蓼葉水利工程溢洪道弧形鋼閘門設(shè)計(jì)計(jì)算書

1、目 錄1 計(jì)算目的與要求12 設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容13 設(shè)計(jì)依據(jù)14 基本資料和結(jié)構(gòu)布置34.1 基本參數(shù)34.2 基本結(jié)構(gòu)布置44.3 荷載計(jì)算44.4 面板弧長64.5 主框架位置75 結(jié)構(gòu)計(jì)算75.1 面板75.2 水平次梁85.3 中部垂直次梁（隔板）115.4 邊梁145.5 主框架145.6 面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力146 啟閉力的計(jì)算236.1 閘門閉門力的計(jì)算236.2 閘門啟門力的計(jì)算247 閘門支鉸的計(jì)算247.1 荷載計(jì)算247.2 鉸軸計(jì)算257.3 鉸鏈與支臂的連接計(jì)算267.4 鉸座計(jì)算27溢洪道弧形閘門計(jì)算稿1 計(jì)算目的與要求 本項(xiàng)目屬于技施階段，通過對(duì)該結(jié)構(gòu)

2、的穩(wěn)定、強(qiáng)度及應(yīng)力計(jì)算，為繪制施工圖提供依據(jù)。2 設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容（1）框架內(nèi)力分析（2）框架結(jié)構(gòu)計(jì)算（3）零部件的選定及啟閉力計(jì)算3 設(shè)計(jì)依據(jù)1）水庫特性指標(biāo)正常蓄水位： 500.00m正常蓄水位以下庫容： 1492萬m3設(shè)計(jì)洪水位： 500.44m校核洪水位： 501.70m總庫容： 1629萬m3（校核洪水對(duì)應(yīng)庫容）死水位： 474.00m死庫容： 327萬m3調(diào)節(jié)庫容： 1165萬m32） 材料容重混 凝 土： 24kN/m3鋼筋混凝土： 25kN/m3鋼材容重： 78.5kN/m3 漿砌石： 23kN/m3水： 10kN/m33） 地質(zhì)參數(shù)大壩壩型為面板堆石壩，主堆石區(qū)以中下部強(qiáng)風(fēng)化或弱

3、風(fēng)化巖體作為基礎(chǔ)持力層，次堆石區(qū)以強(qiáng)風(fēng)化巖體為基礎(chǔ)持力層。趾板應(yīng)放在弱風(fēng)化巖體中下部。根據(jù)各階段壩區(qū)巖石取樣試驗(yàn)，并結(jié)合重慶地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，提出建基面巖石力學(xué)性質(zhì)建值議如下：強(qiáng)風(fēng)化砂巖承載力為0.4MPa，C=0.1MPa，f=0.35；強(qiáng)風(fēng)化泥巖承載力為0.3MPa，C=0.05MPa，f=0.3；弱風(fēng)化砂巖承載力為1.5MPa，C=0.45MPa，f=0.75，E0=3.0GPa；弱風(fēng)化泥巖承載力為0.6MPa，C=0. 2MPa，f=0.5，E0=0.5GPa。邊坡開挖采用坡率法：第四系覆蓋層及全風(fēng)化帶巖石為1：1.5；強(qiáng)風(fēng)化帶巖石為1：1.0；弱風(fēng)化帶巖石為1：0.5。對(duì)順層面滑移變形體

4、建議清除或錨固處理。4) 設(shè)計(jì)安全系數(shù) 抗剪斷公式：基本荷載組合 K3.00特殊荷載組合 K2.505）規(guī)范、規(guī)程 混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SL228-98）碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SL274-2001）混凝土面板堆石壩施工規(guī)范（SL49-94）溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范（SL253-2000）水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（SL/T191-96）水力計(jì)算手冊水力學(xué) 水工混凝土施工規(guī)范（DL/T5144-2003）水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范（DL/T5013-95）4 工程布置4.1 基本參數(shù)孔口形式：露頂式； 孔口寬度：9.0m；底檻高程：494.00m；正常高水位（設(shè)計(jì)洪水位）：500.440m； 設(shè)計(jì)水頭：

