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：C307313.21010.410.0二、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: 10.4m2 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,L3时，a=1.55,则t=a=0.067现列表1计算如下：区格a(mm)b(mm)b/akpt199520702.0800.6830.5930.63643.1299520702.0800.4970.6040.54835.4399520702.0800.4970.6150.55335.7499520702.0800.4970.6260.57835.7599520702.0800.4970.6370.56336.1699520702.0800.4970.6470.56736.3799520702.0800.4970.6580.57236.7899520702.0800.4970.6690.57736.9999520702.0800.4970.6800.58137.21099520702.0800.4970.6910.58637.611109020702.0800.4970.7020.59137.91290020702.0800.4970.7120.61942.1 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max=160N/mm2,则p=0.0744160=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600.350.55330.201.1 2水平次梁611.001.1672.11.13（主梁）622.001.1684.21.14（水平次梁）633.001.1696.3 1.15（主梁）644.001.1708.41.16（水平次梁）655.001.1720.5 1.1 7（主梁）666.001.1732.61.18（水平次梁）677.001.1744.71.19（主梁）688.001.1756.81.110（水平次梁）6991.1768.9 1.111（主梁）7101.1781.01.112水平次梁（）721.000.975793.1 0.8513（底梁）728.50.4225409.2 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=0.077793.12.082=246.2kNm 支座B处的负弯距：M次B0.107ql2=0.107793.12.082=366.31kNm 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611及式612计算，然后取其中较小值。 式：611 Bb1+60t=170+6044=2810mm ; 式：612 B=1b (对跨间正弯距段) B=2b （对支座负弯距段） 。 梁间距b= 。 对于第一跨中正弯距段l0=0.8l=0.82080=1644mm ;对于支座负弯距段l0=0.4l0.42080832mm 。根据l0/b查表61： 对于l0/b1664/11101.499 得10.58 ，得B=1b0.581110634mm , 对于l0/b832/11100.430 得20.750 ，得B=2b0.161110255.3mm ,对第一跨中选用B634mm取640mm,则水平次梁组合截面面积（例图4）:20756064044A=157.78+644.4=439.38cm2 ;组合截面形心到槽钢中心线得距离：207e=207mm ; 跨中组合截面的惯性距及截面模量为：I次中71430+157.7820.72+644.49.52164451.4cm4Wmin=640对支座段选用B260mm，则组合截面面积：A=1578.8+264.4=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：44I次B71430+157.7813.462+264.416.82131682.25cm4Wmin= 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=22.0248kNm,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）lo10m ；计算跨度l10.4m ；荷载跨度l113.2m 。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=145N/mm2 ,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力= 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h0300cm 。(4)腹板厚度选择选用tw1.5cm 。(5)翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为下翼缘选用t18.0cm（符合钢板规格），需要取B190cm,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t18cm，b180cm，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为Bb1+60t16+604.4344cm 。上翼缘截面面积A1=808+3444.4=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（cmcm）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3444.41513.62.23329.9-99.9815129946.21 上翼缘14X81128.42688 - 93.7 2809500.8腹板3001.5450162.47308060.31636240.5下翼缘908720316.4227808214.333065632合计3003.6306905.952641320.3（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（cmcm）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344.1.41513.62.23329.9-71.37694673.2上翼缘1481128.42688-66.9501268.32腹板18061080102.411059227.14795505下翼缘908720196.4 141408121.110558951.2合计3425.6258017.919550398.66 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。Vmax8589.5kN。I0=22466398.66cm4，上翼缘对中和轴的面积距：S1=1513.671.3+1.266.9=115412.48cm3，下翼缘对中和轴的面积距：S2=720121.186472cm3S1,需要角焊缝最小，。全梁的上下翼缘焊缝都采用hf28mm 。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a2.08m 。腹板区格划分见图2。5.取面板区格验算其长边点的折算应力 面板区格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qq次2.横隔板和截面选择和强度验算1261740240200x20200x20腹板选用与主梁腹板同高，采用300060mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm20mm的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式B1b 确定。 查表得10.418 ，B=0.4182080=869.44mm，取B870mm 。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hf6mm 。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 / 液压缸支承型式或 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）1QPKY-60/60-8*60608.0100509.99/9.99Vg=3.08.5Vq=0.251.02QPKY-80/80-8*80808.01106010.39/10.393QPKY-100/100-8*1001008.01256310.7/10.74QPKY-125/125-8*1251258.01407010.6/10.65QPKY-160/160-8*1601608.0160709.7/9.76QPKY-200/200-8*2002008.01809010.29/10.297QPKY-250/250-8*2502508.020010010.4/10.48QPKY-320/320-11.5*32032011.522010010.33/10.339QPKY-400/400-11.5*40040011.525011010.0/10.010QPKY-500/250-11.5*50025011.530012010.39/5.2811QPKY-630/320-11.5*63032011.530012010.39/5.2812QPKY-800/400-11.5*80040011.532014012.1/6.0513QPKY-1000/500-11.5*100050011.532014015.09/7.5514QPKY-1250/630-11.5*125063011.534015016.76/8.415QPKY-1600/800-11.5*160080011.536015018.65/9.3316QPKY-2000/1000-11.5*200010011.540015018.16/9.117QPKY-2500/1250-11.5*2500125011.5*450*18018.4/9.2*18QPKY-3200/1600-123200160012.045022026.5/13.2519QPKY-4000/2000-14.54000200014.550025027.1/13.620QPKY-4500/2500-15.04500250015.056028024.4/13.521QPKY-5000/2500-16.05000250016.060030023.6/11.822QPKY-6300/3150-16.06300315016.063030026.2/13.123QPKY-8000/4000-17.08000400017.071035026.7/13.3524QPKY-10000/5000-17.010000500017.080035024.6/12.3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18