露頂式平面鋼閘門設(shè)計(jì)

1、露頂式平面鋼閘門設(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)資料閘門形式：溢洪道露頂式平面鋼閘門孔口凈寬：16.00m孔口凈高：15.00m結(jié)構(gòu)材料：Q235-A.F焊條：E43型行走支承：膠木滑道或者是滾輪支承止水橡皮：側(cè)止水用p形橡皮，底止水用條形橡皮制造條件：金屬結(jié)構(gòu)制造廠制造，手工電弧焊，滿足III級(jí)焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范SL 1974-2005二、 閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置1.閘門尺寸的確定閘門高度：考慮到風(fēng)浪產(chǎn)生的水位超高為0.2m，故設(shè)計(jì)水頭高度= 15- 0.2 = 14.8（m）閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L1 =16m閘門的計(jì)算跨度：L = L0 + 2d =16+20.2=1

2、6.4(m) 圖一 閘門主要尺寸（單位：m）2.主梁的形式。主梁的形式應(yīng)根據(jù)水頭的大小和跨度的大小而定，本閘門屬于大跨度，為了方便制造和維護(hù)，決定采用實(shí)腹式組合梁。3.主梁的布置 因?yàn)長(zhǎng)=16m1.5H=1.515=22.5m 所以是選擇7根主梁 根據(jù)公式計(jì)算得到每一根主梁距水面的距離，然后可取值為y1=4.00m；y2=7.00m; y3=9.00m; y4=11.00m; y5=12.00m; y6=13.00m; y7=14.00m 其具體布置如下圖： 圖二 主梁的布置 單位（m）4.梁的布置和形式。梁格采用復(fù)式布置和等高連接，水平次梁穿過橫隔板上的預(yù)留孔冰被橫隔板所支承。水平次梁為連續(xù)

3、梁，其間距應(yīng)上疏下密，使面板各區(qū)格需要的厚度大致相等，梁格布置具體尺寸如下圖所示。 （單位：dm）5.連接系的布置和形式。（1）橫向連接系，根據(jù)主梁的跨度，決定布置7道橫隔板，其間距為2 m，橫隔板兼作豎直次梁。（2）縱向連接系，設(shè)在兩個(gè)主梁下的翼緣的豎平面內(nèi)。采用斜桿式桁架。6.邊梁與行走支承。邊梁采用單復(fù)式，行走支承采用滾輪支承。三、面板設(shè)計(jì)根據(jù)水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范SL 1974-2005，關(guān)于面板的計(jì)算，先估算面板的厚度，在主梁截面選擇之后再驗(yàn)算面板的局部彎曲與主梁彎曲的折算應(yīng)力。1.估算面板厚度。假定梁格布置尺寸圖2所示。面板厚度按式計(jì)算 當(dāng)b/a 3 時(shí)，= 1.5 ，則 當(dāng)b

4、/a 3 時(shí)，= 1.4 ，則現(xiàn)列 表 1 進(jìn)行計(jì)算。 表一： 面 板 厚 度 的 估 算區(qū)格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm)t(mm)1128019901.550.5800.0070.0645.572125019901.590.4680.0200.0978.253113019901.760.4830.0330.1269.68495019902.090.4970.0440.1489.56592019902.160.4980.0540.16410.26690019902.210.4980.0640.17910.95760019903.320.5000.0720.1907.9885901

5、9903.370.5000.0780.1978140.5000.0830.2046.851064019903.110.5000.0910.2139.541162019903.210.5000.0980.2219.591244019904.520.5000.1030.2276.991342019904.740.5000.1040.2286.701441019904.850.5000.1100.2356.741541019904.850.5000.1200.2457.031641019904.850.5000.1240.2497.151740019904.980.5000

6、.1300.25575.100.5000.1350.2607.101931019906.420.5000.1390.2655.752024019908.30 0.7500.1430.3305.54根據(jù)上表計(jì)算，選用面板厚度 t = 11mm。2.面板與梁格的連接計(jì)算。面板局部繞曲時(shí)產(chǎn)生的垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向拉力P，按式max計(jì)算。已知面板厚度t=11mm，并且近似地取板中最大彎應(yīng)力max =【】=160 N/mm2 ，則：max = 0.0711160=123.2（N/mm）面板與主梁連接焊縫方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的剪力： T=VS/2I0 =44100062011306