5、6.44m；閘門高度：6.5m；孔口數(shù)量：1孔；操作條件：動(dòng)水啟閉；吊點(diǎn)間距：6.5m；啟閉機(jī)：前拉式固定卷揚(yáng)機(jī)。4.2 基本結(jié)構(gòu)布置閘門采用斜支臂雙主橫梁式焊接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)布置圖見圖4-1?；￠T半徑R=9.0m，支鉸高度H2=4.2m。垂直向設(shè)置三道實(shí)腹板式隔板及兩道邊梁，區(qū)格間距為2.25m，邊梁距閘門面板邊線為0.3m；水平向除上、下主梁及頂、底次梁外，還設(shè)置了5根水平次梁，其中上主梁以上布置1根，兩主梁之間布置4根。支鉸采用圓柱鉸，側(cè)水封為“L”行橡皮水封，底水封為“刀”形橡皮水封。在閘門底主梁靠近邊梁的位置設(shè)置兩個(gè)吊耳，與啟閉機(jī)吊具通過吊軸相連接。采用2×160kN固定式卷

6、揚(yáng)機(jī)操作。本閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按SL74-95水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行。門葉結(jié)構(gòu)材料采用Q235，支鉸材料為鑄鋼ZG310-570。材料容許應(yīng)力（應(yīng)力調(diào)整系數(shù)0.95）：Q235第1組：= 150MPa， = 90MPa；第2組：= 140MPa，= 85MPa；ZG310-570：= 140MPa，= 105MPa。4.3 荷載計(jì)算閘門在關(guān)閉位置的靜水壓力，由水平水壓力和垂直水壓力組成，如圖4-2所示。水平水壓力：(kN)垂直水壓力：圖4-1 主橫梁式弧形閘門結(jié)構(gòu)簡圖（單位：mm）圖4-2 靜水壓力式中：=(6.44-4.2)/9=0.249,所以=14.412°=4.2/9=0.

7、467,所以=27.818°=42.23°=0.737°=sin55.636°=0.825=-sin13.406°=-0.232=sin42.23°=0.672=-sin6.703°=-0.117故 =457.82(kN)總水壓力： =1921.6(kN)總水壓力作用方向：=457.8/1866.3=0.2453所以 =13.783°4.4 面板弧長閘門門葉垂直高度為6.5m，支鉸中心水平線以上弧形面板包角為=14.807°總水壓力作用線上、下的弧長L上、L下分別為L上=0.01745 = 0.01745

8、×9.0×（14.807+13.783）= 4.490（m）L下=0.01745 = 0.01745×9.0×（2）= 2.204（m）面板總弧長L總為L總= L上+ L下 = 4.49+2.204 = 6.694（m）4.5 主框架位置根據(jù)等荷載原則，閘門上、下主梁與支臂組成的主框架平面布置應(yīng)與總水壓力作用線對(duì)稱，使兩框架受力均勻。兩主梁之間的弧長為3.925m，上、下主框架之間的夾角為，即=180×3.925/28.274=24.987°所以 =12.494°上、下框架與水平線的夾角（負(fù)號(hào)表示位于水平線的上方）為=13.

9、783-12.494=1.289°=13.783+12.494=26.277°5 結(jié)構(gòu)計(jì)算5.1 面板面板厚度按下列公式初選，并按表5-1計(jì)算。式中：為彈塑性薄板支承長邊中點(diǎn)彎曲應(yīng)力系數(shù)；為彈塑性調(diào)整系數(shù)（b/a3時(shí)，=1.4；b/a3時(shí)，=1.5）；為面板計(jì)算區(qū)格中心的壓力強(qiáng)度，N/mm2；a、b為面板計(jì)算區(qū)格的短邊和長邊長度，mm，從面板與主（次）梁的連接焊縫算起；為鋼材的抗彎容許應(yīng)力。表5-1 面板厚度計(jì)算表區(qū)格abb/akyq(mm)(mm)(N/mm2)(N/mm3)(mm)1120022501.88 0.4930.0063 1.51504.4 211802250

