潜孔式钢闸门课程设计计算书...doc

水工钢闸门课程设计计算书

一． 设计资料
(1)闸门型式：提升式平面钢闸门（潜孔式）
(2)孔口尺寸（宽×高）：10.0×5.0m2
(3)上游水位：▽27.5m
(4)下游水位：无
(5)闸底高程：▽20.0m
(6)胸墙底高程：▽25.0m
(7)启闭设备：电动固定式启闭机
(8)闸门所用材料：
门叶承重钢结构：Q235.B钢
焊 条：E43型
行走支承：采用滚轮，材料为铸钢ZG45
止水橡皮：顶止水，侧止水——P形橡皮；底止水——条形橡皮
(9)制造条件：金属结构制造厂制造，手工电焊，满足Ⅲ级焊缝质量检验标准。
(10) 采用的规范：《水利水电工程钢闸门设计规范SL74—95》
二．闸门结构的型式及布置
(1)闸门尺寸的确定
闸门总宽：

L0 ——孔口宽度
d ——行走支承到闸墙边缘的距离(0.2m)
La ——边梁两腹板中到孔中距离(0.4m)
b ——边梁下翼缘宽度(0.2m)

闸门高度：
H=胸墙底高程-闸底高程+△H
（安装顶止水构造要求取△H=0.3m）

闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：

闸门的计算跨度：

(2)主梁的数目型式及位置。

主梁数目：采用双主梁
主梁形式：单轴对称工字形截面焊接组合梁
主梁位置：根据等荷载原则，两根主梁的位置应对称于水压力合力的作用线，且应满足：
且且
且（式中H取闸门止水压力作用高度，取孔口高度+100mm）
计算yc简图如图3所示

取yc=2.2m

取，则：

(3)梁格的连接型式及布置
梁格采用复式布置和齐平连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支承。水平次梁为连续梁，其间距应上疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁格布置具体尺寸如图4所示：

(4)联结系的布置和形式
横向联结系。根据主梁的跨度，决定布置3道横隔板，其间距为2.5m，横隔板兼作竖直次梁。
纵向联结系。采用斜杆式桁架，布置在2根主梁下翼缘的竖平面内。
(5)边梁与行走支承
变量选用双腹板型式，行走支承采用滚轮式，且D=600mm，滚轮位置沿门高布置按等荷载原则，采用筒支定轮。
三、版面设计
根据《水利水电工程钢闸门设计规范SL74—95》关于版面的计算，先估算面板厚度，在主（次）梁截面选择之后再验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。
1.估算版面的厚度。
初步布置梁格尺寸如图4所示，面板厚度按下式计算

当时，，则
当时，，则
现将计算结果列于下表：
区格

Ⅰ
800
2590
3.24
0.75
0.0244
0.135
7.24
Ⅱ
780
2590
3.32
0.5
0.0330
0.129
6.72
Ⅲ
740
2590
3.50
0.5
0.0415
0.144
7.14
Ⅳ
680
2590
3.81
0.5
0.0492
0.157
7.15
Ⅴ
620
2590
4.18
0.5
0.0563
0.168
6.97
Ⅵ
570
2590
4.54
0.5
0.0631
0.178
6.78
Ⅶ
500
2590
5.18
0.75
0.0695
0.228
7.65
注：1.t的最终确定。任意两个区格的厚度之差满足；
2.面板边长a，b都从面板与梁格的连接焊缝算起；
3.区格Ⅰ、Ⅶ系数按三边固定一边简支查得。
根据表1计算结果，选用面板厚度。
2.面板与梁格的连接焊缝计算
面板局部弯曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力Nt按下式计算

已知，并且近似取板中最大弯应力，，则：

面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为（主梁的最大剪力及相应的截面特性S及I见后）
四．水平次梁、顶梁和底梁的设计。
1.荷载与内力计算
水平次梁和顶、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上的水压力的计算式为：q=p(a上a下)/2

计算列于表2.
梁号
轴线水压PkPa
梁间距(m)
(a上+a下)/2
q
备注
1

12.12
顶梁荷载按下图计算

0.87
2
28.62
0.885
25.33
0.9
3
37.44
0.865
32.39
0.83
4
45.57
0.79
36.00
0.75
5
52.92
0.72
38.10
0.69
6
59.68
0.69
41.18
0.69
7
66.44
0.655
43.52
0.62
8
72.52
0.36
26.11
0.10
根据表2计算结果，水平次梁荷载取43.52kN/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.5m，如图5所示

