露顶式平面钢闸门设计

露顶式平面钢闸门设计

一：设计资料

闸门形式：露顶式平面钢闸门。孔口尺寸：20.0m × 14.0m;

上游水位：13.8m;下游水位：0.1m

闸底高程：0 m启闭方式：电动固定式启闭机

结构材料：平炉热轧碳素钢Q235 —A.F;焊条：E43型;

止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮。

行走支承：滚轮支承或胶木滑道.

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。如下图

闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m,故闸门高度=13.8+0.2=14m；

闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=20m;

闸门的计算跨度：L=L1+2×0.3=20.6m;

2.主梁的形式

主梁的形式根据水头合跨度大小而定，本闸门属大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

根据闸门的高跨比，决定采用4根

主梁，为使两个主梁在设计水位时所承受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线

H/3=13.8/3=4.6。H=13.8，n=4

当k=1时，y1=4.6m

当k=2时，y2=8.4m

当k=3时，y3= 10.9

当k=4时Y4=12.9

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，其间应上疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁布置的具体尺寸详见下图

5连接系的布置和形式

（1）横向联接系根据主梁的跨度决定布置9道隔板，其间距为2m,横隔板兼作竖直次梁。（2）纵向联接系设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。

6边梁与行走支承

边梁采用复合腹式，行走支承采用胶木滑道。 三：面板设计

1.估算面板厚度

假定梁格布置如图1所示。面板厚度按t=a []σα92.0kp

当b/a ≤3时，α=1.5，当b/a ≥3时，α=1.4, 现列表计算如下

1.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拉力P ，已知面板厚度t=14mm,并且近似地取板中最大弯应力σmax =[]σ=1602

mm N

则

P=0.07t σmax =0.07*14*160=156.8N/mm 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力 T=

2I VS

=2335270*1240*14*730.8/(2*44989771400)=329.26N/mm 计算面板与主梁连接的焊缝厚度：

h

f

=/(0.7[])

=

()()1137.0/26.3298.1562

2

?+

=1.6mm

面板与梁格连接焊缝最小厚度h f=6mm

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隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力按

q=P

2下

上a

a+

现列表计算如下：∑q=896.4482KN/m

根据上表计算，水平次梁计算荷载取80.706KN/m, 水平次梁为10跨连续梁，跨度为2m.如下图所示。水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为： M 次中=0.077ql^2=0.077*80.706*4=24.857KN ﹒m 支座B 处的负弯矩为：

M 次B=0.107ql^2=0.107*80.706*4=34.542KN ·m

2.截面选择 W=

[]

σ M

=(34.542*10^6)/160=215887.53mm 考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选槽钢20b.由表查得： A=32832mm ；X W =19140003mm ; X I =191370004mm ；

1b =75mm; d=9mm; h=200mm

面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取最小值。 B ≤1b +60t=75+60*14=915mm

B=ξ1b( 对跨间正弯矩段）； B=ξ2b(对支座负弯矩段）； 按11号梁计算，设梁间距b=(b 1+b 2)/2=(850+775)/2=812.5mm.确定上式中面板的有效宽度系数ξ时，需要知道梁弯矩零点之间的距离L 0与梁间距b 之比值。对于第一跨中正弯矩段取L 0=0.8L=0.8*2000=1600mm;对于支座负弯矩段取L 0=0.4L=0.4*2000=800mm.根据L 0/b 查表2-1得：

对于L 0/b=1600/812.5=1.97得ξ1=0.6928

则B=ξ1b=0.6928*812.5=562.9mm.

对于L 0/b=800/812.5=0.98 得ξ2=0.2944

则 B=ξ2b=0.2944*812.5=239.2mm

对于第一跨中弯矩选用B=562.9mm ，则水平次梁组合截面面积（如下图）：

A=3283+14*562.9=11163.6mm 2

组合截面形心到槽钢中心线的距离：

e=(562.9*14*107)/11163.6=75.53mm 跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：

I 次中=19137000+3283*75.532+562.9*14*31.472

=45670433.8mm 4

W min =45670433.8/175.53=260185.9mm 2 对支座段选用B=239.2mm.

