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1、露顶式平面闸门设计1、设计资料闸门形式：露顶式平面闸门设计；空口净宽：8.00m；设计水头：5.2m；结构材料：Q235BF；焊条：焊条采用E43型手工焊；止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮；行走支撑：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2；启闭方式：电机固定启闭机；混凝土强度等级：C20；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执行标准：水利水电工程钢闸门设计标准(SL74-1995)o2、闸门结构的形式及布置(1)闸门尺寸确实定(图1)。1)闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为02m,故闸门高度=5.2+0.2=5.4(m);2)闸门的和在跨度为两侧止水
2、的间距：L=8m;3)闸门计算跨度：L=L0+2d=8+20.2=8.40(m)0(2)主梁的形式。主梁的形式应根据水头的大小和跨度的大小而定，本闸门属于中等跨度，为了方便制造和维护，决定采用实腹式组合梁。(3)主梁的布置。根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。为使两个主梁设计水位时所受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线9=H3=1.73m(图1)并要求下悬臂a0.12H和a0.4m上悬臂c0.45H,今取：a=0.12H=0.67(m)主梁间距：2B=2(y-a)=21.13=2.26(m)那么(4)梁格的布置和形式。梁格采用复式布置和高等连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并
3、被横隔板所支撑。水平次梁为连续梁，其间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置具体尺寸如图2所示。(5)连接系的布置和形式。I)横向连接系，跟据主梁的跨度，决定布置3道横隔板，其间距为2.1m,横隔板兼竖直次梁。2)纵向连接系，设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。(6)边梁与行走支撑。边梁采用单腹式，行走支撑采用胶木滑道。3、面板设计根据钢闸门设计标准(SL7495)及2006修订送审稿，关于板面的计算，西安估算板面厚度，在主梁截面选择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。面板厚度计算公式如下t=a0.94当 b
4、a3 时，a=1.5,那么 t=0.91.5160=0.68a yl当 ba3 时,a=l.4,那么 t=0.91.4i60=0.07a yi现列表1进行计算。面板厚度的估算区格a(mm)b(mm)b/akp(Nmm2)廊t(mm)I143120901.460.4470.0050.0475.27II88220902.370.5000.0160.0896.12III68420903.060.5000.0230.1076.42IV61220903.420.5000.0300.1226.57V60320903.470.5000.0360.1346.47VI40520905.160.750.0410.
5、1756.49注12面板边长ab都从面板与梁格的连接焊缝算起，主梁上黑绿宽为140mmoI、Vl中系数k由三边固定一边简支板查得。根据表1.1计算，选用面板厚度l=7mm(2)面板与梁格的连接计算。面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力计算，面板厚度l=7mm,并且近似的取板中最大弯应力OmaX=b=160Nmr112,那么面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为=72N卜 WnTVS3081035408264T=2o21023106计算面板与主梁连接的焊缝厚度为面板与主梁连接焊缝取其最小厚度hfu6mm4、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、底梁都是支撑在
6、横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水平压力按下式计算，水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算梁号梁轴线处水压强度p(kNm2)梁间距(m)4上十下2(m)a1.+下q=P;(kNm)备注1(顶梁)顶梁荷载按下列图计算171.7351.735Rl=Z2-=4.52(KNIm)1.8851.49215.41.38021.950.993(上主梁)26.11.01026.360.83435.20.86530.450.735（下主梁）43.10.80034.480.71650.90.68034.610.15-1,1.735-Rp0.517（底梁）56.60.33518.9611,885根据上表计算，水平次梁
7、计算荷载取34.61KNm,水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.1m（图3）。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为：支座B处的负弯矩为：（2）截面选择。W=M/=16.33106/160=102071W考虑利用面板作为次梁截面的一局部，初选16a,由表查得23I4h=AA=2200ww,W=1083OoAwW,=8660000ww,763mm,=6.5mm0面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取其中较小值。按5号梁计算，设梁间距8=SI+3）/2=（790+810）/2=800（相机）确定上式中面板的有效宽度系数G时，需要知道梁弯矩零点之间的距离/0与梁间距b之比值。对于第一跨中正弯矩段取4=0.8/
8、=0.8x2100=1680加力对于支座负弯矩段取4=0.4/=0.4x2100=840加根据/0/力查表得对于%=1680800=2.1,得。=0.716,那么B=g也=573mm；对于4/=84%.05,得及二0.312,那么B=$人=250mm。对第一跨中选用B=543mm那么水平次梁组合截面面积（图4）为组合截面形心到槽钢中心线的距离为跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：对支座段选用B=284mm.那么组合截面面积为=2200+2508=4200W组合截面形心到槽钢中心线的距离为支座处组合截面的惯性矩及截面模量为（3）水平次梁的强度验算。由于支座B（图3）处弯矩最大，而截面模量较小，故只
