水工鋼結(jié)構(gòu)潛孔式平面鋼閘門設(shè)計(jì)

1、目錄一、設(shè)計(jì)資料及有關(guān)規(guī)定·············································1二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置

2、3;··········································1三、面板設(shè)計(jì)······

3、83;················································2四、水平次梁、頂

4、梁和底梁地設(shè)計(jì)·····································3五、主梁設(shè)計(jì)··········

5、3;············································6六、橫隔板設(shè)計(jì)····&#

6、183;················································9七、縱向連接系

7、··················································

8、··10八、邊梁設(shè)計(jì)··············································

9、3;·······10九、行走支承設(shè)計(jì)·········································

10、·········12十、 軌道設(shè)計(jì)·······································

11、83;·············13十一、止水布置方式··································

12、3;·············13十二、埋固構(gòu)件···································&

13、#183;················14十三、閘門啟閉力·······························

14、83;··················14十四、閘門的啟閉機(jī)械·····························

15、83;················14一、設(shè)計(jì)資料及有關(guān)規(guī)定1、閘門形式：潛孔式平面鋼閘門2、孔口尺寸（寬×高）：7.0m×12.0m3、上游水位：67m4、下游水位：0.1m5、閘底高程：0m6、啟閉方式：電動(dòng)固定式啟閉機(jī)7、材料： 鋼結(jié)構(gòu)：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8、制造條件：金屬結(jié)構(gòu)制造廠制造，手工電弧焊，滿足級(jí)焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

16、。9、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：12.2m閘門的荷載跨度為兩止水的間距：7.0m閘門計(jì)算跨度：10+2×0.22=7.44(m) 設(shè)計(jì)水頭：67m 2、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?yàn)殚l門跨度L=7m,閘門高度h=12m,L<h。所以閘門采用6根主梁。本閘門屬中等跨度，為了便于制造和維護(hù)，決定采用實(shí)腹式組合梁。3、主梁的布置 本閘門為高水頭的深孔閘門，主梁的位置可按主梁均勻間隔來(lái)布置。設(shè)計(jì)時(shí)按最下面的那根受力最大的主梁來(lái)設(shè)計(jì)，各主梁采用相同的截面尺寸。

17、 4、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(guò)橫隔板上的預(yù)留孔并被橫隔板所支承。水平次梁為連續(xù)梁，其間距應(yīng)均勻，以減少計(jì)算量。5、連接系的布置與形式（1）橫向連接系，根據(jù)主梁的跨度，決定布置5道橫隔板，其間距為1.24m，橫隔板兼作豎直次粱。（2）縱向連接系，采用斜桿式桁架。三、面板設(shè)計(jì)根據(jù)鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范S7495關(guān)于面板的設(shè)計(jì)，先估算面板厚度，在主梁截面選擇以后再驗(yàn)算面板的局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力。1、 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(jì)算t=akp(0.9) 當(dāng)b/a3時(shí)，a=1.5,則t=akp(0.9×1.5×160)=

18、0.068akp 當(dāng)b/a >3時(shí)，a=1.4,則t=akp(0.9×1.4×160)=0.07akp現(xiàn)列表1計(jì)算如下：表1區(qū)格a(mm)b(mm)b/akpN/mm2kpt(mm)191012301.350.5100.5440.52732.61291012301.350.4290.5540.48830.20391012301.350.4290.5640.49230.44491012301.350.4290.5730.49630.69591012301.350.4290.5830.50030.94691012301.350.4290.5930.50431.197910

19、12301.350.4290.6030.50931.50891012301.350.4290.6130.51331.74991012301.350.4290.6220.51731.991091012301.350.4290.6320.52132.241191012301.350.4290.6420.52532.491286012301.430.5390.6520.59334.68根據(jù)上表計(jì)算，選用面板厚度t=35mm2、面板與梁格的連接計(jì)算已知面板厚度t=35mm ,并且近似地取板中最大彎應(yīng)力max=160N/mm2,則面板局部擾曲時(shí)產(chǎn)生的垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向拉力P為：P=0.07tmax

