蓼叶水利工程溢洪道弧形钢闸门设计计算书.doc

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1、目 录1 计算目的与要求12 设计计算容13 设计依据14 基本资料和结构布置34.1 基本参数34.2 基本结构布置44.3 荷载计算44.4 面板弧长64.5 主框架位置75 结构计算75.1 面板75.2 水平次梁85.3 中部垂直次梁（隔板）115.4 边梁145.5 主框架145.6 面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力146 启闭力的计算236.1 闸门闭门力的计算236.2 闸门启门力的计算247 闸门支铰的计算247.1 荷载计算247.2 铰轴计算257.3 铰链与支臂的连接计算267.4 铰座计算27溢洪道弧形闸门计算稿1 计算目的与要求 本项目属于技施阶段，通过对该结构的

2、稳定、强度及应力计算，为绘制施工图提供依据。2 设计计算容（1）框架力分析（2）框架结构计算（3）零部件的选定及启闭力计算3 设计依据1）水库特性指标正常蓄水位： 500.00m正常蓄水位以下库容： 1492万m3设计洪水位： 500.44m校核洪水位： 501.70m总库容： 1629万m3（校核洪水对应库容）死水位： 474.00m死库容： 327万m3调节库容： 1165万m32） 材料容重混 凝 土： 24kN/m3钢筋混凝土： 25kN/m3钢材容重： 78.5kN/m3 浆砌石： 23kN/m3水： 10kN/m33） 地质参数大坝坝型为面板堆石坝，主堆石区以中下部强风化或弱风化岩

3、体作为基础持力层，次堆石区以强风化岩体为基础持力层。趾板应放在弱风化岩体中下部。根据各阶段坝区岩石取样试验，并结合地区工程经验，提出建基面岩石力学性质建值议如下：强风化砂岩承载力为0.4MPa，C=0.1MPa，f=0.35；强风化泥岩承载力为0.3MPa，C=0.05MPa，f=0.3；弱风化砂岩承载力为1.5MPa，C=0.45MPa，f=0.75，E0=3.0GPa；弱风化泥岩承载力为0.6MPa，C=0. 2MPa，f=0.5，E0=0.5GPa。边坡开挖采用坡率法：第四系覆盖层及全风化带岩石为1：1.5；强风化带岩石为1：1.0；弱风化带岩石为1：0.5。对顺层面滑移变形体建议清除或

4、锚固处理。4) 设计安全系数 抗剪断公式：基本荷载组合 K3.00特殊荷载组合 K2.505）规、规程 混凝土面板堆石坝设计规（SL228-98）碾压式土石坝设计规（SL274-2001）混凝土面板堆石坝施工规（SL49-94）溢洪道设计规（SL253-2000）水工混凝土结构设计规（SL/T191-96）水力计算手册水力学 水工混凝土施工规（DL/T5144-2003）水利水电工程钢闸门设计规（DL/T5013-95）4 工程布置4.1 基本参数孔口形式：露顶式； 孔口宽度：9.0m；底槛高程：494.00m；正常高水位（设计洪水位）：500.440m； 设计水头：6.44m；闸门高度：6.

5、5m；孔口数量：1孔；操作条件：动水启闭；吊点间距：6.5m；启闭机：前拉式固定卷扬机。4.2 基本结构布置闸门采用斜支臂双主横梁式焊接结构，其结构布置图见图4-1。弧门半径R=9.0m，支铰高度H2=4.2m。垂直向设置三道实腹板式隔板及两道边梁，区格间距为2.25m，边梁距闸门面板边线为0.3m；水平向除上、下主梁及顶、底次梁外，还设置了5根水平次梁，其中上主梁以上布置1根，两主梁之间布置4根。支铰采用圆柱铰，侧水封为“L”行橡皮水封，底水封为“刀”形橡皮水封。在闸门底主梁靠近边梁的位置设置两个吊耳，与启闭机吊具通过吊轴相连接。采用2160kN固定式卷扬机操作。本闸门结构设计按SL74-9

6、5水利水电工程钢闸门设计规进行。门叶结构材料采用Q235，支铰材料为铸钢ZG310-570。材料容许应力（应力调整系数0.95）：Q235第1组：= 150MPa， = 90MPa；第2组：= 140MPa，= 85MPa；ZG310-570：= 140MPa，= 105MPa。4.3 荷载计算闸门在关闭位置的静水压力，由水平水压力和垂直水压力组成，如图4-2所示。水平水压力：(kN)垂直水压力：图4-1 主横梁式弧形闸门结构简图（单位：mm）图4-2 静水压力式中：=(6.44-4.2)/9=0.249,所以=14.412=4.2/9=0.467,所以=27.818=42.23=0.737=

7、sin55.636=0.825=-sin13.406=-0.232=sin42.23=0.672=-sin6.703=-0.117故 =457.82(kN)总水压力： =1921.6(kN)总水压力作用方向：=457.8/1866.3=0.2453所以 =13.7834.4 面板弧长闸门门叶垂直高度为6.5m，支铰中心水平线以上弧形面板包角为=14.807总水压力作用线上、下的弧长L上、L下分别为L上=0.01745 = 0.017459.0（14.807+13.783）= 4.490（m）L下=0.01745 = 0.017459.0（27.818-13.783）= 2.204（m）面板总弧