水平次梁的跨中的正弯矩为M次中=0.077ql²=20.94kN·m
支座B处的负弯矩为：MB次=0.107ql²=29.10kN·m
2.截面选择

考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选[20a，查得：

面板参加次梁翼缘工作的有效宽度分别按式(8-15)及式(8-16)计算，然后取其中较小值。
式(8-15)中

式(8-16)中
跨间正弯矩段

对支座负弯矩段

按7号梁计算，该梁平均间距b=655mm，对于等跨中正弯矩段，弯矩零点之间距离：

对于支座负弯矩处，弯矩零点间距离：

根据表8-1得：
得 ，
得 ，
对第一跨中选用，则水平次梁的组合截面面积为：

组合截面形心到槽钢中心线距离：
跨中截面的惯性矩及截面模量为：
I次中=17800000+2880*632+552*8*412=36654016mm4
Wmin=I次中/ymax=224871mm3
对支座选用，则
组合截面形心到槽钢中心线距离
支座处的截面参数：
I次B=17800000+2880*452+278*8*592=31373744mm4
Wmin=I次B/ymax=216370mm3

3.水平次梁强度验算
因支座B处弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即：

满足强度要求。轧成梁的剪应力一般很小，故不再验算。

4.水平次梁的挠度验算
水平次梁为受均布荷载的四跨连续梁，最大挠度发生在边跨，可按式(8-14)计算。

满足刚度要求

5.顶梁和底梁

顶梁和底梁也采用和中间次梁相同的截面，故也选[20a。

五．主梁设计
（一）已知条件
(1)主梁跨度
计算跨度
荷载跨度
(2)主梁荷载：
(3)横隔板间距：2.5m
主梁容许挠度：
（二）主梁设计
1.截面选择
(1)主梁的内力计算，计算式为：

(2)需要的截面抵抗矩，已知钢材Q235B的容许应力，初估翼缘厚度为第一组钢材，考虑闸门自重引起的附加应力影响，取容许应力为，则所需的截面抵抗矩为：

(3)腹板高度h0选择。为减小门槽宽度，主梁采取变梁高形式，则按刚度要求的最小梁高为：
经济两高为：
选用
(4)腹板的厚度选择。由经验公式：
，选用
(5)翼缘截面的选择。每个翼缘所需截面积为：
下翼缘选用，则需要 选用（在25~50cm之间）
上翼缘的部分面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，
选用 。

面板兼作主梁上翼缘的有效宽度B可按下列二者计算，然后取其较小值。

下主梁与相邻两水平次梁的平均间距较小，其值为
由，查表8-1得
，则
故面板可利用的有效宽度为62cm，则主梁上翼缘总面积为

(6)弯应力强度验算：主跨中截面如图所示，截面形心矩为：

截面惯性矩为：

截面抵抗矩为：

弯应力：

满足要求
(7)整体稳定与挠度验算，因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）规定可不必验算其整体稳定性，又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。
2.截面改变
因主梁跨度较大，为节约钢材，同时为减小门槽宽度，决定降低主梁端部高度，如图所示，取主梁支承端腹板高度为：

梁开始改变的位置取在邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧，若隔板的下翼缘宽取为200mm，则梁高改变位置离开支承的距离为2500-200/2=2400mm

剪切强度验算：若主梁端部的腹板及翼缘都分别与支承边梁的腹板及翼缘焊接，可按工字型截面来验算剪切应力强度。主梁支承端的截面参数计算如下：
截面形距：
截面惯性矩：
截面上半部分对中和轴的面积矩：
则
3.翼缘焊缝
翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算，最大剪力
截面惯性矩
上翼缘对中和轴的面积矩：
下翼缘对中和轴的面积矩：
需要
角焊缝的最小厚度
则主梁上下翼缘焊缝全长均取。
4.腹板的加劲肋和局部稳定验算
加劲肋的布置：因为，故需要设置横向加劲肋，以保证腹板的局部稳定性，因闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋，其间距a=2500mm。腹板区格划分如图所示，梁高较大的区格按验算
格区Ⅱ左边截面的剪力：