7、/21617000000=204 (N/mm)由式計(jì)算面板與主梁連接的焊縫厚度為=(p/1.22)2+T2)(1/2)/(0.7)=123.222042/0.7115= 3.0(mm)面板與梁格的連接焊縫應(yīng)采用連續(xù)焊縫，面板與梁格連接焊縫取其最小厚度=8mm四、水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計(jì)1.荷載與內(nèi)力計(jì)算。水平次梁和頂、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平壓力可按式計(jì)算，即列表2 計(jì)算后得q=996.86kN/m表2 水 平 次 梁 、 頂 梁 和 底 梁 均 布 荷 載 的 計(jì) 算梁號(hào)梁軸線處水壓強(qiáng)度梁間距（m）（m）（KN/m）1頂梁1.961.22 11.761.2651

8、4.881.333 24.791.30032.231.274（主梁） 37.241.13542.271547.041.00047.0411656.841.00056.8417（主梁）66.640.85056.640.7873.500.70051.450.7980.360.65052.230.610（主梁）86.240.65056.060.71193.100.70065.170.71299.960.65064.970.613（主梁） 105.840.55058.210.514 110.740.50055.370.515（主梁） 115.640.50057.820.516120.540.50060

9、.270.517（主梁）125.440.50062.720.518 130.340.50065.170.519（主梁） 135.240.45060.860.420139.160.35048.710.321（底梁） 142.10.30042.63頂梁荷載按下圖計(jì)算：根據(jù) 表2 計(jì)算，水平次梁計(jì)算荷載取65.17kN/m,水平次梁為十跨連續(xù)梁，跨度為2m。如下圖所示。水平次梁彎曲時(shí)的邊跨中彎矩為M次中=0.077ql2=0.07765.1722=20.07(KNm)支座B處的彎矩為M次B =0.107ql2=0.10765.1722=27.89(KNm)圖三 水平次梁計(jì)算簡(jiǎn)圖和彎矩圖2.截面選擇。

10、 W=M/=27.89106/160=174312.5mm3考慮到利用面板作為次梁截面的一部分，初選 20a，由附錄三表4查得：A=2883；=73mm；d=7mm。面板參加次梁工作有效寬度分別按式及式或（其中）計(jì)算，然后取其其中較小值。 b1+60t=73+6011=733(mm)（對(duì)胯間正彎矩段）（對(duì)支座負(fù)彎矩段）按18號(hào)梁計(jì)算，設(shè)梁間距(500+500)/2=500(mm)。確定式中面板的有效寬度系數(shù) 時(shí)，需要知道梁彎矩零點(diǎn)之間的間距與梁間距b比值。對(duì)于第一跨中正彎矩段取= 0.8=0.82000=1600(mm)。對(duì)于支座負(fù)彎矩段取 =0.42000=800(mm)。根據(jù)/查下面表3可

11、得：表3 面 板 有 效 寬 度 系 數(shù) 和 0.51.01.52.02.53456810120.200.400.580.700.780.840.900.940.950.970.981.000.160.300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92對(duì)于/=1600/500=3.2得=0.852則B=b=0.852500=426（mm）對(duì)于/=800/500=1.6得=0.429則B=b=0.429500=215（mm）圖四 面板參加水平次梁工作后的組合界面（單位：mm）對(duì)第一跨中選用B=426mm ，則水平次梁組合截面面積（圖四）為A =2883+4261

12、1=7569 （mm2）組合截面形心到槽鋼中心線的距離為 e=（42611105.5）/7569=65（mm）跨中組合截面的慣性矩及截面模量為 I次中=17804000+2883652+4261140.52=37670887（mm4） W min=37670887/165=228308（mm2）對(duì)支座段選用B =215mm ，則組合截面面積為A =2883+21511=5248 （mm2）組合截面形心到槽鋼中心線的距離為 e=21511105.5/5248=48(mm)支座處組合截面的慣性矩及截面模量為 I次B=17804000+2883482+260857.52=31323432（mm4）W

