水工钢结构钢闸门课程设计.doc

水工刚结构潜孔式焊接平面钢闸门设计计算书
一、设计资料及有关规定：
闸门形式：潜孔式平面钢闸门
孔口净宽：10m
孔口净高：13m
上游水位：73m
下游水位：0.1m
闸底高程：0m
启闭方式：电动固定式启闭机
启闭机械：液压式启闭机
材料： 钢材：Q235-A.F；
焊条：E43型；
行走支承：采用滚轮支承；
止水橡皮：侧止水和顶止水用P型橡皮，底止水用条型橡皮。
制造条件： 金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足III级焊缝质量检验标准
规范：《水利水电工程刚闸门设计规范 SL 1974-2005》
混凝土强度等级：C30
73
13.2
10
10.4
10.0

二、闸门结构的形式及布置

（一） 闸门尺寸的确定（图1示）
1 闸门孔口尺寸：
孔口净跨：10m
孔口净高：13m
闸门高度: 13.2m
闸门宽度: 10.4m
荷载跨度: 13.2m
计算跨度: 10.4m
2 计算水头:73m
（二）主梁的布置
1.主梁的数目及形式
主梁是闸门的主要受力构件，其数目主要取决于闸门的尺寸。因为闸门跨度L=10m,闸门高度h=13m,L<h。所以闸门采用5根主梁。本闸门属中等跨度，为了便于制造和维护，决定采用实腹式组合梁。
2.主梁的布置
本闸门为高水头的深孔闸门，孔口尺寸较小，门顶与门底的水压强度差值相对较小。所以，主梁的位置按等间距来布置。设计时按最下面的那根受力最大的主梁来设计，各主梁采用相同的截面尺寸。
3.梁格的布置及形式
梁格采用复式布置与等高连接，水平次梁穿过横隔板所支承。水平梁为连续梁，间距应上疏下密，使面板个区格需要的厚度大致相等，布置图2示

三、面板设计
根据《钢闸门设计规范SDJ—78（试行）》关于面板的设计，先估算面板厚度，在主梁截面选择以后再验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。
1.估算面板厚度
假定梁格布置尺寸如图2所示。面板厚度按下式计算
t=a
当b/a≤3时，a=1.65,则t=a=0.065
当b/a >3时，a=1.55,则t=a=0.067

现列表1计算如下：
区格
a(mm)
b(mm)
b/a
k
p

t
1
995
2070
2.080
0.683
0.593
0.636
43.1
2
995
2070
2.080
0.497
0.604
0.548
35.4
3
995
2070
2.080
0.497
0.615
0.553
35.7
4
995
2070
2.080
0.497
0.626
0.578
35.7
5
995
2070
2.080
0.497
0.637
0.563
36.1
6
995
2070
2.080
0.497
0.647
0.567
36.3
7
995
2070
2.080
0.497
0.658
0.572
36.7
8
995
2070
2.080
0.497
0.669
0.577
36.9
9
995
2070
2.080
0.497
0.680
0.581
37.2
10
995
2070
2.080
0.497
0.691
0.586
37.6
11
1090
2070
2.080
0.497
0.702
0.591
37.9
12
900
2070
2.080
0.497
0.712
0.619
42.1

根据上表计算，选用面板厚度t=44mm 。
2.面板与梁格的连接计算
已知面板厚度t=44mm ,并且近似地取板中最大弯应力σmax=[σ]=160N/mm2,则
p=0.07х44х160=492.8N/mm ,
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内地应力：
T＝=
面板与主梁连接的焊缝厚度：
，
面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度。
四、水平次梁，顶梁和底梁地设计
1.荷载与内力地验算
水平次梁和顶，底梁都时支承在横隔板上地连续梁，作用在它们上面的水压力可
按下式计算，即
q=p
现列表2计算如下：
表2

梁号
梁轴线处水压力强度P
（kN/mm2）

梁间距（m）

（m）
q=p
(kN/m)
1顶梁
600.35

0.55
330.20
1.1
2水平次梁
611.00
1.1
672.1
1.1
3（主梁）
622.00
1.1
684.2
1.1
4（水平次梁）
633.00
1.1
696.3
1.1
5（主梁）
644.00
1.1
708.4
1.1
6（水平次梁）
655.00
1.1
720.5
1.1
7（主梁）
666.00
1.1
732.6
1.1
8（水平次梁）
677.00
1.1
744.7
1.1
9（主梁）
688.00
1.1
756.8
1.1
10（水平次梁）
699
1.1
768.9
1.1
11（主梁）
710
1.1
781.0
1.1
12水平次梁（）
721.00
0.975
793.1
0.85
13（底梁）
728.5
0.4225
409.2