20、 =0.07×35×160=392(N/mm )面板與主梁連接焊縫方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的剪力：T=VS2Io=4184600×426×35×22402×44429130000=1573(N/mm)面板與主梁連接的焊縫厚度： hf=P2+T20.7t=3922+15732(0.7×113)=20.5(mm) 角焊縫最小厚度：hf1.5t=1.5×35=8.9(mm)面板與梁格連接焊縫厚度取起最小厚度hf=21mm四、水平次梁，頂梁和底梁地設(shè)計(jì)1、荷載與內(nèi)力驗(yàn)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

21、壓力可按下式計(jì)算，即q=pa上+a下2現(xiàn)列表2計(jì)算如下表2梁號(hào)梁軸線處水壓力強(qiáng)度P（kN/mm2）梁間距（m）a上+a下2（m）q=pa上+a下2(kN/m)1(頂梁)5390.5075273.51.0152（主梁）548.91.015557.11.0153（水平次梁）558.91.015567.31.0154（主梁）568.81.015577.31.0155（水平次梁）578.81.015587.51.0156（主梁）588.71.015597.51.0157（水平次梁）598.71.015607.71.0158（主梁）608.61.015617.71.0159（水平次梁）618.61.01

22、5627.91.01510(主梁)628.51.015637.91.01511（水平次梁）638.51.015648.11.01512（主梁）648.40.990641.90.96513（底梁）657.90.4825317.4由列表計(jì)算后得q=7258.8kN/m根據(jù)上表計(jì)算，水平次梁計(jì)算荷載取648.1kN/m，水平次梁為6跨連續(xù)梁，跨度為1.24m，水平次梁彎曲時(shí)的邊跨彎距為: M次中0.072ql2=0.072×648.1×1.242=71.9(kN·m)支座B處的負(fù)彎距：M次B0.106ql2=0.106×648.1×1.24 2=10

23、5.4(kN·m)2、截面選擇W=M=105.4×106160=658750(mm3)考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選36a,由附錄三表4查得：A=6089mm2 ； Wx=659700mm3； Ix=118742000mm4； b1=96mm； d=9mm 面板參加次梁工作的有效寬度分別按下式計(jì)算，然后取其中較小值。 Bb1+60t=96+60×35=2196(mm) B=1b (對(duì)跨間正彎距段) B=2b （對(duì)支座負(fù)彎距段）按11號(hào)梁計(jì)算，梁間距b=b1+b22=1015+10152=1015(mm)對(duì)于第一跨中正彎距段 ：l0=0.8l=0.8

24、5;1240=992(mm)對(duì)于支座負(fù)彎距段：l0=0.4l0.4×1240496(mm) 根據(jù)l0/b查表7-1： 對(duì)于l0/b992/10150.997 得10.40，得B=1b406(mm) 對(duì)于l0/b496/10150.489 得20.16，得B=2b162.4(mm)對(duì)第一跨中選用B406mm,則水平次梁組合截面面積（如圖）:A=6089+406×35=21199(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線得距離:e=406×35×197.521199=132(mm)跨中組合截面的慣性距及截面模量為：I次中118742000+6089×132

25、2+406×35×65.52285801188(mm4)Wmin=285801188312=916029(mm2)對(duì)支座段選用B162.4mm，則組合截面面:A=6089+162.435=11773(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線得距e=162.4×35×197.511773=95(mm)支座初組合截面的慣性距及截面模量為：慣性距： I次中=118742000+6089×952+162.4×35×112.52=245633350(mm4) 截面模量：Wmin=245633350265=926918(mm2) 3.水平次梁的

26、強(qiáng)度驗(yàn)算 由于支座B處彎距最大，而截面模量較小，故只需驗(yàn)算支座B處截面的抗彎強(qiáng)度，即:次=M次BWmin=77.86×106916029=78.4Nmm2<=160(N/mm2)=M次中Wmin=105.4×106926918=113.7(Nmm2)<=160(Nmm2) 說(shuō)明水平次梁選用36a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=71.86kNm,則邊跨撓度可近似地按下式計(jì)算：l=5384ql3EI次-M次Bl16EI次 =5×