则组合截面面积：A=3283+239.2*14=6631.8mm 2 组合截面形心到槽钢中心线的

距离：e=(239.2*14*107)/6631.8=54.03mm. 支座处组合截面的惯性矩及截面模量：

I 次B =19137000+3283*54.032+239.2*14*52.97

2

=38117000.9mm 4

W min =38117000.9/154.03=247464.79mm 2 3.水平次梁的强度验算

由于支座处B 弯矩最大，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σ=

min

W M B 次=34.542*106/247464.79=139.582

mm N

<[]σ=1602

mm

N

说明水平次梁选用20b 槽钢满足要求。

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 次B =34.542KN ·m,则边跨挠度可近似地按下式计算： w/l=5ql^3/(384EI 次)-M 次Bl/(16EI 次)=0.0004346

≤??????L w =250

1=0.004 故水平次梁选用20a 槽钢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20b槽钢。

五．主梁设计

（一）设计资料

=20.00m;计算跨度L=20.6m；

1.主梁跨度如下图，净宽L

=20m.

荷载跨度L

1

2.主梁荷载q=23

3.527KN/m.

3.横向隔间距：2m。

4.主梁容许挠度：[]w=1/600

`

（二）主梁设计

1.截面选择

（1）弯矩与剪力弯矩与剪力计算如下：

M max =(233.527*20/2)*(20.6/2-20/4)=12376.931kN ·m V=ql1/2=233.527*20/2=2335.27kN

(2)需要的截面抵抗矩已知Q235钢的容许应力[]σ=160KN/mm 2 考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力

[]σ=0.9*160=144N/mm 2

,则需要的截面抵抗矩为

W=

[]

σmax

M =12376.93*100/(144*0.1)=85950.9cm 2.

(3)腹板高度选择按刚度要求的最小梁高（变截面梁）： H min =0.96*0.23*

[][]E

L w L /σ

=0.96*0.23*144*100*20.6*100*600/(2.06*10^7)

=190.78cm

对于变截面梁的经济梁高，h ec =2.8w 2/5=2.8*85950.92/5=263.55cm.现选用腹板高度h 0=220cm.

(4)腹板厚度选择按经验公式计算： t w =11/h =1.35cm,选用t w =1.6cm.

(5)翼缘截面选择每个翼缘需要截面为：

A 1=w/h0-twh0/6=85950.9/220-1.6*220/6cm=332cm^2

B1=h0/3～h0/5=220/3～220/5=73.3～44cm B1<=h0/2.5=88cm

Q235:b1>=l1/16=200/16=12.5cm 选b1=60cm

t1=A1/b1=335.69/60=5.53cm t1>=b1/30*

235

y f =60/30*1=2

选t1=5.6cm

上翼缘的部分截面可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用t 1=5.6cm,b 1=40cm.面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为： B=b 1+60t=40+60*1.4=124cm.

截面形心矩：y

1

=∑(Ayˊ)/∑A=119459.12/1085.6=110.04cm

截面惯性矩:I=twh0^3/12+∑Ay^2=1.6*220^3/12+14239883.5

=15659616.83cm^4

截面抵抗矩：

上翼缘顶边W

max

=I/y1=10750729.92/109.9=142308.4cm^3

下翼缘底边W

max

=I/y2=10750729.92/122.56=127771.025cm^3

弯应力σ=Mmax/Wmin=12376.931/127771.025

=9.69<0.9*16=14.4KN/cm^2

（7）整体稳定性与挠度验算因主梁上翼缘直接同钢板相连，按规范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h

0s=0.0.65h

=0.65*220=143cm.