KN
根据上表计算，水平次梁计算荷载取793.1kN/m，水平次梁为5跨连续梁，跨度为2.08m，水平次梁弯曲时的边跨弯距为: M次中＝0.077ql2=0.077х793.1х2.082=246.2kN∙m

支座B处的负弯距：
M次B＝0.107ql2=0.107х793.1х2.082=366.31kN∙m
2.截面选择
W=mm3
考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选［56C由附录三表四查得：
A=157.78cm2 ; Wx=2.551mm3 ; Ix=71430cm4 ; b1=170mm ; d=16.5mm 。
面板参加次梁工作的有效宽度分别按式6—11及式6—12计算，然后取其中较小值。
式：6—11 B≤b1+60t=170+60Х44=2810mm ;
式：6—12 B=ζ1b (对跨间正弯距段)
B=ζ2b （对支座负弯距段） 。
梁间距b= 。 对于第一跨中正弯距段l0=0.8l=0.8Х2080=1644mm ;对于支座负弯距段l0=0.4l＝0.4Х2080＝832mm 。
根据l0/b查表6—1：
对于l0/b＝1664/1110＝1.499 得ζ1＝0.58 ，得B=ζ1b＝0.58Х1110＝634mm ,
对于l0/b＝832/1110＝0.430 得ζ2＝0.750 ，得B=ζ2b＝0.16Х1110＝255.3mm ,
对第一跨中选用B＝634mm取640mm,则水平次梁组合截面面积（例图4）:
207
560
640
44

A=157.78+64Х4.4=439.38cm2 ;
组合截面形心到槽钢中心线得距离：

207
e==207mm ;
跨中组合截面的惯性距及截面模量为：
I次中＝71430+157.78Х20.72+64Х4.4Х9.52＝164451.4cm4
Wmin=
640
对支座段选用B＝260mm，则组合截面面积：A=1578.8+26Х4.4=271.58cm2 ;
组合截面形心到槽钢中心线得距离：
e==133.85mm
支座初组合截面的惯性距及截面模量为：
44
I次B＝71430+157.78Х13.462+26Х4.4Х16.82＝131682.25cm4
Wmin=
3.水平次梁的强度验算
由于支座B处（例图3）处弯距最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即
σ次＝
说明水平次梁选用[56c满足要求。
轧成梁的剪应力一般很小，可不必验算。
4.水平次梁的挠度验算
受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在便跨，由于水平次梁在B支座处截面的弯距已经求得M次B=22.0248kN∙m,则边跨挠度可近似地按下式计算：

＝
＝0.0002025≤
故水平次梁选用[56c满足强度和刚度要求。
5,顶梁和底梁
顶梁和底梁受得水压力都比较大，所以都采用[56c

五、主梁设计
(一)设计资料
1）主梁跨度：净跨（孔口净宽）lo＝10m ；计算跨度l＝10.4m ；荷载跨度l1＝13.2m 。
2）主梁荷载： 3) 横向隔板间距： 2.07m 。
4）主梁容许挠度： [W]=L/750 。
（二）主梁设计
1.截面选择
（1） 弯距和剪力 弯距与剪力计算如下：
弯距：
剪力：
需要的截面抵抗距 已知A3钢的容许应力[σ]=145N/mm2 ,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力[σ]= 则需要的截面抵抗矩为；
[ W]=
（3）腹板高度选择 按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为：
经济梁高：
由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比hec为小，但不小于hmin。现选用腹板厚度h0＝300cm 。
(4)腹板厚度选择
选用tw＝1.5cm 。
(5)翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为

下翼缘选用t1＝8.0cm（符合钢板规格），需要取B1＝90cm,上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的翼缘板同面板相连，选用t1＝8cm，b1＝80cm，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为B＝b1+60t＝16+60Х4.4＝344cm 。

上翼缘截面面积A1=80Х8+344Х4.4=2153.6cm2 。
(6)弯应力强度验算
截面形心距：

截面惯性距：
截面抵抗距：上翼缘顶边

下翼缘底边
弯应力：安全
表3

部位
截面尺寸
（cmХcm）
截面面积A(cm2)
各型心离面板表面距离y′（cm）
Ay′
（cm3）
各型心离中和轴距离
y=y′-y1(cm)
Ay2
(cm4)
面板部分
344Х4.4
1513.6
2.2
3329.9
-99.98
15129946.21
上翼缘
14X8
112
8.4
2688
- 93.7
2809500.8
腹板
300Х1.5
450
162.4
73080
60.3
1636240.5
下翼缘
90Х8
720
316.4
227808
214.3
33065632
合计