27、648.1×12403384×2.06×105×285801188-71.86×1016×124016×2.06×105×285801188 =0.000179l=1250=0.004故水平次梁選用36a度和剛度要求。五、主梁設(shè)計(jì)（一）設(shè)計(jì)資料（1）主梁跨度：凈跨（孔口凈寬）L07.0m ；計(jì)算跨度L7.44m；荷載跨度L1=7m；（2）主梁荷載：q=(9.8×55+9.8×67)×12(2×6)=1195.6(kN/m) （3）橫向隔板間距：1.24m （4）主梁

28、容許撓度：W=L/600 （二） 主梁設(shè)計(jì)1、截面選擇（1）彎距和剪力。彎距與剪力計(jì)算如下：彎距：Mmin=1195.6×72×7.442-74=8243.7(kN/m)剪力：Vmax=qL12=12×1195.6×7=4184.6(kN)（2）需要的截面抵抗距：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=0.9×160=144N/mm2 則需要的截面抵抗矩為：W=Mmax=8243.7×100144×0.1=57247.9(cm3)（3）腹板高度選擇：按剛度要求的最小梁高（變截

29、面梁）為：hmin=0.96×0.23LEL=0.96×0.23×144×102×7.44×1022.06×107×(1600)=70.3(cm)經(jīng)濟(jì)梁高：hec=3.1W25=3.1×57247.925=248(cm) 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hec為小，但不小于hmin?，F(xiàn)選用腹板厚度h0240cm 。（4）腹板厚度選擇tw=h11=24011=1.4(cm) 選用tw4cm（5）翼緣截面選擇：每個(gè)翼緣需要截面為A1=Wh0-twh06=57247.9240-4

30、×2406=78.5(cm2)下翼緣采用 t1=2cm（符合鋼板規(guī)格）需要b1=A1t1=78.52=39(cm)，選用b1=60cm（在h/2.5h/5=9648之間）。 上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t12cm， b114cm， 面板兼作主梁上翼緣的有效高度為Bb1+6014+60×3.5224(cm) 上翼緣截面面積A1=14×2.0+224×3.5=812(cm2 ) (6)彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算截面形心距：y1=Ay'A=1515581892=80.1(cm)截面慣性距：I=twh0312+Ay2=4

31、15;240312+10274177=14882177(cm4)截面抵抗距： 上翼緣頂邊Wmax=Iy1=1488217780.1=185795(cm3) 下翼緣底邊Wmin=Iy24=88902(cm3) 彎應(yīng)力：=MmaxWmin=8243.7×10088902=9.3<0.9×=0.9×16=14.4(kN/cm2) 表3部位截面尺寸（cmcm）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224×3.57841.751372-78.3

32、54812758上翼緣14×2284.5126-75.6160030腹板240×4960125.512048045.41978714下翼緣60×2120246.529580166.43322675合計(jì)189215155810274177（7）因主梁上翼緣直接同面板相連，可不必驗(yàn)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(yàn)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h0s=0.6h0=144cm。梁高開始改變的位置取在鄰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12410=114

33、cm考慮到主梁端部腹板及翼緣相焊接，故可按工字截面梁驗(yàn)算應(yīng)力剪力強(qiáng)度。尺寸表4所示：表4部位截面尺寸（cmcm）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224×3.57841.751372-40.851308278上翼緣14×2284.5126-38.140645腹板144×457677.54464043.9701573下翼緣60×2120150.518060107.91397089合計(jì)1508641983447585截面形心距：y1=641981508=42.6(cm

34、)截面慣性距：I0=3.5×144312+3447585=4442913(cm4)截面下半部對(duì)中和軸的面積距：S=120×107.9+106.92×42=35803(cm3)剪應(yīng)力：=VmaxSI0t=4184.6×358034442913×4=8.4(kN/cm2)<=9.5kN/cm23、翼緣焊縫翼緣焊縫厚度hf按受力最大的支承端截面計(jì)算。Vmax4184.6kN。I0=4442913cm4，上翼緣對(duì)中和軸的面積距：S1=784×40.8528×38.1=33093(cm3)下翼緣對(duì)中和軸的面積距：S2=120&#