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，离开支承段的距离为2000-100=1900mm=190cm.如下图。

主梁支承端截面图

主梁变截面位置图

剪切强度验算：考虑到主梁段部的腹板及翼缘部分分别同支承

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

截面惯性矩：I0=(1.5*143^3)/12+4133451.27=4498977.14m^4。截面下半部中和轴的面积矩：

S=336*78.58+﹝（4.28+143/2）^2*1.5﹞/2=26459.715

剪应力：τ=Vmax*S/I0tw=2335.27*26459.715/(4498977.14*1.5) =9.16<﹝τ﹞=9.5KN/cm^2 安全

3.翼缘焊缝

翼缘焊缝厚度h

f 按受力最大的支承端截面计算。最大剪力V

max

=2335.27kN.截面惯性矩

I=4498977.14cm.

上翼缘对中和轴的面积矩 S1=173.6*74.22+224*70.02=28569.072cm^3

下翼缘对中和轴的面积矩 S2=336*78.58=26402.88cm^3

需要

hf=VS1/(1.4I0﹝τf﹞)=2335.27*28569.072/(1.4*4498977.14*11.3)

=0.937cm

角焊缝最小厚度h

f

>=1.5t=1.5*56=11.22mm

全梁的上下翼缘焊缝都采用h

f

=12mm.

4腹板的加劲肋和局部稳定验算

加劲肋的布置：因为 220/1.6=137.5>80 故需设置横向加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板兼作加劲肋，其间距a=200cm。腹板区格划分主梁变截面位置图 .

该区格的腹板平均高度h0’=(220+143)/2=181.5cm

因h0’/tw=181.5/1.6=113.44>80 故在梁高减小的区格内要设置横加劲肋。

5面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算

从上述的面板设计可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有10和11之间板厚度较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取此区格，并验算其长边中点的折算应力。

面板区格在长边中点的局部弯曲应力：

σmy=kypa^2/t^2=(0.449*0.09506*775^2)/14^2=130.8N/mm^2

σmx=uσmy =0.3*130.8=39.24N/mm^2

对应于面板区格11在长边中点的主梁弯矩和弯应力：

M=233.527*10*9.3-(233.527*9^2)/2=12260.17KN·m

σ0x=M/W=(12260.17*10^6)/1423084*10^6=86.152N/mm^2

面板区格的长边中点的折算应力

σ2h=128.18N/mm^2<1.55﹝σ﹞=248N/mm

上式中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.荷载和内力计算

横隔板同时兼做竖直次梁，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撑在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为M=4.6*9.81*4.6/2*2*4.6)3=318.29KN·m

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2200mm*8mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm*10mm

的扁钢，上翼缘利用面板的宽度按B=ξ

2

b确定，其中b=2000mm，按,查表可得有效宽度

系数ξ

2

=0.746，则B=0.746*2000=1492mm，取B=1450mm 如下图

截面形心到腹板中心线的距离：

e=(1450*14*1107-200*10*1105)/(1450*14+200*10+2200*8)507.8mm

截面惯矩:I=(8*2200^3)/12+8*2200*507.8^2+10*200*1612.8^2

+14*1450*599.2^2=2412779*10^4mm^4

截面模量：Wmin=2412779*10^4/1617.8=14913951.04mm^3

验算弯应力：σ=M/Wmin=318.29*10^6/14913951.04

=21.34<﹝σ﹞=160N/mm^2

于由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=10mm。

7 ：纵向连接系设计

1.荷载和内力计算

纵向连接系受闸门自重。露顶式平面钢闸门G按式计算：

当H>8m时G=0.012KzKcH^1.65B^1.85*9.8KN

=0.012*1*1*14^1.65*20^1.85*9.8=2335.74KN

H=14 Kc=1 Kz=1 B=20

下游纵向连接系承受 0.4G=0.4×2335.74=934.296KN

纵向连接系是做简支的平面桁架。其桁架腹杆布置如图，其节点荷载为

934.296/10=93.4296KN

2.斜杆截面计算

斜杆承受最大拉力N=594.58KN，同时考虑闸门偶然扭曲是可能承受压力，故长细比的限

制值应与压杆相同，即

[]200

=

≤λ

λ。

选用双角钢∟180×14，表查得：

截面面积A=48900㎜2回转半径i

y0

=35.6mm

斜杆计算长度l0=0.9*4.336=3.9m

长细比λ=l0/i

y0

=(3.9*10^3)/35.6=109.55<﹝λ﹞=200

验算拉杆强度：σ=(594.58*10^3)/48900=12.16<0.85﹝σ﹞=136N/mm^2

考虑双角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。

八：边梁设计

边梁的截面形式采用双腹式（如下图），边梁的截面尺按照构造要求确定，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，为了便于安装滚轮，两个下翼缘为用宽度为200mm的扁钢做成。