13、 min=31323432/148=211645 （mm2）3.水平次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算。由支座B（圖三）處彎矩最大，而截面模量最小，故只需驗(yàn)算支座B處的截面的抗彎強(qiáng)度，即 次=M次B/W min=27.89106/211645=131.8N/mm2=160N/mm2說明水平次梁選用 20a 滿足要求。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M次B=27.89kN.m ,則邊跨撓度可近似地計(jì)算為v/l=5/384ql3/EI次-M次Bl/16EI次=565.17(2.0103）3/3842.0610537670887-27.8910

14、62.0103/162.0610537670887=0.000426W/L=1/250=0.004 故水平次梁選用 20a 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，所以也采用 20a。底梁也采用 20a。五、主梁設(shè)計(jì)（一）設(shè)計(jì)資料。1.主梁跨度（圖五）；凈跨（孔口寬度）16m ，計(jì)算跨度,荷載跨度 ；2.主梁荷載：153.4KN/M；3.橫向隔板間距：2m；4.主梁容許撓度w=L/600。（二）主梁設(shè)計(jì)。主梁設(shè)計(jì)包括：截面選擇；梁高改變；翼緣焊縫；腹板局部穩(wěn)定驗(yàn)算；面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力驗(yàn)算。 1截面選擇。彎矩與

15、剪力。彎矩與剪力計(jì)算如下 M max=153.49/2(9.4/2-9/4)=5154.24(KNm) V max= qL1/2=1/2153.416.0=1228(KN) 圖五 平面鋼閘門的主梁位置和計(jì)算簡(jiǎn)圖需要的截面模量。已知 Q235 鋼的容許應(yīng)力 ，考慮鋼閘門自重應(yīng)力引起的附加應(yīng)力作用，取容許應(yīng)力為 ，則需要的截面模量為 W=M max/= 5154.24100/（1440.1）=35793cm2 腹板的高度選擇。按剛度要求的最小梁高（變截面梁）為H min=0.960.23L/Ew/L=0.960.2314410016.4100/（2.06107(1/600)）=151.9cm經(jīng)濟(jì)梁

16、高 he=3.1W2/5=3.1357932/5=206cm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 小，但不小于 ?，F(xiàn)選用腹板高度 腹板厚度選擇。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： ，選用 翼緣截面選擇。每個(gè)翼緣截面為 A1=W/h0-twh0/6=35793/180-2.0180/6=138.85cm2 下翼緣選用（符合鋼板規(guī)格） 需要，選用b1=A1/t1 =138.85/2.0=69.425（cm），選用b1= 70cm(在 之間）。 上翼緣的部分截面面積可利用面板，故只需設(shè)置較小的上翼緣板同面板相連，選用t1 =2.0cm，b1=30cm。 面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為 B

17、=b1+60=30+601.1=96cm； 上翼緣截面積為 A1=302.0+961.1=165.6cm2彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。主梁跨中截面（圖六）的幾何特性見表4 。圖六 主梁跨中截面（單位：mm）截面形心矩為： y1=Ay/A=59474.1/665.6=89.4cm；截面慣性矩 I=th03/12+Ay2=21803/12+2552317.4=3524317cm4截面模量： 上翼緣頂邊 W min=I/y1=3524317/89.4=39422cm4； 下翼緣底邊 W min=I/y2=3524317/95.7=36827cm2；彎應(yīng)力=M max/W min=5154.24100/36827

18、=14.0（kN/cm2）0.916=14.4（kN/cm2）（安全）表4 主 梁 跨 中 截 面 的 幾 何 特 性部位面板部分961.1105.60.5558.1-88.9834579.0上翼緣板302.0602.1126-87.3457277.4腹板2.018036093.1335163.74928.4下翼緣702.0140184.12577494.71255532.6合計(jì)665.659474.12552317.4整體穩(wěn)定性與撓度驗(yàn)算。因主梁上翼緣直接同鋼面板相連，按設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，可不必驗(yàn)算整體穩(wěn)定性。又因梁高大于按剛度要求的最小梁高，故梁的撓度不必驗(yàn)算。2截面改變。因?yàn)榱嚎缍容^大，為減

