水工鋼結(jié)構(gòu)潛孔式平面鋼閘門設(shè)計(jì)

1、 水利水電工程鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)目錄一、設(shè)計(jì)資料及有關(guān)規(guī)定1二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置1三、面板設(shè)計(jì)2四、水平次梁、頂梁和底梁地設(shè)計(jì)3五、主梁設(shè)計(jì)6六、橫隔板設(shè)計(jì)9七、縱向連接系10八、邊梁設(shè)計(jì)10九、行走支承設(shè)計(jì)12十、 軌道設(shè)計(jì)13十一、止水布置方式13十二、埋固構(gòu)件14十三、閘門啟閉力14十四、閘門的啟閉機(jī)械14一、設(shè)計(jì)資料及有關(guān)規(guī)定1、閘門形式：潛孔式平面鋼閘門2、孔口尺寸（寬高）：7.0m12.0m3、上游水位：67m4、下游水位：0.1m5、閘底高程：0m6、啟閉方式：電動(dòng)固定式啟閉機(jī)7、材料： 鋼結(jié)構(gòu)：q235-a.f焊條：e43型行走支承：采用滾輪支承止水橡皮：側(cè)止水和頂止水用p型橡

2、皮，底止水用條型橡皮8、制造條件：金屬結(jié)構(gòu)制造廠制造，手工電弧焊，滿足級(jí)焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。9、規(guī)范：水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范 sl 1974-2005二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置1、閘門尺寸的確定閘門高度：12.2m閘門的荷載跨度為兩止水的間距：7.0m閘門計(jì)算跨度：10+20.22=7.44(m) 設(shè)計(jì)水頭：67m 2、主梁的數(shù)目及形式 主梁是閘門的主要受力構(gòu)件，其數(shù)目主要取決于閘門的尺寸。因?yàn)殚l門跨度l=7m,閘門高度h=12m,l3時(shí)，a=1.4,則t=akp(0.91.4160)=0.07akp現(xiàn)列表1計(jì)算如下：表1區(qū)格a(mm)b(mm)b/akpn/mm2kpt(mm)1910123

3、01.350.5100.5440.52732.61291012301.350.4290.5540.48830.20391012301.350.4290.5640.49230.44491012301.350.4290.5730.49630.69591012301.350.4290.5830.50030.94691012301.350.4290.5930.50431.19791012301.350.4290.6030.50931.50891012301.350.4290.6130.51331.74991012301.350.4290.6220.51731.991091012301.350.4290

4、.6320.52132.241191012301.350.4290.6420.52532.491286012301.430.5390.6520.59334.68根據(jù)上表計(jì)算，選用面板厚度t=35mm2、面板與梁格的連接計(jì)算已知面板厚度t=35mm ,并且近似地取板中最大彎應(yīng)力max=160n/mm2,則面板局部擾曲時(shí)產(chǎn)生的垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向拉力p為：p=0.07tmax =0.0735160=392(n/mm )面板與主梁連接焊縫方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的剪力：t=vs2io=4184600426352240244429130000=1573(n/mm)面板與主梁連接的焊縫厚度： hf=p2+t2

5、0.7t=3922+15732(0.7113)=20.5(mm) 角焊縫最小厚度：hf1.5t=1.535=8.9(mm)面板與梁格連接焊縫厚度取起最小厚度hf=21mm四、水平次梁，頂梁和底梁地設(shè)計(jì)1、荷載與內(nèi)力驗(yàn)算水平次梁和頂、底梁都是支承在橫隔板上的連續(xù)梁，作用在它們上面的水壓力可按下式計(jì)算，即q=pa上+a下2現(xiàn)列表2計(jì)算如下表2梁號(hào)梁軸線處水壓力強(qiáng)度p（kn/mm2）梁間距（m）a上+a下2（m）q=pa上+a下2(kn/m)1(頂梁)5390.5075273.51.0152（主梁）548.91.015557.11.0153（水平次梁）558.91.015567.31.0154（主梁

6、）568.81.015577.31.0155（水平次梁）578.81.015587.51.0156（主梁）588.71.015597.51.0157（水平次梁）598.71.015607.71.0158（主梁）608.61.015617.71.0159（水平次梁）618.61.015627.91.01510(主梁)628.51.015637.91.01511（水平次梁）638.51.015648.11.01512（主梁）648.40.990641.90.96513（底梁）657.90.4825317.4由列表計(jì)算后得q=7258.8kn/m根據(jù)上表計(jì)算，水平次梁計(jì)算荷載取648.1kn/m，水