8、长L总为L总= L上+ L下 = 4.49+2.204 = 6.694（m）4.5 主框架位置根据等荷载原则，闸门上、下主梁与支臂组成的主框架平面布置应与总水压力作用线对称，使两框架受力均匀。两主梁之间的弧长为3.925m，上、下主框架之间的夹角为，即=1803.925/28.274=24.987所以 =12.494上、下框架与水平线的夹角（负号表示位于水平线的上方）为=13.783-12.494=1.289=13.783+12.494=26.2775 结构计算5.1 面板面板厚度按下列公式初选，并按表5-1计算。式中：为弹塑性薄板支承长边中点弯曲应力系数；为弹塑性调整系数（b/a3时，=1.

9、4；b/a3时，=1.5）；为面板计算区格中心的压力强度，N/mm2；a、b为面板计算区格的短边和长边长度，mm，从面板与主（次）梁的连接焊缝算起；为钢材的抗弯容许应力。表5-1 面板厚度计算表区格abb/akyq(mm)(mm)(N/mm2)(N/mm3)(mm)1120022501.88 0.4930.0063 1.51504.4 2118022501.91 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 1.4150

10、7.4 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 主梁前翼缘宽度取100mm，次梁前翼缘宽度取70mm。根据表5-1的计算结果，面板厚度选定为=10mm。5.2 水平次梁5.2.1荷载及力水平次梁荷载按“近似取相邻间距和之半法”计算单位宽度荷载，见表5-2。表5-2 水平次梁荷载计算表顶次梁次梁底次梁12345承载宽度（弧长）（m）0.450 1.575 1.325 0.810 0.810 0.810 0.130 中心水压（KN/m2

11、）2.3 12.4 26.9 37.6 45.7 53.8 58.5 水压力（KN/m）1.0 19.5 35.6 30.4 37.0 43.5 7.6 全部次梁及顶、底次梁采用同一截面，按其中最大荷载的一根次梁（次梁5）进行计算。水平次梁按受均布荷载的六跨连续梁计算，其计算简图见图5-1。图5-1 水平次梁计算简图（单位：m）水平次梁参数为： =43.5kN/m， =2.25m。最大支座弯矩： =0.10643.52.252 =23.3（kNm）最大跨中弯矩： =0.07843.52.252 =17.2（kNm）最大剪力： =0.60643.52.25=59.3（kN）5.2.2次梁支座处截

12、面特性次梁选用18a，参数如下：=25.69cm2；=0.7cm；=1272.7cm3，=6.8cm，=1.05cm。面板参与次梁作用的有效宽度：（cm）根据/查得=0.34，则（cm）次梁截面如图5-2所示，其截面特性为图5-2 次梁截面尺寸（单位：cm）（cm2）（cm3）（cm）（cm4）（cm3）（cm3）=152（cm3）5.2.3应力计算弯曲应力：(MPa)(MPa) 剪应力：(MPa) 最大跨中挠度：(mm) (mm)5.3 中部垂直次梁（隔板）中部隔板按两端悬臂简支梁计算，其计算简图见图5-3。图5-3 竖直次梁计算简图（单位：m）5.3.1荷载及力荷载：（kN /m）（kN

13、/m）（kN /m）（m），（m），（m），（m)支座反力：（kN）（kN）剪力：（kN）（kN）（kN）（kN）弯矩：（kNm）（kNm）跨中最大弯矩位置： 解得 （m）（kN/m）（kNm）5.3.2截面特性（跨中截面）面板参与隔板作用的有效宽度，m。查表得：，则 （m）又 （cm）根据以上计算结果选取面板有效宽度为60cm，隔板截面尺寸见图5-4，截面特性如下：图5-4 隔板截面尺寸（单位：cm）（cm2）（cm3）（cm） （cm4）（cm3）（cm3）（cm3）5.3.3应力验算：弯曲应力：(MPa)(MPa) 剪应力：(MPa) 5.4 边梁边梁受力情况与中部垂直隔板相同，计算省略

14、。 5.5 主框架5.5.1荷载上、下主框架对称于总水压力作业线布置，上、下主框架之间的夹角为（，见前面的计算），则每个框架上的静水荷载为（kN）式中的1.1为动载系数。启门力在主框架上产生的力为（kN/m）式中：为每侧因钢丝绳拉力引起的压力；为每侧钢丝绳所受拉力，即每侧启门力；为钢丝绳在弧面上的包角。主梁上的均布荷载为（kN/m）5.5.2框架力5.5.2.1主梁断面初选。面板参与主梁作用的有效宽度（下主梁）为，cm。 查表得：，则 （cm）又 （cm）所以面板有效宽度取B=74cm。主梁截面尺寸见图5-5，截面特性如下：图5-5 主梁跨中截面尺寸（单位：cm）（cm2）（cm3）（cm）