9、需验算支座B处截面的抗弯强度，即：说明水平次梁选用16a满足要求。扎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，最大挠度发生在边跨，由于水平次梁在B支座处，截面的弯矩已经求得M期=30.9KNm那么边跨挠度可近似地计算为：（J）BqP八（”34.6121003or小t.I八八八ZI=0.632-=3.1610-=-0.004/100E1002.06105L598107/250故水平次梁选用16a满足强度和刚度要求。（5）顶梁和底梁。顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度，所以也采用16a。底梁也采用16a。5、主梁设计（1）设计
10、资料。1）主梁跨度（图5）；净宽（孔口宽度）L0=8m,计算跨度L=8.4m,荷载跨度L=8m;2）主梁荷载q=84.2KNm.3）横向隔间距：2.1m。4）主梁容许挠度u=L600：（2）主梁设计。主梁设计包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊接；腹板局部稳定验算；面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。1）截面选择。弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下：需要的截面模量。Q235钢的容许应力b=160N/板/考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力=0.9160N/相机2=i44Nzmz2,那么需要的截面模量为腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为:min0.96 0.23-0.9Eco
11、= 0.96 0.23 144 8.4 IO22.06105x(16)经济梁高上C=3.IlV2z5=3.1x618102c11o由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增加，故主梁高度已选得比hec小,但不小于hmin。现选用腹板高度h0=100cm腹板厚度选择。按经验公式计算：Q=/11=J而ll=0.9k三,选用L=Icm翼豫截面选择。每个翼缘需要截面为:下翼缘选用4=2.0Cm（符合钢板规格）hh需要伪=A%=83/2.0=22cm,选用4二26CTn（在5yg=4020cm之间）上翼缘的局部截面可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用=2.0cm,4=14cm弯应力强度验
12、算。主梁跨中截面（图6）的几何特性如下表表3主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸（cmcm）截面面积A（cm2）各形心离面板离y（Cm）Ay(Cm3)各形心离中合轴y=yx-y（cm）Ay2(cm4)面板局部620.849.60.419.8-46.6107709上翼缘板3O2.O6.1.8108-45.2122582腹板1001.010052.852805.83364下翼缘板40x2.080103.8830456.8258099合计289.613711.8491754截面形心矩截面惯性矩截面模量上翼缘顶边：下翼缘底边：弯应力：C _ MnaXu _Wmax144() .5 X I(X)10089
13、1.43 0.9 1.60 = 1.44(KNcm2)(平安)整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢板相连，按设计标准规定，可不必验算整体稳定性。又因梁高大于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，为减小门槽宽度和支承边梁高度，有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小为%=0.6=60cm（图7）。梁高开始改变的位置取在临近支承段的横向隔板下翼缘的外侧（图8）,离开支承段的距离为260-10=250cmo剪切强度验算：考虑到主梁段部的腹板及翼缘局部分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字钢截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何特性截面形心矩截面惯性矩截面下
14、半部中和轴的面积矩：剪应力：-3二3.30x105x2.8xia=553N/加m=95N皿(平安)Ixt1.473I41O91Olj3）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VmaX=330KN,截面惯性矩lo=147314Cm4。上翼缘对中和轴的面积矩下翼缘对中和轴的面积矩需要为3.OmniVS13.30IO5X2.180IO614vr;-1.41.47314109115角焊缝最小厚度hf1.5=1.520=6.7wzn全梁的上下翼缘焊都采用h尸8mm。4）腹板的加劲肋和局部稳定验算。加劲肋的布置：因为九=22=80,满足局稳要求，故在区格01.0II不必要增加劲肋。
15、再从剪力最大的区格I来考虑：该区格的腹板平均高度%=(80+60)2=70(cn),0r.=7O,不必验算，故在梁高较小的区格I内也不必另设横向加劲肋。5)面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。从上述面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格IV所需要的板厚较大，这意味着该区格的长边中点应力也比拟大，所以选取区格IV(图2)验算其长边中点的折算应力。面板区格IV在长边中点的局部弯曲应力：对应于面板IV长边中点的主梁弯矩(图5)和弯应力为面板IV长边中点的折算应力上式中cr,v、Crs和bo*的取值均已拉应力为正号，压应力为负号。面板厚度取8mm,满足强度要求。6、横隔板设计(1)荷