7、平次梁為6跨連續(xù)梁，跨度為1.24m，水平次梁彎曲時(shí)的邊跨彎距為: m次中0.072ql2=0.072648.11.242=71.9(knm)支座b處的負(fù)彎距：m次b0.106ql2=0.106648.11.24 2=105.4(knm)2、截面選擇w=m=105.4106160=658750(mm3)考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選36a,由附錄三表4查得：a=6089mm2 ； wx=659700mm3； ix=118742000mm4； b1=96mm； d=9mm 面板參加次梁工作的有效寬度分別按下式計(jì)算，然后取其中較小值。 bb1+60t=96+6035=2196(mm) b=

8、1b (對(duì)跨間正彎距段) b=2b （對(duì)支座負(fù)彎距段）按11號(hào)梁計(jì)算，梁間距b=b1+b22=1015+10152=1015(mm)對(duì)于第一跨中正彎距段 ：l0=0.8l=0.81240=992(mm)對(duì)于支座負(fù)彎距段：l0=0.4l0.41240496(mm) 根據(jù)l0/b查表7-1： 對(duì)于l0/b992/10150.997 得10.40，得b=1b406(mm) 對(duì)于l0/b496/10150.489 得20.16，得b=2b162.4(mm)對(duì)第一跨中選用b406mm,則水平次梁組合截面面積（如圖）:a=6089+40635=21199(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線得距離:e=406

9、35197.521199=132(mm)跨中組合截面的慣性距及截面模量為：i次中118742000+60891322+4063565.52285801188(mm4)wmin=285801188312=916029(mm2)對(duì)支座段選用b162.4mm，則組合截面面:a=6089+162.435=11773(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線得距e=162.435197.511773=95(mm)支座初組合截面的慣性距及截面模量為：慣性距： i次中=118742000+6089952+162.435112.52=245633350(mm4) 截面模量：wmin=245633350265=9269

10、18(mm2) 3.水平次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算 由于支座b處彎距最大，而截面模量較小，故只需驗(yàn)算支座b處截面的抗彎強(qiáng)度，即:次=m次bwmin=77.86106916029=78.4nmm2=160(n/mm2)=m次中wmin=105.4106926918=113.7(nmm2)=160(nmm2) 說明水平次梁選用36a滿足要求。 軋成梁的剪應(yīng)力一般很小，可不必驗(yàn)算。4.水平次梁的撓度驗(yàn)算受均布荷載的等跨連續(xù)梁，最大撓度發(fā)生在便跨，由于水平次梁在b支座處截面的彎距已經(jīng)求得m次b=71.86knm,則邊跨撓度可近似地按下式計(jì)算：l=5384ql3ei次-m次bl16ei次 =5648.1124033

11、842.06105285801188-71.8610161240162.06105285801188 =0.000179l=1250=0.004故水平次梁選用36a度和剛度要求。五、主梁設(shè)計(jì)（一）設(shè)計(jì)資料（1）主梁跨度：凈跨（孔口凈寬）l07.0m ；計(jì)算跨度l7.44m；荷載跨度l1=7m；（2）主梁荷載：q=(9.855+9.867)12(26)=1195.6(kn/m) （3）橫向隔板間距：1.24m （4）主梁容許撓度：w=l/600 （二） 主梁設(shè)計(jì)1、截面選擇（1）彎距和剪力。彎距與剪力計(jì)算如下：彎距：mmin=1195.6727.442-74=8243.7(kn/m)剪力：vma

12、x=ql12=121195.67=4184.6(kn)（2）需要的截面抵抗距：已知q235鋼的容許應(yīng)力=160n/mm2，考慮鋼閘門自重引起附加應(yīng)力的影響，取容許應(yīng)力=0.9160=144n/mm2 則需要的截面抵抗矩為：w=mmax=8243.71001440.1=57247.9(cm3)（3）腹板高度選擇：按剛度要求的最小梁高（變截面梁）為：hmin=0.960.23lel=0.960.231441027.441022.06107(1600)=70.3(cm)經(jīng)濟(jì)梁高：hec=3.1w25=3.157247.925=248(cm) 由于鋼閘門中的橫向隔板重量將隨主梁增高而增加，故主梁高度宜

