露顶式平面钢闸门设计
2007101316 王亮春
一、设计资料
闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门；
孔口净宽：14.00m；
设计水头： 6.00m；
结构材料：Q235；
焊条：E43；
止水橡胶：侧止水用P 形橡皮，底止水用条形橡皮；
行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS —2;
混凝土强度等级：C20
二、闸门的结构形式及布置
1、闸门尺寸的确定（图1）
闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.3m，故闸门高度为9+0.3=9.3 米
闸门的荷载跨度为两侧止水的间距即为孔口净宽：L1 14 m
闸门的计算跨度：L L0 2 d 14 2 0.3 14.6 m
2、主梁的形式
本闸门为中等跨度，为了便于制造和维护决定采用实腹式组合梁
3、主梁的布置
闸门高跨比L / H 1.5 采用双主梁，为使两个主梁在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的作用线y H / 3 3 m （图2），并要求下悬臂
a 0.12 H 和a 0.4 m 。
4、梁格的布置和形式
梁格采用复式布置和等高连接，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，其间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置的具体尺寸见详图 2
5、连接系的布置和形式
1）横向连接系，根据主梁的跨度决定布置 3 道横隔板，其间距为横隔板兼作竖直次梁。
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、边梁和行走支承
1
变量采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。
三、面板设计
根据SL74—95《水利水电工程钢闸门设计规范》修订送审稿，关于面板的计算，先估算面板的厚度，在主梁截面选择之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上图所示。面板厚度按式（7--3）计算：
t a
0.9 k p a
kp
当b / a 3 时，a 1.5 ，则t a 0.068 a kp
0.9 1.5 160
kp
当b / a 3 时，a 1.4 ，则t a 0.07 a kp
0.9 1.4 160
现列表（如下）计算：
表1
注1、面板边长a、b 都从面板与梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽度为260mm（详见于后）；
2
2.、区格Ⅰ、Ⅵ中系数k 由三边固定一边简支板查得。
根据上表计算，选用面板厚度t=14mm 。
2、面板和梁格的连接计算
面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力p 按式（7--6）计算。已知面板厚度t=14mm ，并且近似地取版中最大弯应力 2
max 160 N / mm ，则
P 0.07 t 0.07 14 160 156.8 N / mm
max
2
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：
VS 1417500 1100 14 637
T 433 N / mm
2 I 2 16053500000
2
由式（7--7）计算面板与主梁连接的焊缝厚度：
2 2 / 0.7 156.8 2 43
3 2 / 0.7 113 5.82
h P T m m
f t
面板与梁格连接焊缝取其最小厚度h 10 m m 。
f
四、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、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力可按式（7--8）计算，即
q p a a
上
2
下
列表（如下）计算后得
q 427 K N / m
3
根据表 2 计算，水平次梁计算荷载去79.92KN/m 。水平次梁为五跨连续梁，为 2.92 米。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为
2 2
M 0.077 ql 0.077 79.92 3.65 87.7 KN / m
次中
2 2
M 0.107 ql 0.107 79.92 3.65 111.2 KN / m
次B
2、截面选择
M 111200000
3
W 695000 m
160
考虑利用面板作为次梁截面的一部分初选[36b。由附录三表 4 查得
A 6809 mm 2 W 702900 mm
x 3 4
I 126518000 m m b 98 m m d 11m m
x
面板参加次梁工作有效宽度分别按式（7—11）及式（7—12）计算，然后取其中较小值。
式（7—11）
B b1 60 t 98 60 14 938 mm
式（7—12）
B 1b(对跨间正弯距段)
B 2 b( 对支座负弯距段)
按 5 号梁计算。设梁间距
b1 b2 1.2 1.2
b 1.2 m 1200 m m 。对于第一跨中正
2 2
弯矩段取l0 0.8 l 0.8 3650 2920 mm 。
对于支座负弯矩段l0 0.4 l0.4 3650 1460 mm 。
由l0 / b 查表7—1：
对于l b 得 1 0.769 则B 1 b 0.769 1200 922.8 mm
0 / 2920 / 1200 2.4l b 得 1 0.769 则B 1 b 0.769 1200
922.8 mm
对于l
0 / b 1460 / 1200 1.21 得20.3504 则 B 2 b 0.3504 1200 420 mm
