模板潜孔式平面钢闸门设计.docx

　　　　　水利水电工程钢结构课程设计
目录
一、设计资料及有关规定·············································2
二、闸门结构的形式及布置···········································2
三、面板设计·······················································3
四、水平次梁、顶梁和底梁地设计·····································4
五、主梁设计·······················································7
六、横隔板设计····················································10
七、纵向连接系····················································11
八、边梁设计······················································11
九、行走支承设计··················································13

十、 轨道设计·····················································14
十一、止水布置方式················································14
十二、埋固构件····················································15
十三、闸门启闭力··················································15
十四、闸门的启闭机械··············································15

一、设计资料及有关规定
1、闸门形式：潜孔式平面钢闸门
2、孔口尺寸（宽×高）：5.0m×5.0m
3、上游水位：45m
4、下游水位：0m
5、闸底高程：0m
6、启闭方式：电动固定式启闭机
7、材料： 钢结构：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
8、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。
9、规范：《水利水电工程钢闸门设计规范 SL 1974-2005》
二、闸门结构的形式及布置
1、闸门尺寸的确定
闸门高度：顶止水△H=0.2m，故闸门高度5.2m
闸门的荷载跨度为两止水的间距：5.0m
闸门计算跨度：5+2×0.2=5.4(m)
设计水头：45m

2、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=5m,闸门高度h=5m,L

4、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，其间距应均匀，以减少计算量。
5、连接系的布置与形式
（1）横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置5道横隔板，其间距为1.24m，横隔板兼作竖直次粱。
（2）纵向连接系，采用斜杆式桁架。
三、面板设计
根据《钢闸门设计规范S74—95》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=akp(0.9ασ)
当b/a≤3时，a=1.5,则
t=akp(0.9×1.5×160)=0.068akp
当b/a >3时，a=1.4,则
t=akp(0.9×1.4×160)=0.07akp
现列表1计算如下：
表1
区格
a(mm)
b(mm)
b/a
k
p[N/mm2]
kp
t(mm)
1
910
1230
1.35
0.510
0.544
0.527
32.61
2
910
1230
1.35
0.429
0.554
0.488
30.20
3
910
1230
1.35
0.429
0.564
0.492
30.44

4
910
1230
1.35
0.429
0.573
0.496
30.69
5
910
1230
1.35
0.429
0.583
0.500
30.94
6
910
1230
1.35
0.429
0.593
0.504
31.19
7
910
1230
1.35
0.429
0.603
0.509
31.50
8
910
1230
1.35
0.429
0.613
0.513
31.74
9
910
1230
1.35
0.429
0.622
0.517
31.99
10
910
1230
1.35
0.429
0.632
0.521
32.24
11
910
1230
1.35
0.429
0.642
0.525
32.49
12
860
1230
1.43
0.539
0.652
0.593
34.68

根据上表计算，选用面板厚度t=35mm

2、面板与梁格的连接计算
已知面板厚度t=35mm ,并且近似地取板中最大弯应力σmax=[σ]=160N/mm2,则面板局部扰曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力P为：
P=0.07tσmax =0.07×35×160=392(N/mm )
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：
T=VS2Io=4184600×426×35×22402×44429130000=1573(N/mm)
面板与主梁连接的焊缝厚度：
hf=P2+T20.7τtω=3922+15732(0.7×113)=20.5(mm)
角焊缝最小厚度：
hf≥1.5t=1.5×35=8.9(mm)
面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度hf=21mm
四、水平次梁，顶梁和底梁地设计
1、荷载与内力验算
水平次梁和顶、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力可按下式计算，即
q=pa上+a下2

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）
a上+a下2
（m）
q=pa上+a下2
(kN/m)
1(顶梁)
539

0.5075
273.5
1.015
2（主梁）
548.9
1.015
557.1
1.015
3（水平次梁）
558.9
1.015
567.3
1.015
4（主梁）
568.8
1.015
577.3
1.015
5（水平次梁）
578.8
1.015
587.5
1.015
6（主梁）
588.7
1.015
597.5
1.015
7（水平次梁）
598.7
1.015
607.7
1.015
8（主梁）
608.6
1.015
617.7
1.015
9（水平次梁）
618.6
1.015
627.9
1.015
10(主梁)
628.5
1.015
637.9
1.015
11（水平次梁）
638.5
1.015
648.1
1.015
12（主梁）
648.4
0.990
641.9
0.965
13（底梁）
657.9
0.4825
317.4