13、選得比hec為小，但不小于hmin?，F(xiàn)選用腹板厚度h0240cm 。（4）腹板厚度選擇tw=h11=24011=1.4(cm) 選用tw4cm（5）翼緣截面選擇：每個(gè)翼緣需要截面為a1=wh0-twh06=57247.9240-42406=78.5(cm2)下翼緣采用 t1=2cm（符合鋼板規(guī)格）需要b1=a1t1=78.52=39(cm)，選用b1=60cm（在h/2.5h/5=9648之間）。 上翼緣的部分截面積可利用面板，故只需設(shè)置較小的翼緣板同面板相連，選用t12cm， b114cm， 面板兼作主梁上翼緣的有效高度為bb1+6014+603.5224(cm) 上翼緣截面面積a1=142

14、.0+2243.5=812(cm2 ) (6)彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算截面形心距：y1=aya=1515581892=80.1(cm)截面慣性距：i=twh0312+ay2=4240312+10274177=14882177(cm4)截面抵抗距： 上翼緣頂邊wmax=iy1=1488217780.1=185795(cm3) 下翼緣底邊wmin=iy24=88902(cm3) 彎應(yīng)力：=mmaxwmin=8243.710088902=9.30.9=0.916=14.4(kn/cm2) 表3部位截面尺寸（cmcm）截面面積a(cm2)各型心離面板表面距離y（cm） ay（cm3）各

15、型心離中和軸距離y=y-y1(cm)ay2(cm4)面板部分2243.57841.751372-78.354812758上翼緣142284.5126-75.6160030腹板2404960125.512048045.41978714下翼緣602120246.529580166.43322675合計(jì)189215155810274177（7）因主梁上翼緣直接同面板相連，可不必驗(yàn)算整體穩(wěn)定性，因梁高大于按高度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗(yàn)算。2、截面改變因主梁跨度較大，為減小門槽寬度與支承邊梁高度（節(jié)約鋼材），有必要將主梁承端腹板高度減小為h0s=0.6h0=144cm。梁高開始改變的位置取在鄰

16、近支承端的橫向隔板下翼緣的外側(cè)，離開支承端的距離為12410=114cm考慮到主梁端部腹板及翼緣相焊接，故可按工字截面梁驗(yàn)算應(yīng)力剪力強(qiáng)度。尺寸表4所示：表4部位截面尺寸（cmcm）截面面積a(cm2)各型心離面板表面距離y（cm）ay（cm3）各型心離中和軸距離y=y-y1(cm)ay2(cm4)面板部分2243.57841.751372-40.851308278上翼緣142284.5126-38.140645腹板144457677.54464043.9701573下翼緣602120150.518060107.91397089合計(jì)1508641983447585截面形心距：y1=6419815

17、08=42.6(cm)截面慣性距：i0=3.5144312+3447585=4442913(cm4)截面下半部對(duì)中和軸的面積距：s=120107.9+106.9242=35803(cm3)剪應(yīng)力：=vmaxsi0t=4184.63580344429134=8.4(kn/cm2)=9.5kn/cm23、翼緣焊縫翼緣焊縫厚度hf按受力最大的支承端截面計(jì)算。vmax4184.6kn。i0=4442913cm4，上翼緣對(duì)中和軸的面積距：s1=78440.852838.1=33093(cm3)下翼緣對(duì)中和軸的面積距：s2=120107.912948(cm3)s1需要hf=vs11.4i0f=4184.6

18、330931.4444291311.3=2cm=20(mm)角焊縫最小厚度hf1.5t=1.540=9.5(mm)全梁的上下翼緣焊縫都采用hf21mm 。4、腹板的加勁肋加勁肋的布置：因h0t=2404=6080，故不需要設(shè)置橫向加勁肋。5、面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力的驗(yàn)算取面板區(qū)格12驗(yàn)算其長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力計(jì)算 my=kpa2t2=0.5390.6528602352=212(n/mm2)mx=my=0.3212=63.6(n/mm2)面板區(qū)格12的長(zhǎng)邊中點(diǎn)的主梁彎矩和彎應(yīng)力m=1195.63.53.1-1195.62.922=7944.8(knm)0x=mw=7944.81061

19、85.8106=42.8(kn/mm2)該區(qū)格長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力zh=my2+mx+0x2-mymx+0x =2122+(63.6-42.8)2-212(63.6-42.8)=202nmm2=1.55160=248(n/mm2) 故面板厚度選用35mm滿足強(qiáng)度要求 。6、 橫隔板設(shè)計(jì)1、荷載和內(nèi)力計(jì)算橫隔板同時(shí)兼作豎直次粱，主要承受水平次粱、底梁和頂梁傳來的集中荷載以及面板傳來的分布荷載，則每片橫隔板在上懸臂的最大負(fù)彎矩為：m=(9.855+9.856.015)1.01521.241.0152=347.5(knm)2、橫隔板和截面選擇和強(qiáng)度驗(yàn)算腹板選用與主梁腹板同高，采用2400mm20mm，