15、（cm4）（cm3）（cm3）5.5.2.2支臂截面初选（图5-6）。支臂截面特性：图5-6 支臂截面尺寸（单位：cm）（cm3）（cm4）（cm4）（cm3）5.5.2.3框架计算（图5-7）：图5-7 框架结构简图（单位：mm） 所以 （mm）（mm）（mm）（mm）（mm） 支臂扭角（图5-8）：图5-8 支臂扭角5.5.2.4框架力。图5-9所示为主框架在水压力作用下的荷载示意图和弯矩图。图5-9 主框架荷载及力分析图根据前面的计算，跨中均布荷载kN/m。力计算如下：（kN） =120.5（kN）（kN）（kNm）（kNm）（kNm）（kNm）5.5.3框架应力验算5.5.3.1主横梁

16、：跨中截面应力。跨中截面正应力按下式计算： 前翼缘： (MPa)后翼缘： (MPa) 支座截面特性。面板参与主梁作用的有效宽度，则 查表得：，则 （cm）又 （cm）所以面板有效宽度取B=64cm。主梁截面尺寸见图5-10，截面特性如下：图5-10 主梁跨中截面尺寸（单位：cm）（cm2）（cm3）（cm） （cm4）（cm3）（cm3） （cm3） 支座截面应力。正应力： 前翼缘： (MPa)后翼缘： (MPa) 剪应力： （kN） (MPa)主梁局部稳定性计算。支座处：80所以，主梁支座处可以不配置横向加劲肋板。但为了支臂传力均匀，一般均按构造要求设置有横向肋板。5.5.3.2支臂：弯矩作

17、用平面的稳定验算： 偏心率： 长细比： (cm) (cm) 根据 ， 查表得 ，则 (MPa)弯矩作用平面外的稳定验算： 其中近似地取 长细比： 其中 =400cm。 (cm) 根据 ， 查表得 ，则 (MPa)5.5.3.3支臂与主横梁连接计算（图5-11）：图5-11 主梁与支臂的连接螺栓的最大拉力： 其中； ，螺栓每排数量为8；间距为0.1m，所以；，代入上式，得： （kN）又螺栓选用M30，A=6.16cm2，则 (MPa)抗剪板焊缝： (MPa) 其中焊缝高度 =1.2cm，焊缝长度 =30cm。6 启闭力的计算闸门采用前拉式起吊形式，启闭机采用固定卷扬式启闭机。总水压力为 P=19

18、21.6KN,轴套采用MGA，阻力系数为0.3，阻力臂 =0.155m，弯矩为 =0.31921.60.155 =89.4（kNm）侧止水采用L形弧形闸门橡皮止水，其摩擦系数为0.5，弯矩为 =0.510（6.6940.066.44/2）29.03 =116.8（kNm）门叶重量及阻力臂参数如下：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 闸门闭门力的计算 =1.2（89.4+116.8）-0.9（509+508.4+605.2） =-816.36（kNm）所以，闸门可以靠自重关闭。6.2 闸

19、门启门力的计算 总的阻力矩为 =1.2（89.4+116.8）+0.9（509+508.4+605.2） =1311.24（kNm） =146（kN）式中： 为启闭力轴线到支铰转动中心的垂直距离， = 9 m。启闭机容量选择为2100KN。7 闸门支铰的计算闸门支铰采用圆柱铰，轴经为180mm，铰链和铰座材料采用ZG270-500，轴采用Q345A，轴套采用MGA。支铰受力简图见图7-1，图中Q为启门力的一半，Q=100kN，与垂直线夹角为20；G为闸门重量的一半，G=80kN；P为总水压力的一半，P=960.8KN,与水平线夹角 =13.783。7.1 荷载计算 =37（kN）与水平线夹角：

20、 所以 图7-1 支铰受力示意图 =997（kN）与水平线夹角： 所以 可以分解成垂直和平行于铰座底面的分力N、S： （kN） （kN）弧形闸门在启闭过程中，轴上作用有摩擦力矩M： （kNm）7.2 铰轴计算铰轴受力计算简图如图7-2所示。7.2.1铰轴的弯曲应力：(MPa)7.2.2铰轴的剪应力：图7-2 铰轴受力计算简图（单位：mm）(MPa)7.2.3轴套的承压应力：(MPa)7.2.4轴承座的局部紧接承压应力：(MPa)7.3 铰链与支臂的连接计算斜支臂与铰链用粗制螺栓连接，由、对铰链支承板产生两个方向的偏心力矩所引起的螺栓拉力、：（kNm）（kNm）（kN）（kN）选用M30螺栓，截面面积A=6.16cm2，以一侧螺栓的最大受力为 ,验算螺栓强度：（kN）所以 (MPa)7.4 铰座计算铰座底板尺寸如图7-3所示。图7-3 铰座底板计算简图7.4.1铰座底板底面积。混凝土采用C30， =9.0MPa。 = 5.0 (MPa)7.4.2底板厚度。底板结构见图7-3，最大弯矩Mmax为区格1（三边简支）： 由于 =0.35/0.28=1.25，查表得 =0.122，则 （kNm）底板的厚度为 =45.3（mm）取底板厚度为50mm。