35、215;107.912948(cm3)S1需要hf=VS11.4I0f=4184.6×330931.4×4442913×11.3=2cm=20(mm)角焊縫最小厚度hf1.5t=1.5×40=9.5(mm)全梁的上下翼緣焊縫都采用hf21mm 。4、腹板的加勁肋加勁肋的布置：因h0t=2404=60<80，故不需要設(shè)置橫向加勁肋。5、面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力的驗(yàn)算取面板區(qū)格12驗(yàn)算其長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力計(jì)算 my=kpa2t2=0.539×0.652×8602352=±212(N/mm2)mx=my=

36、7;0.3×212=±63.6(N/mm2)面板區(qū)格12的長(zhǎng)邊中點(diǎn)的主梁彎矩和彎應(yīng)力M=1195.6×3.5×3.1-1195.6×2.922=7944.8(kN·m)0x=MW=7944.8×106185.8×106=42.8(kN/mm2)該區(qū)格長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力zh=my2+mx+0x2-mymx+0x =2122+(63.6-42.8)2-212×(63.6-42.8)=202Nmm2<=1.55×160=248(N/mm2) 故面板厚度選用35mm滿足強(qiáng)度要求 。6、 橫隔板設(shè)計(jì)

37、1、荷載和內(nèi)力計(jì)算橫隔板同時(shí)兼作豎直次粱，主要承受水平次粱、底梁和頂梁傳來(lái)的集中荷載以及面板傳來(lái)的分布荷載，則每片橫隔板在上懸臂的最大負(fù)彎矩為：M=(9.8×55+9.8×56.015)×1.0152×1.24×1.0152=347.5(kN·m)2、橫隔板和截面選擇和強(qiáng)度驗(yàn)算腹板選用與主梁腹板同高，采用2400mm×20mm，上翼緣利用面板，下翼緣采用200mm×10mm的扁鋼，上翼緣可利用面板的寬度公式按式B2b確定其中b=1240mm,按l0/b=2×1.015/1.24=1.64,查表得20.46

38、 ，則B=0.46×1240=570mm，取B570mm 。計(jì)算如下圖所示截面幾何特性。截面型心到腹板中心線距離e=570×35×1222.5-200×10×1222.5570×35+2400×20+200×10=313(mm)截面慣性距：I=20×2400312+20×2400×3132+10×200×15182+35×570×904.52=4.867265899×1010(mm4)截面模量：Wmin=4.867265899×

39、;10101523=31958410(mm3)驗(yàn)算應(yīng)力：=MWmin=347.5×10631958410=10.8Nmm2<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 hf=1.520=6.7(mm)，選取hf8mm。七、縱向連接系 1、荷載和內(nèi)力計(jì)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(jì)算G=0.073K1K2K3A0.93Hs0.79×9.8=0.073×1×1×095×(7×12)0.93×670.79×9.8=1160(kN)則下游縱向連接系

40、承受0.4G=464KN縱向連接系視作平面簡(jiǎn)支桁架，其結(jié)點(diǎn)荷載為4646=77.33(kN)2、斜桿截面計(jì)算 斜桿承受的最大的拉力為305KN，同時(shí)考慮閘門偶然扭矩時(shí)可能造成的壓力，故細(xì) 長(zhǎng)比的限制應(yīng)該與壓桿相同。即=150 選用單角鋼L110×12，由附錄三表2查得： 截面面積A=25.2cm2 回轉(zhuǎn)半徑iy0 =21.5cm 斜桿計(jì)算長(zhǎng)度l0=0.9×1.0152+1.242+0.42=1.49(m)長(zhǎng)細(xì)比 =l0iy0=1.49×10321.5=69.3<=150 驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度=305×1032520=121Nmm2<0.85=133N

41、mm2八、邊梁設(shè)計(jì)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1460mm，上翼緣直接采用面板，下翼緣用150mm×20mm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(jì)時(shí)將容許應(yīng)力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲(chǔ)備。1、 荷載和內(nèi)力計(jì)算 滾輪采用等荷載布置，在每個(gè)邊梁上分別布置6個(gè)大小相等的主輪。每個(gè)主輪位于主梁后面。每個(gè)主輪受力為2092.3kN。具體計(jì)算根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器。最大彎矩Mmax=2092.3kN/m最大剪力Vmax=4184.6kN最大軸向力為作用在邊梁上的一個(gè)起吊力，估為23