10、1.91 0.4930.0188 1.51507.6 368522503.28 0.50.0289 1.41505.7 471522503.15 0.50.0368 1.41506.7 571522503.15 0.50.0446 1.41507.4 671522503.15 0.50.0525 1.41508.0 771522503.15 0.50.0603 1.41508.6 8129225017.44 0.50.0656 1.41501.6 注 主梁前翼緣寬度取100mm，次梁前翼緣寬度取70mm。根據(jù)表5-1的計(jì)算結(jié)果，面板厚度選定為=10mm。5.2 水平次梁荷載及內(nèi)力水平次梁荷載按

11、“近似取相鄰間距和之半法”計(jì)算單位寬度荷載，見表5-2。表5-2 水平次梁荷載計(jì)算表頂次梁次梁底次梁12345承載寬度（弧長）（m）0.450 1.575 1.325 0.810 0.810 0.810 0.130 中心水壓（KN/m2）2.3 12.4 26.9 37.6 45.7 53.8 58.5 水壓力（KN/m）1.0 19.5 35.6 30.4 37.0 43.5 7.6 全部次梁及頂、底次梁采用同一截面，按其中最大荷載的一根次梁（次梁5）進(jìn)行計(jì)算。水平次梁按受均布荷載的六跨連續(xù)梁計(jì)算，其計(jì)算簡圖見圖5-1。圖5-1 水平次梁計(jì)算簡圖（單位：m）水平次梁參數(shù)為： =43.5kN/

12、m， =2.25m。最大支座彎矩： =0.106×43.5×2.252 =23.3（kN·m）最大跨中彎矩： =0.078×43.5×2.252 =17.2（kN·m）最大剪力： =0.606×43.5×2.25=59.3（kN）次梁支座處截面特性次梁選用18a，參數(shù)如下：=25.69cm2；=0.7cm；=1272.7cm3，=6.8cm，=1.05cm。面板參與次梁作用的有效寬度：（cm）根據(jù)/查得=0.34，則（cm）次梁截面如圖5-2所示，其截面特性為圖5-2 次梁截面尺寸（單位：cm）（cm2）（cm3）

13、（cm）（cm4）（cm3）（cm3）=152（cm3）應(yīng)力計(jì)算彎曲應(yīng)力：(MPa)(MPa) 剪應(yīng)力：(MPa) 最大跨中撓度：(mm) (mm)5.3 中部垂直次梁（隔板）中部隔板按兩端懸臂簡支梁計(jì)算，其計(jì)算簡圖見圖5-3。圖5-3 豎直次梁計(jì)算簡圖（單位：m）荷載及內(nèi)力荷載：（kN /m）（kN /m）（kN /m）（m），（m），（m），（m)支座反力：（kN）（kN）剪力：（kN）（kN）（kN）（kN）彎矩：（kN·m）（kN·m）跨中最大彎矩位置： 解得 （m）（kN/m）（kN·m）截面特性（跨中截面）面板參與隔板作用的有效寬度，m。查表得：，則

14、（m）又 （cm）根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果選取面板有效寬度為60cm，隔板截面尺寸見圖5-4，截面特性如下：圖5-4 隔板截面尺寸（單位：cm）（cm2）（cm3）（cm） （cm4）（cm3）（cm3）（cm3）應(yīng)力驗(yàn)算：彎曲應(yīng)力：(MPa)(MPa) 剪應(yīng)力：(MPa) 5.4 邊梁邊梁受力情況與中部垂直隔板相同，計(jì)算省略。 5.5 主框架荷載上、下主框架對(duì)稱于總水壓力作業(yè)線布置，上、下主框架之間的夾角為（，見前面的計(jì)算），則每個(gè)框架上的靜水荷載為（kN）式中的1.1為動(dòng)載系數(shù)。啟門力在主框架上產(chǎn)生的力為（kN/m）式中：為每側(cè)因鋼絲繩拉力引起的壓力；為每側(cè)鋼絲繩所受拉力，即每側(cè)啟門力；為鋼絲繩在

