水工鋼閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、6金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計計算6.3.1設(shè)計資料(1) 閘門型式：露頂式平面鋼閘門(2) 孔口尺寸(寬X高)：6mx3m(3) 設(shè)計水頭:3.16m(4) 結(jié)構(gòu)材料：Q235鋼(5) 焊條：E43(6) 止水橡皮：側(cè)止水型號采用P45-A,底止水型號采用I110-16(7) 行走支承：采用膠木滑道，壓合膠木為MCS-2(8) 混凝土強(qiáng)度等級：C251. 規(guī)范：利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范(SL74-95)6.3.2閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置6.3.2.1閘門尺寸的確定閘門高度:考慮風(fēng)浪產(chǎn)生的水位超高，將閘門的高度確定為3m。閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L0=6.0m閘門計算跨度：L=L

2、6;+2d=6.0+20；15=6.3m6.3.2.2靜水總壓力閘門在關(guān)閉位置的靜水總壓力如圖6.1所示，其計算公式為：9.8322=44.1kN/m圖6.1閘門靜水總壓力計算簡圖6.3.2.3主梁的形式主梁的形式應(yīng)根據(jù)水頭的大小和跨度大小而定，本設(shè)計中主梁采用實(shí)腹式組合梁。6.3.2.4主梁的布置根據(jù)主梁的高跨比，決定采用雙主梁。兩根主梁應(yīng)布置在靜水壓力合力線上下等距離的位置上，并要求兩主梁的距離值要盡量大些，且上主梁到閘門頂緣的距離c小丁0.45H,且不宜大丁3.6m,底主梁到底止水的距離應(yīng)符合底緣布置的要求。故主梁的布置如圖6.2所示圖6.2主梁及梁格布置圖IiiininqQ-1'

3、;iimh-義IV卜寸ci寸iVrs.VonVIn_-6.3.2.5梁格的布置和形式梁格采用復(fù)式布置并等高連接，并使用實(shí)腹式豎向隔板兼作豎直次梁，使水平次梁穿過隔板上的預(yù)留孔而成為連續(xù)梁，其間距上疏下密，面板各區(qū)格需要的厚度大致相等,具體布置尺寸如圖6.2所示。6.3.3面板設(shè)計根據(jù)水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范(SL74-95),關(guān)丁面板的計算，先估算面板厚度，在主梁截面選擇之后再計算面板的局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力。初選面板厚度。面板厚度計算公式為：kyq當(dāng)b/a>3時，a=1.4;當(dāng)b/a<3時，a=1.5。列表進(jìn)行計算，見表6.1:表6.1面板厚度計算表區(qū)格a(mmb(mmb

4、/aky，2、q(N/mm)a(mm)I650r21003.23110.7500.00322.131n65021003.2310.5000.00963.01m46621004.5060.5000.01502.70IV46621004.5060.5000.02003.11V46621004.5060.5000.02423.42VI300二21007.000一0.7500.02792.90由上表的計算結(jié)果，再加上2mm的腐蝕余度，選用面板厚度為6mm。6.3.4水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計(1) 荷載與內(nèi)力計算水平次梁和頂、底梁都是支承在隔板上的連續(xù)梁，作用其上的水平壓力可按下式計算：a上+a下p=

5、qY列表計算，具體計算過程見表6.2:表6.2水平梁水平壓力計算表梁號梁輔城處靜水壓強(qiáng)q(kN/m*)梁間距(m)2p(kN/m)1(頂粉I(i.37Jr0_97562112(±主梁)12.740.650.5(>07.134317.310.47047。&1364r2L89n0.4了r0.47010.2885下主梁)26.460.470.38510_1876(底梁)29.40.30.1504.410經(jīng)計算，水平次梁計算荷載取10.3kN/m,水平次梁為三跨連續(xù)梁,跨度為2.1m。計算簡圖如圖6.3所示：圖6.3水平次梁計算簡圖q=10.3kN/m故水平次梁彎曲時跨中彎矩為

6、：M1=0.08ql2=0.0810.32.12=3.63kNm支座B處的彎矩為：Mb=0.1ql2=0.110.32.12=4.54kNm截面選擇4.541061603=28375mm3考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選14a,查表得：A=1851mm2;Wx=80500mm3;Ix=5640000mm4;b=58mm;d=6mm。面板參加次梁工作的有效寬度：B=60、.bl=60658=418mm8=b（正彎矩段）B=ib（負(fù)彎矩段）按4號梁進(jìn)行計算，梁問距為b=470mm,對丁連續(xù)梁的正彎矩段|0=0.81=0.8x2100=1680mm,l0/b=1680/470=3.57,查表得

7、&=0.87,故B=%b=409mm。對丁其負(fù)彎矩段l0=0.41=0.4x2100=840mm,l0/b=840/470=1.79,查表得&=0.64,故B=b=301mm。面板參加水平次梁工作后的組合截面如圖6.4所示：圖6.4組合截面圖對丁第一跨中，選用B=409mm,則水平次梁的組合截面積為A=1851+409X6=4305mm組合截面形心到槽鋼中心線的距離為：e=409673=42mm4305跨中組合截面的慣性矩及截面模量為I1=564000018514224096312=11263458mm4112634583%=-=100567而對支座段選用B=301mm,則組合

8、截面面積為：A=1851+301X6=3657mm組合截面形心到槽鋼中心線的距離為301673e36mm3657支座組合截面的慣性矩及截面模量為2_24I1=56400001851362301637=10511310mm4105113103%=卞一=9916而(2) 水平次梁的強(qiáng)度驗算由丁支座B處彎矩最大，且截面模量最小，故只需驗算支座B處截面的抗彎強(qiáng)度，即ob=454=45.78N/mm2<卜】=160N/mm2Wmin99163故水平次梁選用14a滿足要求。軋成梁的剪應(yīng)力一般很小，可不必驗算。(3) 水平次梁的撓度驗算受均布荷載的等跨連續(xù)梁，最大撓度發(fā)生在邊跨，由丁水平次梁在B支座處