由列表计算后得
∑q=7258.8kN/m
根据上表计算，水平次梁计算荷载取648.1kN/m，水平次梁为6跨连续梁跨度为1.24m，水平次梁弯曲时的边跨弯距为:
M次中＝0.072ql2=0.072×648.1×1.242=71.9(kN·m)
支座B处的负弯距：
M次B＝0.106ql2=0.106×648.1×1.24 2=105.4(kN·m)

2、截面选择
W=M[σ]=105.4×106160=658750(mm3)
考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选［36a,由附录三表4查得：
A=6089mm2 ； Wx=659700mm3； Ix=118742000mm4； b1=96mm； d=9mm
面板参加次梁工作的有效宽度分别按下式计算，然后取其中较小值。
B≤b1+60t=96+60×35=2196(mm)
B=ξ1b (对跨间正弯距段)
B=ξ2b （对支座负弯距段）
按11号梁计算，梁间距
b=b1+b22=1015+10152=1015(mm)
对于第一跨中正弯距段 ：l0=0.8l=0.8×1240=992(mm)
对于支座负弯距段：l0=0.4l＝0.4×1240＝496(mm)
根据l0/b查表7-1：
对于l0/b＝992/1015＝0.997 得ξ1＝0.40，得B=ξ1b＝406(mm)
对于l0/b＝496/1015＝0.489 得ξ2＝0.16，得B=ξ2b＝162.4(mm)
对第一跨中选用B＝406mm,则水平次梁组合截面面积（如图）:
A=6089+406×35=21199(mm2)
组合截面形心到槽钢中心线得距离:
e=406×35×197.521199=132(mm)
跨中组合截面的惯性距及截面模量为：
I次中＝118742000+6089×1322+406×35×65.52
＝285801188(mm4)
Wmin=285801188312=916029(mm2)
对支座段选用B＝162.4mm，则组合截面面:
A=6089+162.435=11773(mm2)
组合截面形心到槽钢中心线得距
e=162.4×35×197.511773=95(mm)
支座初组合截面的惯性距及截面模量为：
惯性距：
I次中=118742000+6089×952+162.4×35×112.52=245633350(mm4)
截面模量：
Wmin=245633350265=926918(mm2)

3.水平次梁的强度验算
由于支座B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=M次BWmin=77.86×106916029=78.4Nmm2<σ=160(N/mm2)
σ=M次中Wmin=105.4×106926918=113.7(Nmm2)<[σ]=160(Nmm2)
说明水平次梁选用[36a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=71.86kN∙m,则边跨挠度可近似地按下式计算：
ωl=5384ql3EI次-M次Bl16EI次 =5×648.1×12403384×2.06×105×285801188-71.86×1016×124016×2.06×105×285801188 =0.000179≤ωl=1250=0.004
故水平次梁选用[36a度和刚度要求。
五、主梁设计
（一）设计资料
（1）主梁跨度：净跨（孔口净宽）L0＝7.0m ；计算跨度L＝7.44m；荷载跨度L1=7m；
（2）主梁荷载：q=(9.8×55+9.8×67)×12(2×6)=1195.6(kN/m)
（3）横向隔板间距：1.24m
（4）主梁容许挠度：[W]=L/600
（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：
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钢的容许应力[σ]=160N/mm2，考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力[σ]=0.9×160=144N/mm2 则需要的截面抵抗矩为：
W=Mmax[σ]=8243.7×100144×0.1=57247.9(cm3)
（3）腹板高度选择：按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为：
hmin=0.96×0.23[σ]LE[ωL]=0.96×0.23×144×102×7.44×1022.06×107×(1600)=70.3(cm)
经济梁高：hec=3.1W25=3.1×57247.925=248(cm)
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＝240cm 。
（4）腹板厚度选择
tw=h11=24011=1.4(cm) 选用tw＝4cm
（5）翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为
A1=Wh0-twh06=57247.9240-4×2406=78.5(cm2)
下翼缘采用 t1=2cm（符合钢板规格）
需要b1=A1t1=78.52=39(cm)，选用b1=60cm（在h/2.5~h/5=96~48之间）。
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＝2cm， b1＝14cm，
面板兼作主梁上翼缘的有效高度为B＝b1+60δ＝14+60×3.5＝224(cm)
上翼缘截面面积A1=14×2.0+224×3.5=812(cm2 )
(6)弯应力强度验算
截面形心距：
y1=Ay'A=1515581892=80.1(cm)
截面惯性距：
I=twh0312+Ay2=4×240312+10274177=14882177(cm4)
截面抵抗距：
上翼缘顶边
Wmax=Iy1=1488217780.1=185795(cm3)
下翼缘底边
Wmin=Iy2=14882177167.4=88902(cm3)
弯应力：
σ=MmaxWmin=8243.7×10088902=9.3<0.9×σ=0.9×16=14.4(kN/cm2)
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
224×3.5
784
1.75
1372
-78.35
4812758
上翼缘
14×2
28
4.5
126
-75.6
160030
腹板
240×4
960
125.5
120480
45.4
1978714
下翼缘
60×2
120
246.5
29580
166.4
3322675
合计