15、弧面上的包角。主梁上的均布荷載為（kN/m）框架內(nèi)力.1主梁斷面初選。面板參與主梁作用的有效寬度（下主梁）為，cm。 查表得：，則 （cm）又 （cm）所以面板有效寬度取B=74cm。主梁截面尺寸見圖5-5，截面特性如下：圖5-5 主梁跨中截面尺寸（單位：cm）（cm2）（cm3）（cm） （cm4）（cm3）（cm3）.2支臂截面初選（圖5-6）。支臂截面特性：圖5-6 支臂截面尺寸（單位：cm）（cm3）（cm4）（cm4）（cm3）.3框架計(jì)算（圖5-7）：圖5-7 框架結(jié)構(gòu)簡圖（單位：mm） 所以 （mm）（mm）（mm）（mm）（mm） 支臂扭角（圖5-8）：圖5-8 支臂扭角.4框

16、架內(nèi)力。圖5-9所示為主框架在水壓力作用下的荷載示意圖和彎矩圖。圖5-9 主框架荷載及內(nèi)力分析圖根據(jù)前面的計(jì)算，跨中均布荷載kN/m。內(nèi)力計(jì)算如下：（kN） =120.5（kN）（kN）（kN·m）（kN·m）（kN·m）（kN·m）框架應(yīng)力驗(yàn)算5.5.3.1主橫梁：跨中截面應(yīng)力。跨中截面正應(yīng)力按下式計(jì)算： 前翼緣： (MPa)后翼緣： (MPa) 支座截面特性。面板參與主梁作用的有效寬度，則 查表得：，則 （cm）又 （cm）所以面板有效寬度取B=64cm。主梁截面尺寸見圖5-10，截面特性如下：圖5-10 主梁跨中截面尺寸（單位：cm）（cm2）（c

17、m3）（cm） （cm4）（cm3）（cm3） （cm3） 支座截面應(yīng)力。正應(yīng)力： 前翼緣： (MPa)后翼緣： (MPa) 剪應(yīng)力： （kN） (MPa)主梁局部穩(wěn)定性計(jì)算。支座處：80所以，主梁支座處可以不配置橫向加勁肋板。但為了支臂傳力均勻，一般均按構(gòu)造要求設(shè)置有橫向肋板。.2支臂：彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定驗(yàn)算： 偏心率： 長細(xì)比： (cm) (cm) 根據(jù) ， 查表得 ，則 (MPa)彎矩作用平面外的穩(wěn)定驗(yàn)算： 其中近似地取 長細(xì)比： 其中 =400cm。 (cm) 根據(jù) ， 查表得 ，則 (MPa).3支臂與主橫梁連接計(jì)算（圖5-11）：圖5-11 主梁與支臂的連接螺栓的最大拉力： 其中

18、； ，螺栓每排數(shù)量為8；間距為0.1m，所以；，代入上式，得： （kN）又螺栓選用M30，A=6.16cm2，則 (MPa)抗剪板焊縫： (MPa) 其中焊縫高度 =1.2cm，焊縫長度 =30cm。6 啟閉力的計(jì)算閘門采用前拉式起吊形式，啟閉機(jī)采用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。總水壓力為 P=1921.6KN,軸套采用MGA，阻力系數(shù)為0.3，阻力臂 =0.155m，彎矩為 =0.3×1921.6×0.155 =89.4（kN·m）側(cè)止水采用L形弧形閘門橡皮止水，其摩擦系數(shù)為0.5，彎矩為 =0.5×10×（6.694×0.06×6.

19、44/2）×2×9.03 =116.8（kN·m）門葉重量及阻力臂參數(shù)如下：面板 =5000kg，力臂 =9.0m；主梁、水平次梁及隔板等 =5000kg，力臂 =8.4m；支臂 =6000kg，力臂 =5.2m。6.1 閘門閉門力的計(jì)算 =1.2×（89.4+116.8）-0.9×（50×9+50×8.4+60×5.2） =-816.36（kN·m）所以，閘門可以靠自重關(guān)閉。6.2 閘門啟門力的計(jì)算 總的阻力矩為 =1.2×（89.4+116.8）+0.9×（50×9+50×8.4+60×5.2） =1311.24（kN·m） =146（kN）式中： 為啟閉力軸線到支鉸轉(zhuǎn)動(dòng)中心的垂直距離， = 9 m。啟閉機(jī)容量選擇為2×100KN。7 閘門支鉸的計(jì)算閘門支鉸采用圓柱鉸，軸經(jīng)為180mm，鉸鏈和鉸座材料采用ZG270-500，軸采用Q345A，軸套采用MG