对第一跨中选用B=923mm，则水平次梁组合截面面积为
2
A 6809 923 14 19731 mm
4
组合截面形心到槽钢中心线的距离为
923 14 187
e 122 m m
19731
跨中组合截面的惯性矩及截面模量为
2 4
2
I 126518000 5510 122 923 14 58 7 263024290 mm
次中
2
263124290
W 871272 m m
m in
302
对支座段选用B=420mm。则组合截面面积：
2
A 6809 420 14 12689 mm
组合截面形心到槽钢中心线距离：
420 14 187
e 87 m m
12689
支座处组合截面的惯性矩及截面模量：
2
2 4
I 126508000 5510 87 420 14 73 7 205855190 mm
次B
3
160772640
W 833422 m m
m in
247
3、水平次梁的强度验算
由于支座B（图3）处弯矩最大，截面模量较小，故只需验算支座 B 处截面的抗弯强度，即
次M
次
W
min
B
111200000
833422
2 2
133.4 N / mm 160 N / mm
说明水平次梁选用[36b 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，最大挠度发生在边跨。由于水平次梁在 B 支座处截面的弯矩已
5
经求得次71.55 。则边跨挠度可近似地按下式计算：
M K N m
B
3
M l
w 5 ql w 1
次B
0.00055 0.004 l
385 EI 16 EI l 250
次次
故水平次梁选用[36b 满足强度和刚度要求。
5、顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度。所
以采用[36b，底梁也采用[36b 。
五、主梁设计
（一）设计资料
1）主梁跨度（如图5）：净跨（孔口宽度）L m ，计算跨度L=14.6m ，荷载跨度
0 14 L m ;
1 14
2）主梁荷载：
P 405
q 202.5 K N / m ;
2 2
3）横向隔板间距： 3.65m;
4）主梁容许挠度:
L 600
。
（二）主梁设计
主梁设计内容包括：1、截面选择;2、梁高改变；3、翼缘焊缝；4、腹板局部稳定验算；5、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
1、剪力和弯矩。弯矩与剪力计算如下：
qL L L 202.5 14 14.6 14
0 0
M 5386.5 K N m
max
2 2 4 2 2 4
qL
V m ax 1417.5 K N
2
2、需要的截面模量。已知Q235A-F 钢的容许应力 2
0.9 160 144 N / mm ,则需要的
截面模量为
M m ax 5386.5 100
W 37406.25 cm
144 0.1
3
3、腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为
L
h m in 0.96 0.23 135.2 cm
w
E
l
经济梁高 2 / 5
h 3.1 W209.2 cm
ec
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h ec 小，不小于
h 。现选用腹板高度
h0 200 cm 。
m in
6
h
4、腹板厚度选择。按经验公式计算， 1.28
t cm ，选用t w 1.4 cm 。
w
11
5、翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为
W t h
w 0
A 140.4 cm 1
h 6
0 2
下翼缘选用t
1 3.0 cm
需要
A
1
b 46.7 cm
1
t
1
取b1 48 cm 。
上翼缘的部分截面积可以利用面板，故需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用t1 3.0 cm b1 20 cm
面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为
B b1 60 110 cm
上翼缘截面积
A1 26 3.0 110 1.4 164.8 cm 2
6、弯应力强度验算，主梁跨中截面的几何特性见下表
截面形心距：
Ay
y1 90.3 cm
A
截面惯性矩：
3
t h
w
0 4745484
2 4
I Ay cm
12
截面模量：
7
上翼缘顶边
I 4745484
W 52552 cm m ax
y 90.3
1
3
下翼缘底边
I 4745484
W 40525 cm m in
y 200 3 3 1.4 90.3
2
3
M 5386.5 100
max
2
弯应力13.3 0.9 1.6 14.4 K N / cm
（安全）
W
m in
40525
7、整体稳定性与挠度验算。因为主梁上翼缘直接通钢面板相连，，按规范规定可不必
验算整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高。估量的挠度也不必验算。
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（节省钢材），有必要将主梁支承端腹板高
度减小为s h
0 0.6 h0 120 cm （图7 ）
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（图8）。
离开支承端的距离为364-15=349cm 。
剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支承边的腹板及翼缘相焊接，可按工字形截面来验算剪应力强度。主梁与支承端截面的几何特性见下表
截面形心距
29282.8
y 53.8 cm 。1
544
截面下半部对中和轴的面积距：
2