双腹式边梁截面

边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计师将容许应力值降低15%作为考虑受扭影响的安全储备。

1.荷载和内力计算

在闸门每侧边梁上各设3个滚轮。其布置尺寸可见下图

边梁计算图（弯矩图、剪力图）如下图

弯矩图

剪力图

6.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。每个主梁作用于边梁的荷载为R=583.8175KN 。

7.竖向荷载。有闸门自重、滚轮摩擦阻力、止水摩阻力、起吊力等。 上滚轮所受的压R1=1292.025kN 其他滚轮所受的压为 R2=1427.54kN 下滚轮所受的压力R3=1950.98kN 最大弯矩Mmax=934.11kN ·m 最大剪力Vmax=1167.64kN

最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为7000kN （详细计算见后）。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滚轮的摩阻力，该轴向力

kN f N 88.6857025.129211.0700011.07000=?-=?-=

2.边梁的强度验算

截面面积 A=256200565502161430??+?+??=98960mm 2

面积矩

3m ax 08.702)5615098960/()15145615077198960(mm S =?-??-?=

截面惯性矩I=16*(1430^3)*2/12+2.8975*10^10=36773300000mm^4 截面模量311.252217421458

3677330000mm W ==

截面边缘最大应力验算:

[]2263m ax m ax

N/mm 1208.0N/mm 45.5711

.252217421011.9343361601088.6857==?+?=+=σσ W M A N 腹板最大剪应力验算：

[]2

23max max N/mm 76958.08.0N/mm 007.01603677330000208

.7021064.11672=?==????==ττ w It S V

腹板与下翼缘连接处应力验算：

2

3max N/mm 59.427.7507.72204.37989601088.6857=?+?='+=y y W M A N σ 2

3max N/mm 66.161603677330000207.7502562001011672=???????==w i It S V τ

[]2222222/N 1281608.08.0N/mm 44.5166.16359.423mm h =?==?+=+=στσσ

以上的验算满足强度要求。

九：行走支承设计

滚轮计算： 轮子的主要尺寸是轮径D 和轮缘宽度b ，这些尺寸是根据轮缘与轨道之间的接触应力的强度条件来确定的，对于圆柱形滚轮与平面轨道的接触情况是线接触，其接触应力可按下式计算，其中下滚轮受力最大，其值为1167.64kN 。设滚轮轮缘宽度b=120mm ，轮径D=540mm 。

2

25max

/5.5872355.2/77.37270

1201006.264.11671.1418.01.1418.0mm N mm N bR E P l =?=????== σ为了减少滚轮转动时的摩擦阻力，在滚轮的轴孔内还要设滑动轴承，选用钢对10-1铸铁铝磷青铜。

轴和轴套间压力传递也是接触应力的形式，验算：

[]

5094.22280

*2003^10*64.1167*1.11.11=≤===

cg l cg db P σσN/mm^2 取轴的直径d=200mm ，轴套的工作长度b 1=280mm ，

轮轴选用45号优质碳素钢，取轮轴直径d=160mm ，其工作长度为b=280mm ，对其进行弯曲应力和剪应力验算：

3

33max 67.107178612

16014.312110mm

d W m

KN M =?==?= []226

m ax /1168.0/63.10267

.107178610110mm N mm N W M ==?==σσ

KN P V l

82.5832

m ax ==

[]2

232

max /768.0/05.294/2^16014.31082.5834

mm N mm N d V ==??==στ 轴在轴承板的连接处还应按下式验算轮轴与轴承板之间的紧密接触局部承压应力：[]