1892

151558

10274177

（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。
2、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h0s=0.6h0=144cm。梁高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，离开支承端的距离为124－10=114cm
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：

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
224×3.5
784
1.75
1372
-40.85
1308278
上翼缘
14×2
28
4.5
126
-38.1
40645
腹板
144×4
576
77.5
44640
43.9
701573
下翼缘
60×2
120
150.5
18060
107.9
1397089
合计

1508

64198

3447585

截面形心距：
y1=641981508=42.6(cm)
截面惯性距：
I0=3.5×144312+3447585=4442913(cm4)
截面下半部对中和轴的面积距：
S=120×107.9+106.92×42=35803(cm3)
剪应力：
τ=VmaxSI0tω=4184.6×358034442913×4=8.4(kN/cm2)<τ=9.5kN/cm2
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＝4184.6kN。I0=4442913cm4，
上翼缘对中和轴的面积距：S1=784×40.85＋28×38.1=33093(cm3)
下翼缘对中和轴的面积距：S2=120×107.9＝12948(cm3)﹤S1
需要
hf=VS11.4I0[τfω]=4184.6×330931.4×4442913×11.3=2cm=20(mm)
角焊缝最小厚度hf≥1.5t=1.5×40=9.5(mm)
全梁的上下翼缘焊缝都采用hf＝21mm 。
4、腹板的加劲肋
加劲肋的布置：因h0tω=2404=60<80，故不需要设置横向加劲肋。
5、面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算
取面板区格12验算其长边中点的折算应力计算
σmy=kpa2t2=0.539×0.652×8602352=±212(N/mm2)
σmx=μσmy=±0.3×212=±63.6(N/mm2)
面板区格12的长边中点的主梁弯矩和弯应力
M=1195.6×3.5×3.1-1195.6×2.922=7944.8(kN·m)
σ0x=MW=7944.8×106185.8×106=42.8(kN/mm2)
该区格长边中点的折算应力
σzh=σmy2+σmx+σ0x2-σmyσmx+σ0x =2122+(63.6-42.8)2-212×(63.6-42.8)=202Nmm2<ασ=1.55×160=248(N/mm2)
故面板厚度选用35mm满足强度要求 。
六、 横隔板设计
1、荷载和内力计算
横隔板同时兼作竖直次粱，主要承受水平次粱、底梁和顶梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为：
M=9.8×55+9.8×56.015)×1.0152×1.24×1.0152=347.5(kN·m)
2、横隔板和截面选择和强度验算
腹板选用与主梁腹板同高，采用2400mm×20mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm×10mm的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式B＝ξ2b确定其中b=1240mm,按l0/b=2×1.015/1.24=1.64,查表得ξ2＝0.46 ，则B=0.46×1240=570mm，取B＝570mm 。计算如下图所示截面几何特性。

截面型心到腹板中心线距离
e=570×35×1222.5-200×10×1222.5570×35+2400×20+200×10=313(mm)