19、小門槽寬度和支承邊梁高度（節(jié)省鋼材），有必要將主梁支承端腹板高度減小為（圖七）梁高開始改變的位置去載鄰近支承端的橫向隔板下翼緣的外側(cè)（圖八），離開支承端的距離為20010 = 190 cm。（單位：mm ） 剪切強(qiáng)度驗(yàn)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接，故可按工字形截面來驗(yàn)算剪應(yīng)力的強(qiáng)度。主梁支承端截面的幾何性質(zhì)見 表5 。表5 主 梁 端 部 截 面 的 幾 何 特 性部位面板部分961.1105.60.5558.1-53.6303384.6上翼緣板302.0602.1126-52162240腹板2.010821657.112333.631944下翼緣702.0

20、140112.11569458470960合計(jì)521.628211.7938528.6 截面形心距 y1=28211.7/521.6=54.1cm 截面慣性矩 I0=21083/12+938528.6=1148480.6cm4截面下半部對(duì)中和軸的面積矩S=14058+572.057/2=11369cm3 剪應(yīng)力： =VmaxS/I0t=122811369/（1148480.62.0）=6.08KN/cm2=9.5KN/cm2（安全） 3翼緣焊縫。翼緣焊縫厚度（焊腳尺寸）按受力最大的支承端截面計(jì)算。最大剪應(yīng)力1228kN，截面慣性矩=1148480.6 cm4 上翼緣對(duì)中和軸的面積矩 S1=10

21、5.653.6+6052=8780.2cm3; 下翼緣對(duì)中和軸的面積矩 S2=14058=8120cm3S1 需要h f=VS1/1.4I0f=12288780.2/（1.41148480.611.3）=0.593m 角焊縫最小厚度h f1.5t0.5=1.5200.5=6.7mm 全梁的上、下翼緣焊縫都采用8mm。六、橫隔板設(shè)計(jì)（1）荷載和內(nèi)力計(jì)算。橫隔板同時(shí)兼作豎直次梁，它主要承受水平次梁、頂梁和底梁傳來的集中荷載以及面板傳來的分布荷載，計(jì)算時(shí)可把這些荷載用以三角形分布的水壓力來代替（圖一），并且把橫隔板作為支撐在主梁上的雙懸臂梁。則每片橫隔板在上懸臂的最大彎矩為 M=3.837.24/2

22、23.8/3=179kN.m（2）橫隔板截面選擇和強(qiáng)度計(jì)算。其腹板選用與主梁腹板同高，采用1800mm10mm，上翼緣利用面板，下翼緣采用200mm 10mm 的扁鋼。上翼緣可利用面板寬度按確定，其中b= 2000mm ,按 l0/b=23800/2000=3.8，從 表3查得有效寬度系數(shù)2=0.71，則B=0.712000=1420mm，取B=1400mm計(jì)算如 圖九所示的截面幾何特性。圖九 橫隔板截面截面形心到腹板中心線的距離為e = (140010905-20010905)/ (140010+20010+180010) =319mm截面慣矩為I=1018003/12+1018003193

23、+1020012242+814005862=1449559104mm4截面模量為W min=1449559104/1229=11794622mm3驗(yàn)算彎應(yīng)力為 =M/W min=179106/11794622=15.2N/mm2 由于橫隔板截面高度較大，剪切強(qiáng)度更不必驗(yàn)算。橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度8mm。七、縱向連接系設(shè)計(jì)1.荷載和內(nèi)力計(jì)算?？v向連接系承受閘門自重。露頂式平面剛閘門門葉自重G按附錄10中的式計(jì)算 =0.0121.01.09.8=176.7（KN）下游縱向連接系承受 0.4G=0.4176.7=70.67（KN）縱向連接系視作簡(jiǎn)支的平面桁架，其桁架腹板桿布置如 圖10所示，

24、其結(jié)點(diǎn)荷載為 70.67/8=8.834（KN）桿件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如 圖十 所示。圖十 縱向連接系計(jì)算圖（單位：mm）2.斜桿截面計(jì)算。斜桿承受做大拉力N =31.57 KN. 同時(shí)考慮閘門偶然扭曲時(shí)可能承受壓力，故長(zhǎng)細(xì)比的限制應(yīng)與壓桿相同，即 =200 選用單角鋼10010, 由表附表6.4查得 截面面積 A=1926mm2回轉(zhuǎn)半徑 I =19.6mm 斜桿計(jì)算長(zhǎng)度 l0=0.9=2.08m 長(zhǎng)細(xì)比 =l0/iy0=2.08103/19.6=106.1=200 驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度 =31.57103/1926=16.39N/mm20.85=133N/mm2 考慮到單角鋼受力偏心的影響，將容許應(yīng)力降低