该截面的弯矩：

腹板边缘的弯曲压应力：
查表5-9得
由 查表5-10得
所以
故在区段Ⅱ的横隔板之间不必再增设加劲肋。
再从剪力最大的区格Ⅰ来考虑：
该区格的腹板平均高度：
因，需要设置横向加劲肋，现按式(5-59)进行验算
区格Ⅰ左边截面的剪力：
该截面弯矩
腹板边缘的弯曲压应力
查表5-9得
由 得 有
所以
故在该区段Ⅰ之间也不必再设加劲肋。
六、面板参加主（次）梁工作的折算应力验算
主（次）梁截面选定后，还需按式（8-4）验算面板的局部弯曲与主（次）梁整体弯曲的折算应力，由图6可知，因水平次梁的截面很不对称，面板参加水平次梁翼缘整体弯曲的应力次与其参与主梁翼缘工作的整体弯曲应力主要小得多。故只需要验算面板参加主梁工作时的折算应力。由前文的面板计算可知，直接与主梁相应的面板区格只有区格Ⅶ所需的板厚较大，这就意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取图4中区格Ⅶ按式8-4验算。
面板区格Ⅶ在长边中点的局部弯应力为：

对应于面板区格Ⅶ的长边中点的主梁弯矩和弯应力为：

面板区格Ⅶ的长边中点的折算应力为：
故面板厚选用8mm，满足强度要求。

七．横隔板设计

横隔板同时兼作竖直次梁，主要承受水平次梁、顶梁和底梁传递的集中荷载和面板传递的分布荷载，计算时可把这些荷载以梯形分布的水压力来代替（图11），横隔板按支承在主梁上的双悬臂梁计算，则每道横隔板在悬臂的最大弯矩为：

横隔板的腹板选用与主梁腹板相近，采用。上翼缘利用面板，下翼缘采用的扁钢。上翼缘可以利用的面板宽度按式计算。其中横隔板平均间距，按查表8-1得 则，取验算，如图12所示，截面参数为：
截面形心到腹板中心线的距离：

弯应力验算：
由于横隔板的截面高度较大，剪应力强度不必验算。
横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度。
八．纵向联结系设计
纵向联结系承受闸门自重，潜孔式平面滚轮闸门的自重可按附录五估算即：

下游面纵向联结系按承受计算。纵向联结系按支承边梁上的简支平面桁架设，其腹杆布置形式如图13所示，节点荷载为，杆件内力计算如图13所示。

斜杆承受最大拉力N=29.93kN，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故其长细比的限值取与压杆相同即。
选用单角钢∟100×6，由附表3-8查得

斜杆的计算长度
长细比
拉杆长度验算

0.85为考虑单角钢受力偏心影响的容许应力折减系数。
九．边梁设计
边梁的截面形式采用双腹式（图14），边梁的截面尺寸按构造要求确定，截面高度与主梁端部高度相同，腹板厚度与主梁厚度相同。

在闸门每侧两边梁中间各设两个滚轮，其布置尺寸如图15。

边梁所承受的水平荷载主要是主梁传来的支座反力及水平次梁顶底梁传递的水平荷载。为了简化计算，可假设这些荷载完全由主梁传给边梁。每根主梁作用于边梁的集中荷载
边梁所受的竖向荷载包括：闸门自重、支承摩擦阻力、止水摩擦力、起吊力等，如图15所示，可计算得滑块所受压力：

边梁最大弯矩
最大剪力
最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，计算式如下：

其中，闸门自重
支承摩擦阻力
式中
滚轮半径，滚轴半径

故
止水摩阻力
式中：橡皮止水与钢板间摩擦系数，受压宽度取
每边侧止水受压长度
侧止水平均压强
故
根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-1995），下游无水时不计下吸力，
则闸门启门力为：

则起吊力为
取最大轴向力
边梁的强度验算：
截面面积：
截面形心矩为：
截面上部分面积矩：
界面下部分面积矩：
截面惯性矩：
截面抵抗矩：
界面边缘最大应力

式中0.8为考虑到边梁为闸门的重要受力构件，且受力复杂，故将容许应力降低20%作为考虑受扭等影响的安全储备，一下计算相同。

由于腹板与下翼缘连接处，所以其折算应力：