(127.4 53.8 3) 1.4
S 144 (127.4 53.8 1.5) 14021 cm
2
3
8
截面惯性矩
3 3
t h 1.4 120
w 0
2 4
I Ay 1403750 1605350 cm
12 12
剪应力：
V S
max
I t
0 w 1417.5 14021
1605350 1.4
2 2
8.84( K N / cm ) 9.5 K N / cm
3）、翼缘焊缝
翼缘焊缝厚度h按受力最大的支承端截面计算。最大剪力
f V K N , m ax 1417.5
截面惯性矩 4
I 0 1605350 cm 。
上翼缘对中和轴的面积距：S1 154 (53.8 0.7) 78 (53.8 2.9) 12147.6 cm 3
下翼缘对中和轴的面积距： 3
S2 144 (127.4 53.8 1.5) 10382.4 cm S1
需要
VS 1417.5 12147.6
1
h 0.678 cm
f w
1.4 I 1.4 1605350 11.3
0 f
角焊缝最小厚度h 1.5 t 1.5 30 8.216 mm
f
全梁上下翼缘焊缝都采用h 10 m m
f
4）、腹板的加劲梁河局部稳定验算
加劲梁的布置：因为h0 200
t 1.4
w
143 ，故需设置横加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因
闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋，其间距 a 365 cm 。腹板区格划分见图8。梁高
2 2
c
与弯矩都较大的区格Ⅱ可按式（4--66 ）即
1 验算。
cr cr c. c r
区格Ⅱ左边及右边截面的剪力分别为
V 1417.5 202.5 (7 3.65) 737 K N ;V0
左右
区格Ⅱ截面的平均剪应力为
（V +V ）/2
左右
h t
w
737 / 2
200 1.4
13.2 N / mm 2
区格Ⅱ左边及右边截面上的弯矩分别为
2
（7-3.64 ）
M 1417.5 3.65 202.5 4017 KN m 左
2
M M max 5386.5 K N m
右
9
M M
左右
区格Ⅱ的平均弯矩为M 4702 KN m
2
M y0 4702 859000000
2 区格的平均弯应力为85.1 N / m m
I 4745484
由式4—61 计算
cr
f
h0 / t
y
w
b
177 235
0.807 0.85
计算
cr
由于区格长短之比为 3.64/1.2>1 。采用式（4—54b）计算
s
：
s
h / t
0 w
4 5.34 4( h / a)
2
f
y
235
1.36
因s >1.2，则
cr
95
1.1 1.1 76.8 N / m m
2 2
1.36
s
2
将以上数据代入式4—66 得
2 2
85.1 13.2
160 76.8
0.313 1.0 （满足局部稳定要求）
故在横隔板之间不必增设横加劲肋。
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，这意味着该区格的场边重点应力也比较大，所以选取区格Ⅳ，按式（7--4）验算其场边中间的折算
应力。
面板区格Ⅳ在场边中点的局部弯曲应力：
2 2
mx my N mm N mm
0.3 195.2 / 58.6 /
my
2 2
kPa
0.5 0.061 1120
2 2
14
195.2 N / mm 2
对应于面板区格Ⅳ在长边中点的主梁弯矩和弯应力：
2
3.65
202.5 7
3.65 2
M 202.5 7 7 0.3 5050 K N m
2 2
M 5051000000
2
9601 N / m m ox
W 52552000
面板区格Ⅳ的长边中点的折算应力：
2
2 2 2
zh my mx ox my mx ox 207.2 N / mm 248 N / mm
10
上式中
m y 、m x 和ox 的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。故面板厚度选用14mm
满足强度要求。
六、横隔板设计
1、荷载及内力计算
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，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替，并且把横隔板
作为支承在主梁上的双悬臂梁。则每篇横隔板在上悬臂梁的最大负弯矩为
4.42 9.8 4.42 4.42
M 3.65 513 K N m
2 3
2、横隔板截面选择和强度计算
其腹板选用与主梁腹板同高，采用2000mm 14mm ，上翼缘利用面板，下翼缘采用
300mm 14mm 的扁钢。上翼缘可利用面板的宽
度，按B b 确定，其中b=3650mm 。按
2
l
b
2 . 4
3 ，从表7—1 查得
2 0 . 5 。6则2 B 0.562 3650 2046 m m ，
取B=2000mm 。
计算如图9 所示的截面的几何特性
2000 14 1007 300 14 1007
e 398 m m
2000 14 300 14 2000 14
截面惯性矩：
3
14 2000
2 2 2 4
I 14 2000 398 14 300 1405 14 2000 609 32444220000 mm
12
截面模量
32444220000
W 22977492 m m m in
1412
3
M 513000000
22.3 N / m m
2
W 22977492
min
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h 10 m m 。
f
七、纵向连接系
设计
1、荷载和内力计算
纵向连接系视作简支的平
面桁架，其桁架腹杆布置
如图10 所示，其结点荷载
为188.72/4=47.18KN.
杆件内力计算结果如图10（如右）。
11