截面惯性距：
I=20×2400312+20×2400×3132+10×200×15182+35×570×904.52=4.867265899×1010(mm4)
截面模量：
Wmin=4.867265899×10101523=31958410(mm3)
验算应力：
σ=MWmin=347.5×10631958410=10.8Nmm2<[σ]
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=1.520=6.7(mm)，选取hf＝8mm。
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=0.073K1K2K3A0.93Hs0.79×9.8=0.073×1×1×095×(7×12)0.93×670.79×9.8=1160(kN)
则下游纵向连接系承受0.4G=464KN
纵向连接系视作平面简支桁架，其结点荷载为
4646=77.33(kN)
2、斜杆截面计算
斜杆承受的最大的拉力为305KN，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λ≤λ=150
选用单角钢L110×12，由附录三表2查得：
截面面积A=25.2cm2 回转半径iy0 =21.5cm
斜杆计算长度l0=0.9×1.0152+1.242+0.42=1.49(m)
长细比 λ=l0iy0=1.49×10321.5=69.3<λ=150
验算拉杆强度
σ=305×1032520=121Nmm2<0.85σ=133Nmm2
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1460mm，上翼缘直接采用面板，下翼缘用150mm×20mm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，在每个边梁上分别布置6个大小相等的主轮。每个主轮位于主梁后面。
每个主轮受力为2092.3kN。具体计算根据结构力学求解器。
最大弯矩Mmax=2092.3kN/m
最大剪力Vmax=4184.6kN
最大轴向力为作用在边梁上的一个起吊力，估为2300kN
在最大弯矩作用截面上轴向力为：N=2300-4184.6×0.1=1881.5kN

2、边梁强度验算
截面面积A=490×35+150×20×2+40×1460×2=140020(mm2)
y1=700mm
上半部分对中和轴的面积矩
S1=35×490×(700-17.5)+40×(700-35)2=29393875(mm3)
下半部分对中和轴的面积矩
S2=2×150×20×1490-700+10+2×(1490-700)2×40÷2 =30111000mm3
截面惯性距：
I=3.31176×1010(mm4)
截面模量：
W=I432=3.31176×1010432=76661049(mm3)
截面边缘最大应力验算：
σ=NA+MmaxW=1881.5×103140020+2092.3×10676661049 =13.4+27.3=40.7Nmm2<0.8σ=0.8×157=126(N/mm2)
腹板最大剪应力验算：
τ=VmaxSmaxItω=41894.6×1032×301110003.31176×1010×40 =9.5Nmm2<0.8τ=0.8×95=76(N/mm2)
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=900mm,宽度b=150mm,轮轴直径d=200mm,轴套工作长度b1=250mm，；轮子材料用ZG35GrlMo.

滚轮验算
圆柱形滚轮与平面轨道接触应力：
σmax=0.418PlEbR=209300×2.06×105150×450 =1056Nmm2≤3fy=3×390=1170Nmm2
Pl：一个轮子的计算压力，N ；b、R：轮缘宽度和轮半径，mm；
E：材料的弹性模量，N/mm2；fy：屈服强度，N/mm2。
轴和轴套间接触应力：
σcg=Pldb1=2092300250×200=41.8Nmm2≤σcg=50Nmm2
d：轴的直径，mm；b1：轴套的工作长度，mm；
[σcg]：滑动轴套的容许应力，N/mm2。
轮轴与轴承板间局部承压应力
σcj=Ndt=1046000200×80=65Nmm2≤σcj=80Nmm2
N：轴承板所受的压力（N=Pl/2），N；∑t：轴承板叠总厚度，mm；[σcj]：容许应力，N/mm2。
以上计算均满足强度要求。

十、轨道设计
滚轮荷载R=2092.3kN, 混凝土为C25,其[σh]=9N/mm。轨道材料为35Mn2,轨道选I56c,由附录三表4查得：
Wx=2551400mm3； Ix=714300000mm4； b=170mm； tw=16.5mm ；h=560mm
1、轨道底板混凝土承压应力：
a=3.33EIxEhb=3.33206000×71430000030000×170=17725(mm)
σh=Pab=209230017725×170=0.7Nmm2≤σh=9Nmm2
2、轨道局部承压应力：
a1=3.33Ixtfb=3.3381840016.5=1158.7(mm)
σcd=Pa1tfb=20923001158.7×16.5=109.4Nmm2≤σcd=150Nmm2
故满足要求。
十一、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、闸门启闭力
闸门自重G=1160kN
滚动摩擦阻力
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
闭门力T闭=1.2TZd+Tzs-0.9G=1.2×335+559.5-0.9×1160=29.4kN 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-125/1258*
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

QPKY系列快速闸门液压启闭机机座

液压缸结构图

课程设计成绩评定表

学习态度（15）
技术水平与实际能力（25）
说明书、图纸质量（60）

总成绩评定：

指导教师签名： 年 月 日

- 19 -