2^/1288.054.4090

1603

^1082.583mm N t

d N cj cj =≤=??=

=

∑σσ

其中轴承板所受的压力KN Pl

N 82.5832

==

取轴承板叠总厚度mm t 90=∑

十、滚轮轨道设计

1.确定轨道钢板宽度

轨道钢板宽度按钢板承压强度决定。根据Q235钢的容许承压应力为

[]2/100mm N =σ，则所需要的轨道底板宽度为

mm N b P q l /33.97301201064.11673=?==

[]

mm q

B 3033.97100

33

.9730==

=

σ，取B=100mm 故轨道地面压应力：

2

/3033.9711033

.9730mm N c ==

σ

2.确定轨道底板厚度

轨道底板厚度б按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力：

[]

σσσ≤=22

3t c c

式中轨道底板的悬臂长度c=20mm ，对于Q235由表查得[]2

/100mm N =σ。

故需要轨道底板厚度：

[]

mm

c t c 17.34100203033.97332

2

=??==

σσ，取值t=40mm 。

轨道如图

十一．闸门启闭力和吊耳计算 1.启门力按式计算

x

Zd P 1.2(T G 1.1+++=）启Zs T T

其中闸门自重 G=2335.74KN 滑道摩阻力

kN

T zd 89.3182)1.05.76.0(2720

4527.233=+????=

止水摩阻力kN fbHp T zs 87.24269.678.132.065.022=????== 其中橡皮止水与钢板间摩擦系数 f=0.65 橡皮止水受压宽度取为 b=0.2m 每边侧止水受压长度 H=13.8m

侧止水平均压强 p=233.527*4/13.8=67.69KN/㎡

下吸力P x 底止水橡皮采用I110-16型，其规格为宽16mm ，长110mm 。底止水沿门跨长20.6m ，根据SL74-95修订稿：启门时闸门底缘平均下吸强度一般按 20KN/㎡计算，则下吸力：

kN

P x 592.6016.06.2020=??=

故闸门的启门力：

kN

P T T G T x zs zd 818.6686592.6)87.24289.3182(2.174.23351.1)(2.11.1=++?+?=+++=启

2.闭门力按式（7-24）计算：

kN

G T T T zd zs 746.200874.23359.0890.318287.242(2.19.0)(2.1=?-+?=-+=闭

显然仅靠闸门自重是能关闭闸门的。 吊轴和吊耳板验算，如图：

吊轴和吊耳板图（mm ）

（1）吊轴，由于采用双腹式边梁，采用Q235钢，由表查得[]Mpa 65=τ，采用双吊点，每边起吊力为kN T P 091.40122818

.66862.122.1=?

=?

=启

吊轴每边剪力

kN P V 02.10034091

.40124===

需要吊轴截面积[]2

308.15431651002.11003mm V

A =?==τ

又

2

2

785.0.04

d d A ==

π

故吊轴直径

mm A d 2.140785.008.15431785.0==≥

取d=143mm

（2）吊耳板强度验算。按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按下式

计算。由表查得Q235钢的

[]2

/80mm

N cj

=σ

故

[]

mm d P

t cj

35.17580

14321009.401223=???==

σ则t 取177mm

因此在边梁腹板上端部各焊一块厚度为50mm 的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为D=3d=3×143=429mm 。 吊耳孔壁拉应力按下式计算：

[]k cj

k r R r R σσσ85.0222

2≤-+=

2

3

/26.79143177210091.40122mm N td P cj =???==σ式中，吊耳板半径

R=214.5mm ，轴孔半径

r=71.5mm ，由表查得[]Mpa k 120=σ，所以孔壁拉应力：

2

22222/10212085.0/075.995.715.2145.715.2144.79mm

N mm N k =?=-+?= σ

故满足要求。

十二：液压启闭机的选择

根据本闸门的设计情况应在上表选择QPKY-5000 /-17.0型号的的液压启闭机两台。