3003.6

306905.9

52641320.3
（7）因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体稳定性，因梁高大于按高度要求
的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。
1. 截面改变
因主梁跨度较大，为减小门槽宽度与支承边梁高度（节约钢材），有必要将主梁承端腹板高度减小为。考虑到主梁端部腹板及翼缘相焊接，故可按工字截面梁验算应力剪力强度。尺寸表4所示：
180
表4

部位
截面尺寸
（cmХcm）
截面面积A(cm2)
各型心离面板表面距离y′（cm）
Ay′
（cm3）
各型心离中和轴距离
y=y′-y1(cm)
Ay2
(cm4)
面板部分
344.Х1.4
1513.6
2.2
3329.9
-71.3
7694673.2
上翼缘
14Х8
112
8.4
2688
-66.9
501268.32
腹板
180Х6
1080
102.4
110592
27.14
795505
下翼缘
90Х8
720
196.4
141408
121.1
10558951.2
合计

3425.6

258017.9

19550398.66

截面下半部对中和轴的面积矩:
因误差未超过10％，安全
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。Vmax＝8589.5kN。I0=22466398.66cm4，
上翼缘对中和轴的面积距：S1=1513.6Х71.3+1.2Х66.9=115412.48cm3，
下翼缘对中和轴的面积距：S2=720Х121.1＝86472cm3<S1,
需要
角焊缝最小，。
全梁的上下翼缘焊缝都采用hf＝28mm 。
4.加筋肋验算
因<80不需设置横向加劲肋。闸门上已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距a＝2.08m 。腹板区格划分见图2。
5.取面板区格Ⅲ验算其长边点的折算应力

面板区格Ⅲ的长边中点的主梁弯距和弯应力

该区格长边中点的折算应力

＝

故面板厚度选用44mm满足强度要求 。
六、横隔板设计
1.荷载和内力计算
如图所示水平次梁为5跨均布连续梁，R可看作它所受的最大剪力，由规范表查知：作用于竖直次梁上由水平荷载传递的集中荷载：
取q＝q次

2.横隔板和截面选择和强度验算
126
1740
240
200x20
200x20
腹板选用与主梁腹板同高，采用3000Х60mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mmХ20mm的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式B＝ζ1b 确定。 查表得ζ1＝0.418 ，
B=0.418×2080=869.44mm，取B＝870mm 。计算如下图所示截面几何特性截面型心到腹板
3000x60
中心线距离： ＝24CM截面惯性距：
870x44
，
验算应力：

由于横隔板截面高度较大，剪切强度更不必验算，横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度hf＝6mm 。
七、纵向连接系
1.荷载和内力计算
纵向连接系承受闸门自重。潜孔式平面钢闸门门叶自重按下式计算
G=
=
则下游纵向连接系承受0.4G=679.4KN
纵向连接系视作平面简支桁架，如图8所示
纵向连接系视作平面简支桁架，其结点荷载为

2.斜杆截面计算
斜杆承受的最大的拉力为366.8KN，同时考虑闸门偶然扭矩时可能造成的压力，故细 长比的限制应该与压杆相同。即
选用单角钢L100X16，由附录三表2查得：

截面面积A=30.1cm2 回转半径iy0 =2.19cm
斜杆计算长度l=3.05m 长细比
验算拉杆强度
八、边梁设计
由于深孔大孔口，行走支承采用滚轮式。所以这里用双腹式组合边梁。
边梁的截面尺寸按构造要求确定，梁高850mm，上翼缘直接采用面板，下翼缘用
200mmX40mm的扁钢做成。腹板厚度40mm。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，做设计时将容许应力值降低20%作为考虑受扭影响的安全储备。

1、 荷载和内力计算

滚轮采用等荷载布置，在每个主梁上分别布置6个大小相等的主轮。
每个主轮受力为8589KN。具体计算根据结构力学求解器。
最大弯矩Mmax=4723.95
最大剪力Vmax=4294KN

最大轴向力为作用在边梁上的一个起吊力，估为1699X2=3398KN
在最大弯矩作用截面上轴向力为：N=3398-8589X0.1=2540KN

2.边梁强度验算
截面面积
=74mm
上半部分对中和轴的面积矩

下半部分对中和轴的面积矩

。
截面边缘最大应力验算：

腹板最大剪应力验算：

均满足强度要求

九、行走支承设计
采用滑动式滚轮支承，轴孔采用滑动轴承，轮径D=1600mm,宽度b=200mm,轮轴直径d=300mm,轴套工作长度b1=180mm，；轮子材料用ZG35GrlMo.