20、上翼緣利用面板，下翼緣采用200mm10mm的扁鋼，上翼緣可利用面板的寬度公式按式b2b確定其中b=1240mm,按l0/b=21.015/1.24=1.64,查表得20.46 ，則b=0.461240=570mm，取b570mm 。計(jì)算如下圖所示截面幾何特性。截面型心到腹板中心線距離e=570351222.5-200101222.557035+240020+20010=313(mm)截面慣性距：i=202400312+2024003132+1020015182+35570904.52=4.8672658991010(mm4)截面模量：wmin=4.86726589910101523=3195

21、8410(mm3)驗(yàn)算應(yīng)力：=mwmin=347.510631958410=10.8nmm2由于橫隔板截面高度較大，剪切強(qiáng)度更不必驗(yàn)算，橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度 hf=1.520=6.7(mm)，選取hf8mm。七、縱向連接系 1、荷載和內(nèi)力計(jì)算縱向連接系承受閘門自重。潛孔式平面鋼閘門門葉自重按下式計(jì)算g=0.073k1k2k3a0.93hs0.799.8=0.07311095(712)0.93670.799.8=1160(kn)則下游縱向連接系承受0.4g=464kn縱向連接系視作平面簡(jiǎn)支桁架，其結(jié)點(diǎn)荷載為4646=77.33(kn)2、斜桿截面計(jì)算 斜桿承受的最大的拉力為305kn，

22、同時(shí)考慮閘門偶然扭矩時(shí)可能造成的壓力，故細(xì) 長(zhǎng)比的限制應(yīng)該與壓桿相同。即=150 選用單角鋼l11012，由附錄三表2查得： 截面面積a=25.2cm2 回轉(zhuǎn)半徑iy0 =21.5cm 斜桿計(jì)算長(zhǎng)度l0=0.91.0152+1.242+0.42=1.49(m)長(zhǎng)細(xì)比 =l0iy0=1.4910321.5=69.3=150 驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度=3051032520=121nmm20.85=133nmm2八、邊梁設(shè)計(jì)由于深孔大孔口，行走支承采用滾輪式。所以這里用雙腹式組合邊梁。邊梁的截面尺寸按構(gòu)造要求確定，梁高1460mm，上翼緣直接采用面板，下翼緣用150mm20mm的扁鋼做成。腹板厚度40mm。邊梁

23、是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，做設(shè)計(jì)時(shí)將容許應(yīng)力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲(chǔ)備。1、 荷載和內(nèi)力計(jì)算 滾輪采用等荷載布置，在每個(gè)邊梁上分別布置6個(gè)大小相等的主輪。每個(gè)主輪位于主梁后面。每個(gè)主輪受力為2092.3kn。具體計(jì)算根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器。最大彎矩mmax=2092.3kn/m最大剪力vmax=4184.6kn最大軸向力為作用在邊梁上的一個(gè)起吊力，估為2300kn在最大彎矩作用截面上軸向力為：n=2300-4184.60.1=1881.5kn2、邊梁強(qiáng)度驗(yàn)算截面面積a=49035+150202+4014602=140020(mm2)y1=700mm上半部分對(duì)中和軸的面積矩

24、s1=35490(700-17.5)+40(700-35)2=29393875(mm3)下半部分對(duì)中和軸的面積矩s2=2150201490-700+10+2(1490-700)2402 =30111000mm3截面慣性距： i=3.311761010(mm4)截面模量：w=i432=3.311761010432=76661049(mm3)截面邊緣最大應(yīng)力驗(yàn)算： =na+mmaxw=1881.5103140020+2092.310676661049 =13.4+27.3=40.7nmm20.8=0.8157=126(n/mm2)腹板最大剪應(yīng)力驗(yàn)算： =vmaxsmaxit=41894.61032