16、载和内力计算。横隔板同时兼作竖直次梁，它主要承受水平次梁、顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，计算时可以把荷载用三角形分布的水压力来代替(图1),并且把横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁。那么每片横隔板的最大负载弯矩为(2)横隔板截面选择和强度计算。其腹板选用和主梁同高度，采用102OmmX8mm,上翼缘利用面板，上翼缘采用200mmX10mm扁钢。上翼缘可利用面板的宽度按确定，其中b=2100mm,按查表得有效宽度系数$=0523,那么B=0.523x2100=1098.3mm,B=I100mmo计算如(图9)所示的截面几何特性。截面形心到腹板中心线的距离为截面惯矩为截面模量为验算
17、弯应力为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%=6加九。7、纵向连接设计(1)荷载和内力的计算。纵向连接系承受闸门自重，露顶式平面钢闸门门叶自重G按下式计算下游纵向连接系承受O.4G=0.4x74.9=31.8KN纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆分布如图10所示，其结点荷载为杆件内力计算结果如图10所示。(2)斜杆截面计算。斜杆承受的最大压力为N=7.94KN,同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即4l=200选用单角钢l_75x5,查表得截面面积A=I.37cm2,zy0=1.5OCm斜杆计算长度长细比验算拉杆强度
18、为考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。(3)斜杆与结点板的连接计算(略)。8、边梁设计边梁设计采用单腹式(图11),边梁的截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁端部高度相同，腹板厚度与主梁腹板厚度相同，为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不宜小于300mm。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力值降低20%作为考虑受扭影响的平安储藏。(1)荷载和内力的计算。在每侧闸门上设置两个胶木滑块，其尺寸见(图LI2)。1)水平荷载。主要是主梁传来的水平荷载，还有水平次梁和顶、底梁传来的水平荷载。为了简化起见，可假定这些荷载由主梁传给边梁。每个主梁作用
19、与边梁的荷载为R=33OKN02)竖向荷载。有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、启吊力等。上滑块所受的压力下滑块所受的压力最大弯矩最大剪力Ki=258KN最大轴向力为作用在一个边梁上的启吊力，估计为220KN。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于启吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力N=220-H力=220258x0.13=186.46KN。(2)边梁的强度验算截面面积面积矩截面惯性矩截面模量截面边界最大应力验算腹板最大剪应力验算腹板与下翼缘连接处应力验算以上验算均满足强度要求。9、行走支承设计胶木滑块计算：滑块位置如图12所示，下滑块受力最大，其值为R2=402KN。设滑块长度为300mm,那么滑
20、块单位长度的承压力为根据上述q值由表查得轨顶弧面半径R=150轨头设计宽度为b=35mm.胶木滑道与轨顶弧面的接触应力验算选定胶木滑块的高30mm,宽140mm,长30Ommo10、胶木滑块轨道的设计(图13)(1)确定轨道底板宽度轨道底板宽度按混凝土承压强度决定。根据C20很凝土查表得混凝土的容许承压应力为b=7N/加2,那么所需要的轨道底板宽度为故轨道底板面压应力为(2)确定轨道底板厚度。轨道底板厚度b按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力为式中轨道底板的悬臂长度c=82.5,对于Q235钢，查得口=I(X)N/加M。故所需轨道底板厚度为11、闸门启闭力和吊座计算(1)启门力计算其中闸门自
21、重G=79.4KN滑道摩阻力止水摩阻力因为橡皮止水与钢板间摩擦系数橡皮止水受压宽度取为Z?=0.06m每边侧止水受压长度H=5.2m侧止水平均压强P=-H9.8=28.4kNm22故TZS=20.70.065.828.4=13.85下吸力PC止水橡皮采用I110J6型，其规格为宽16mm,长Ilomm。底止水沿门跨长10.4mo根据钢闸门设计标准：启门时插门底缘平均下吸强度一般按照20KNm2计算，那么下吸力为故闸门的启动力7；.=1.2(214.2+13.85)+1.179.4=361kN(2)闭门力计算Tw=nTzd+tJ11gG=1.2(214.2+13.85)-0.979.4=202.
22、2kN显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。由于该溢洪道闸门孔口较多，假设把闸门行走支撑改为滚轮，那么边梁需有单腹式改为双腹式，加上增设滚轮等设备，总造价增加较多。为此，应考虑采用一个重量为200KN的加载梁，在关闭时可以依次对需要关闭的闸门加载下压关闭。加载梁的设计本章不予详述。(3)吊轴和吊耳板验算(图1.14)。1)吊轴。采用Q235钢，查得H=65KNz三2,采用双吊点，每边启吊力为y1.2XN/2=L2x3612=216.6A7V吊轴每边剪力V=2=216.62=108.3kN需要吊轴截面积A=V/=108.3IO3/65=1666mm2又因4=2/4=0.7851故吊轴直径d2Ja/0
23、.785=46.Imm取吊轴直径为d=80mm2)吊耳板强度验算。按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度计算，查表得Q235钢的=)N/wn2,故=34mmN216.6103dcj8080因此在边梁腹板上端部的两侧各焊接一块厚20mm的轴承板。抽承板采用圆形，其直径为3d=3x80=240mm0吊耳孔壁拉应力计算外二。仃WS8口A一r式中b.=2二216620=61.5N/mm?，吊耳板半径R=120mm,孔轴半径r=40mm,查表得cjtd4480J=120VW,所以孔壁拉应力=615三=769(Nmm0.8kJ=96W故满足要求。总结参考资料1赵占彪，水工钢结构.中国水利水电出版社，第1版.2009年11月.2水利水电工程钢闸门设计标准(SL7495).北京；中国水利水电出版社，1995.3钢结构设计标准(GB50017-2003).北京；中国水利水电出版社，2003.