滚轮验算：

胶木轴套内径d1=240+0.5x2=241mm
胶木轴套外径d2=240+25=265mm
则
以上计算均满足强度要求。

十、 止水布置方式
侧向止水采用P型橡皮，顶止水采用P型橡皮，底止水采用条形橡皮，
布置方式如图

十一、闸门启闭力
闸门自重G=1176KN
滑动摩擦阻力
止水摩阻力
上托力Pt=0KN
闭门力
起门力计算
下吸力

WX=0 KN
则启门力为：

十二、埋固构件
门槽的埋固构件主要有：行走支承的轨道、与止水橡皮相接触的型钢、为保护门槽和孔口边棱处的混凝土免遭破坏所设置的加固角钢等。

侧止水座 底止水座
十三、轨道设计
滚轮荷载R=4294KN,轨道材料为35Mn2,轨道截面尺寸如图所示：

（1）轨道底板混凝土承压应力：

二期混凝土为C30,其=11（N/mm）
(2)轨道横断面弯曲应力：

故满足要求。

十四、闸门的启闭机械
由于启闭力T=4600KN3000KN，故采用液压式启闭机。查资料如下
QPKY系列——平面快速闸门液压启闭机
QPKY系列液压启闭机共14种规格，适用于水利水电工程水轮发电机机组进口、调压井下游快速事故闸门的启闭，也可用于一般平面事故闸门启闭，本系列液压缸按闸门利用水柱压力或部分加重可关闭孔口而无需投运油泵电机组的条件进行设计。
型号表示方法
Q P K Y □/□—□—□
液压缸支承型式Ⅰ或Ⅱ
行程（m）
启门力（KN）
持住力（KN）
液压传动
快速关闭
平面闸门
启闭机
　　　　　　　　　 表
QPKY系列快速闸门液压启闭机基本参数
序号
参数
型号
持住力
Fg（KN）
启门力
Fq（KN）
最大行程
Lman
（m）
缸内径
D
（mm）
活塞杆直径
d
(mm）
缸内计算压力
Fg/ Fq
（MPa）
速度
Vg/Vq（m/min）
1
QPKY-60/60-8*
60
60
8.0
100
50
9.99/9.99
Vg=
3.0～8.5
Vq=
0.25～1.0
2
QPKY-80/80-8*
80
80
8.0
110
60
10.39/10.39
3
QPKY-100/100-8*
100
100
8.0
125
63
10.7/10.7
4
QPKY-125/125-8*
125
125
8.0
140
70
10.6/10.6
5
QPKY-160/160-8*
160
160
8.0
160
70
9.7/9.7
6
QPKY-200/200-8*
200
200
8.0
180
90
10.29/10.29
7
QPKY-250/250-8*
250
250
8.0
200
100
10.4/10.4
8
QPKY-320/320-11.5*
320
320
11.5
220
100
10.33/10.33
9
QPKY-400/400-11.5*
400
400
11.5
250
110
10.0/10.0
10
QPKY-500/250-11.5*
500
250
11.5
300
120
10.39/5.28
11
QPKY-630/320-11.5*
630
320
11.5
300
120
10.39/5.28
12
QPKY-800/400-11.5*
800
400
11.5
320
140
12.1/6.05
13
QPKY-1000/500-11.5*
1000
500
11.5
320
140
15.09/7.55
14
QPKY-1250/630-11.5*
1250
630
11.5
340
150
16.76/8.4
15
QPKY-1600/800-11.5*
1600
800
11.5
360
150
18.65/9.33
16
QPKY-2000/1000-11.5*
2000
100
11.5
400
150
18.16/9.1
17
QPKY-2500/1250-11.5*
2500
1250
11.5*
450*
180
18.4/9.2*
18
QPKY-3200/1600-12
3200
1600
12.0
450
220
26.5/13.25
19
QPKY-4000/2000-14.5
4000
2000
14.5
500
250
27.1/13.6
20
QPKY-4500/2500-15.0
4500
2500
15.0
560
280
24.4/13.5
21
QPKY-5000/2500-16.0
5000
2500
16.0
600
300
23.6/11.8
22
QPKY-6300/3150-16.0
6300
3150
16.0
630
300
26.2/13.1
23
QPKY-8000/4000-17.0
8000
4000
17.0
710
350
26.7/13.35
24
QPKY-10000/5000-17.0
10000
5000
17.0
800
350
24.6/12.3
注：*为修改后的数据
根据该闸门的启闭力t=4082KN，选用型号QPKY-10000/5000-17.0由河北省华水重工机械厂制造
QPKY系列快速闸门液压启闭机机座

液压缸结构图

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