25、15%進(jìn)行計(jì)算。3.斜桿與結(jié)點(diǎn)板的連接計(jì)算（略）。八、邊梁設(shè)計(jì)邊梁的截面形式采用雙腹式（圖十一），邊梁的截面尺寸按構(gòu)造要求確定，即截面高度與主梁端高度相同，腹板厚度與主梁腹板厚度相同，為了便于安裝滾輪，兩個(gè)下翼緣為用寬度為200mm的扁鋼做成。圖十一 邊梁截面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(jì)時(shí)可將容許應(yīng)力值降低15%作為考慮受扭影響的安全儲(chǔ)備。Q主梁作用力大小為1228KN 1.荷載和內(nèi)力計(jì)算。在閘門每側(cè)邊梁上各設(shè)6個(gè)滾輪。其布置尺寸見 圖十二。最大軸向力為作用在一個(gè)邊梁上的啟吊力，估計(jì)為9956kN（詳細(xì)計(jì)算見后面）。在最大彎矩作用截面上的軸向力，等于啟吊力減去上滑塊的摩

26、阻力，該軸向力N=9956- R1f=9956-1170.00.11=9827.3kN。2.邊梁的強(qiáng)度驗(yàn)算。 截面面積 A=55060+220060+2015602=119400mm2 面積矩 S max=38898000mm3 截面慣性矩 I=51010mm4 截面模量 W=51010/780=64169770mm3 截面邊緣最大應(yīng)力驗(yàn)算max=N/A+M max/W=9827.31000/119400+818.71000000/64169770=95.06N/mm20.8=120N/mm2腹板最大應(yīng)力驗(yàn)算 =V max S max/It w=1169.510038898000/（51010

27、20）=45.49N/mm20.8=76 N/mm2腹板與下翼緣連接處折算應(yīng)力驗(yàn)算 max=N/A +（M max/W）（y/y）=82.3+12.8780/840=94.2 N/mm2= V max Si /2It w=1169.51000220060810/（25101020）=11.4N/mm22h=96.2 N/mm20.8=128N/mm2 以上驗(yàn)算均滿足強(qiáng)度要求。九、行走支承設(shè)計(jì)滾輪計(jì)算：輪子的主要尺寸是輪徑D和輪緣寬度b，這些尺寸是根據(jù)輪緣與軌道之間的接觸應(yīng)力的強(qiáng)度條件來確定的，對(duì)于圓柱形滾輪與平面軌道的接觸情況是線接觸，其接觸應(yīng)力可按下式計(jì)算，其中第五個(gè)滾輪受力最大，其值為12

28、84.9kN，設(shè)滾輪輪緣寬度b=120mm，輪徑D=500mm max =0.418 =41.18(N/mm2)2.5f=2.5235=587.5(N/mm2) 為了減少滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，在滾輪的軸孔內(nèi)還要設(shè)滑動(dòng)軸承，選用鋼對(duì)10-1鑄鐵鋁磷青銅軸和軸套間壓力傳遞也是接觸壓力的形式?？砂聪率津?yàn)算：cg=取軸的直徑d=250mm，軸套的工作長(zhǎng)度b1=300mm滑動(dòng)軸套容許應(yīng)力=50N/mm2cg = 18.85(N/mm2)=50(N/mm2)輪軸選用45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼，取輪軸直徑d=200mm，其工作長(zhǎng)度為b=300mm，對(duì)其進(jìn)行彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力驗(yàn)算：M max=161.25kN.mW=2093333(N/mm2)=M max/W=77.1(N/mm2) 0.8=116 (N/mm2)V max= 642.45（k N）20.46(N/mm2)0.8=76(N/mm2)軸在軸承板的連接處還應(yīng)按下式驗(yàn)算輪軸與軸承板之間的緊密接觸局部承壓應(yīng)力：軸承板所受的壓力 N=642.45（k N）取軸承板疊總厚度 =75mm故=(N/mm2)0.8=128(