25、301110003.31176101040 =9.5nmm20.8=0.895=76(n/mm2) 均滿足強(qiáng)度要求九、行走支承設(shè)計(jì)采用滑動(dòng)式滾輪支承，軸孔采用滑動(dòng)軸承，輪徑d=900mm,寬度b=150mm,輪軸直徑d=200mm,軸套工作長(zhǎng)度b1=250mm，；輪子材料用zg35grlmo.滾輪驗(yàn)算圓柱形滾輪與平面軌道接觸應(yīng)力： max=0.418plebr=2093002.06105150450 =1056nmm23fy=3390=1170nmm2pl：一個(gè)輪子的計(jì)算壓力，n ；b、r：輪緣寬度和輪半徑，mm；e：材料的彈性模量，n/mm2；fy：屈服強(qiáng)度，n/mm2。軸和軸套間接觸應(yīng)力：

26、cg=pldb1=2092300250200=41.8nmm2cg=50nmm2d：軸的直徑，mm；b1：軸套的工作長(zhǎng)度，mm；cg：滑動(dòng)軸套的容許應(yīng)力，n/mm2。輪軸與軸承板間局部承壓應(yīng)力cj=ndt=104600020080=65nmm2cj=80nmm2n：軸承板所受的壓力（n=pl/2），n；t：軸承板疊總厚度，mm；cj：容許應(yīng)力，n/mm2。以上計(jì)算均滿足強(qiáng)度要求。十、軌道設(shè)計(jì)滾輪荷載r=2092.3kn, 混凝土為c25,其h=9n/mm。軌道材料為35mn2,軌道選i56c,由附錄三表4查得：wx=2551400mm3； ix=714300000mm4； b=170mm； t

27、w=16.5mm ；h=560mm1、軌道底板混凝土承壓應(yīng)力：a=3.33eixehb=3.3320600071430000030000170=17725(mm)h=pab=209230017725170=0.7nmm2h=9nmm2 2、軌道局部承壓應(yīng)力：a1=3.33ixtfb=3.3381840016.5=1158.7(mm)cd=pa1tfb=20923001158.716.5=109.4nmm2cd=150nmm2 故滿足要求。十一、止水布置方式側(cè)向止水采用p型橡皮，頂止水采用p型橡皮，底止水采用條形橡皮，布置方式如圖十二、埋固構(gòu)件門槽的埋固構(gòu)件主要有：行走支承的軌道、與止水橡皮相接

28、觸的型鋼、為保護(hù)門槽和孔口邊棱處的混凝土免遭破壞所設(shè)置的加固角鋼等。 側(cè)止水座 底止水座 十三、閘門啟閉力閘門自重g=1160kn滾動(dòng)摩擦阻力 tzd=wfkrr1d+1=502150.1454020+1=335(kn)止水摩阻力 tzs=2fbhp=20.650.0612559.5(kn)上托力pt=0kn閉門力t閉=1.2tzd+tzs-0.9g=1.2335+559.5-0.91160=29.4kng起門力計(jì)算下吸力px=2070.016=2.3kn則啟門力為：t啟=1.1g+1.2tzd+tzs+px=1.11160+1.2335+559.5+2.3=2352(kn)十四、閘門的啟閉機(jī)

29、械 由于啟門力為2352kn，選用江蘇龍城宏力液壓設(shè)備有限公司生產(chǎn)的qpky-4500/2500-15.0型號(hào)的啟閉機(jī)。 qpky系列平面快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī) qpky系列液壓?jiǎn)㈤]機(jī)共14種規(guī)格，適用于水利水電工程水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組進(jìn)口、調(diào)壓井下游快速事故閘門的啟閉，也可用于一般平面事故閘門啟閉，本系列液壓缸按閘門利用水柱壓力或部分加重可關(guān)閉孔口而無需投運(yùn)油泵電機(jī)組的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。型號(hào)表示方法 q p k y / 液壓缸支承型式或 行程（m） 啟門力（kn） 持住力（kn） 液壓傳動(dòng) 快速關(guān)閉 平面閘門 啟閉機(jī)表qpky系列快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)基本參數(shù)序號(hào) 參數(shù)型號(hào)持住力fg（kn）啟門力fq（kn）最大行程lman（m）缸內(nèi)徑d（mm）活塞桿直徑d(mm）缸內(nèi)計(jì)算壓力fg/ fq（mpa）速度vg/vq（m/min）1qpky-60/60-8*60608.0100509.99/9.99vg=3.08.5vq=0.251.02qpky-80/80-8*80808.01106010.39/10.393qpky-100/100-8*1001008.01256310.7/10.74qpky-125/125-8*1251258.01407010.6/10.65qpky-160/160-8*1601608.0160709.