42、00kN在最大彎矩作用截面上軸向力為：N=2300-4184.6×0.1=1881.5kN2、邊梁強(qiáng)度驗(yàn)算截面面積A=490×35+150×20×2+40×1460×2=140020(mm2)y1=700mm上半部分對(duì)中和軸的面積矩S1=35×490×(700-17.5)+40×(700-35)2=29393875(mm3)下半部分對(duì)中和軸的面積矩S2=2×150×20×1490-700+10+2×(1490-700)2×40÷2 =301110

43、00mm3截面慣性距： I=3.31176×1010(mm4)截面模量：W=I432=3.31176×1010432=76661049(mm3)截面邊緣最大應(yīng)力驗(yàn)算： =NA+MmaxW=1881.5×103140020+2092.3×10676661049 =13.4+27.3=40.7Nmm2<0.8=0.8×157=126(N/mm2)腹板最大剪應(yīng)力驗(yàn)算： =VmaxSmaxIt=41894.6×1032×301110003.31176×1010×40 =9.5Nmm2<0.8=0.8&

44、#215;95=76(N/mm2) 均滿足強(qiáng)度要求九、行走支承設(shè)計(jì)采用滑動(dòng)式滾輪支承，軸孔采用滑動(dòng)軸承，輪徑D=900mm,寬度b=150mm,輪軸直徑d=200mm,軸套工作長(zhǎng)度b1=250mm，；輪子材料用ZG35GrlMo.滾輪驗(yàn)算圓柱形滾輪與平面軌道接觸應(yīng)力： max=0.418PlEbR=209300×2.06×105150×450 =1056Nmm23fy=3×390=1170Nmm2Pl：一個(gè)輪子的計(jì)算壓力，N ；b、R：輪緣寬度和輪半徑，mm；E：材料的彈性模量，N/mm2；fy：屈服強(qiáng)度，N/mm2。軸和軸套間接觸應(yīng)力：cg=Pldb1

45、=2092300250×200=41.8Nmm2cg=50Nmm2d：軸的直徑，mm；b1：軸套的工作長(zhǎng)度，mm；cg：滑動(dòng)軸套的容許應(yīng)力，N/mm2。輪軸與軸承板間局部承壓應(yīng)力cj=Ndt=1046000200×80=65Nmm2cj=80Nmm2N：軸承板所受的壓力（N=Pl/2），N；t：軸承板疊總厚度，mm；cj：容許應(yīng)力，N/mm2。以上計(jì)算均滿足強(qiáng)度要求。十、軌道設(shè)計(jì)滾輪荷載R=2092.3kN, 混凝土為C25,其h=9N/mm。軌道材料為35Mn2,軌道選I56c,由附錄三表4查得：Wx=2551400mm3； Ix=714300000mm4； b=170m

46、m； tw=16.5mm ；h=560mm1、軌道底板混凝土承壓應(yīng)力：a=3.33EIxEhb=3.33206000×71430000030000×170=17725(mm)h=Pab=209230017725×170=0.7Nmm2h=9Nmm2 2、軌道局部承壓應(yīng)力：a1=3.33Ixtfb=3.3381840016.5=1158.7(mm)cd=Pa1tfb=20923001158.7×16.5=109.4Nmm2cd=150Nmm2 故滿足要求。十一、止水布置方式側(cè)向止水采用P型橡皮，頂止水采用P型橡皮，底止水采用條形橡皮，布置方式如圖十二、埋固

47、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(hù)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。 側(cè)止水座 底止水座 十三、閘門啟閉力閘門自重G=1160kN滾動(dòng)摩擦阻力 Tzd=WfkRR1d+1=50215×0.145×4020+1=335(kN)止水摩阻力 Tzs=2fbhp=2×0.65×0.06×12×559.5(kN)上托力Pt=0KN閉門力T閉=1.2TZd+Tzs-0.9G=1.2×335+559.5-0.9×1160=29.4kN<G起門力計(jì)算下吸力Px=20×7×0.016=2.3kN則啟門力為：T啟=1.1G+1.2TZd+Tzs+Px=1.1×1160+1.2×335+55