為：Vmax=46.31kN最大軸向力為作用在一個(gè)邊梁上的起吊力，估計(jì)為180kN。在最大彎矩作用截面上的軸向力，等于起吊力減去滑塊的摩阻力，該軸向力為：N=180- R1f=180-46.31×0.17=172Kn（2）截面選擇選40a槽鋼，查表得：A=75.4cm2；Wx=879cm3；Ix=17600cm4；b=100mm；d=10.5mm。 圖6.8 邊梁組合截面圖截面面積：A=75.4+30×1=105.4 cm2截面形心到腹板中心線的距離：截面慣性矩：面積矩：截面模量：（3）彎應(yīng)力、剪應(yīng)力驗(yàn)算：故滿足要求。6.3.8 行走

12、支承設(shè)計(jì)膠木滑塊計(jì)算：滑塊位置如圖所示，下滑塊受力最大，其值為R2=86kN。設(shè)滑塊長(zhǎng)度為250mm，則滑塊單位長(zhǎng)度的承壓力為：q=0.344 kN/ mm。根據(jù)上述q值查得軌頭弧面半徑R=100mm，軌頭寬度S=25mm。膠木滑道與軌頭弧面的接觸應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算：選定膠木高30mm，寬100mm，長(zhǎng)250mm。6.3.9 膠木滑塊的軌道設(shè)計(jì)（1）確定軌道底板寬度根據(jù)C25混凝土查得混凝土允許承壓應(yīng)力為n=9N/mm2，則所需的軌道底板寬度為：取Bh=120mm，故軌道底面壓應(yīng)力為：（2）確定軌道底板厚度軌道底板厚度按其彎曲強(qiáng)度確定。軌道底板的最大彎應(yīng)力為：式中：軌道底板的懸臂長(zhǎng)度c=85mm，對(duì)

13、于Q235鋼，查得=100N/mm2。故所需軌道底板厚度為：故取t=40mm。6.3.10 閘門(mén)啟閉力和吊座計(jì)算（1）啟閉力計(jì)算閘門(mén)啟閉力按下式計(jì)算：閘門(mén)自重為G=45kN滑道摩阻力為：Tzd=fP=0.17×264.6=45kN止水摩阻力為：Tzs=0.65×（2×4.5×0.07+4×0.07）×27=16kN止水橡皮采用I110-16型，其規(guī)格為寬16mm、長(zhǎng)110mm。底止水沿門(mén)跨長(zhǎng)6m。下吸力為：Px=20×0.016×6=1.92kN故閘門(mén)的啟閉力為：TQ=1.2×（45+16）+1.1×45+1.92=124.62kN（2）閉門(mén)力計(jì)算閉門(mén)力計(jì)算公式為：上托力為：Pt=9.8×2.5×0.16×6=23.52kN故閉門(mén)力為：TW=1.2×（45+16）-0.9×45+23.52=56.22Kn可見(jiàn)僅靠閘門(mén)自重是無(wú)法關(guān)閉閘門(mén)的。（3）吊軸驗(yàn)算吊軸采用Q235鋼，查得=65N/mm2。采用雙吊點(diǎn)，每邊的起吊力為：N=1.2×0.5×124.62=75kN吊軸每邊的剪力為