9、截面的彎矩已經(jīng)求得，則邊跨撓度可近似地計算為：fee”ql4cc”10.32.13109f一=0.6770.6770.0003-一=0.004l100EI1l1002.0610510511310_l故水平次梁選用14a滿足強(qiáng)度和剛度要求(4) 頂梁和底梁頂梁所受的荷載較小，但考慮水面漂浮物的撞擊等影響，必須加強(qiáng)頂梁的剛度，故采用16a。底梁采用14a。6.3.5主梁設(shè)計設(shè)計資料主梁荷載：q=P/2=22.05kN/m主梁跨度：計算跨度L=6.3m,荷載跨度Lq=6m。隔板間距：2.1m主梁允許撓度：f=1/600(1) 內(nèi)力計算主梁計算簡圖如圖6.5所示：圖6.5主梁計算簡圖q=22.05kN

10、/mmax22.056X2=109.15kNmVmax2四=22.056=66.15kN(2) 需要的截面模量已知Q235鋼的允許應(yīng)力b=160N/mm2考慮鋼閘門自重引起的附加應(yīng)MmaxwmaxLaJ力作用,取允許應(yīng)力為b=0.9X160=144N/mmf,則需要的截面模量為：109.1510003=758cm144考慮利用面板作為主梁截面的一部分，初選I40a,查表得：A=86.1cm2;Wx=1090cm3;Ix=21700cm4;b=142mm;d=10.5mm;t=16.5mm。面板參加主梁工作有效寬度：B=60、bl=606142=502mm取b=0.5m,l0=6.3m,l

11、76;/b=12.6,查表得&=0.99,故B=全=0.99X0.5=495mm故選用B=495mm,則主梁組合截面面積為：A=86.1+49.5X0.6=115.8cm2組合截面形心到工字鋼中心線的距離為：49.50.620.3115.8=5.2cm組合截面的慣性矩及截面矩為：I1=2170086.15.2249.50.615.12=30800cm4308003Wm、五=1222.2時-23SF4.21.6524.40.51.0523.6864.1cm(3) 彎應(yīng)力驗算Mmax_109.15106Wmin"1222.210322=89.3N/mm<144N/mm-33

12、VmaxS66.1510864.110max=a11C.3080010410.5=17.67MPavh=120MPa校核主應(yīng)力：；max23.max2=89.32317.672=94.4MPak.1故滿足要求。(5)撓度驗算f5ql3522.0563109f=7T=0.001|一1=0.0017l384EI13842.0610530800104l(6)面板參加主梁工作的折算應(yīng)力驗算由上述的面板計算可知，直接與主梁相鄰的面板區(qū)格，只有區(qū)格V所需要的板厚較大這意味著該區(qū)格的長邊中點(diǎn)應(yīng)力也較大，所以選取區(qū)格V驗算其長邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力。面板區(qū)格V在長邊中點(diǎn)的局部彎曲應(yīng)力為：220.50.0242466

13、22-my=kyqa/=2=73N/mm6了mx=七my=0.373=21.9N/mm2對丁面板區(qū)格V在長邊中點(diǎn)的主梁彎矩為：M=109.15kN-mM109.151060x=7W1222.8103=89.3N/mm2故折算應(yīng)力為：Qzh=J(2+(bmxf)2-(Vmy)(bmxf)=121.6N/mm2菱1.但far=246.4N/mm故面板厚度選用6mm,滿足強(qiáng)度要求。6.3.6豎直次梁(隔板)豎直次梁按支承在主梁上的雙懸臂梁計算，受力簡圖如圖6.6所示:圖6.6豎直次梁計算簡圖(1) 1A/二：B乙內(nèi)力計算支座A斷面上的彎矩為：ha3MA、b=7.54kNm6支座B斷面上的彎矩為：(2

14、) MB=(HHb)CB2b=2.41kNm4截面選擇隔板的腹板選用與主梁腹板一致，采用380mmc10mm上翼緣利用面板，卜翼緣采用200m10mm的扁鋼。面板參加豎直次梁工作的有效寬度：b=2.1m,l0=0.7X1.4m=0.98ml°/b=0.46,查表得5=0.180故有效寬度為B=E1b=378mm截面形心到腹板中心線的距離：3786190-20010190e=6.3mm3786+38010+20010截面慣性矩：I=13833810.63237.80.618.67220120.132=70897cm412截面模量為：Wnin70897=3437cm320.63中和軸一側(cè)

15、靜面矩：S=20119.60.51.05192=582cm3彎應(yīng)力驗算7.541063437103故滿足強(qiáng)度要求=2.19N/mm2<c6.3.7邊梁設(shè)計邊梁的截面形式采用雙腹板式，截面尺寸按構(gòu)造要求確定，高度與主梁端部等高，腹板厚度與主梁腹板高度相同。為了便丁安裝壓合膠木滑塊，下翼緣寬度不宜小丁300mm。雙腹板的間距應(yīng)根據(jù)滑塊的尺寸確定。邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件，由丁受力情況復(fù)雜，故在設(shè)計時可將允許應(yīng)力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲備。邊梁在水平方向承受主梁、水平次梁以及由面板傳來的水壓力和行走支承反力，為簡化計算，邊梁的水平荷載折算成主梁的集中荷載。在豎直方向，還承受門重、水

16、柱重、啟閉閘門時的啟門力、下吸力、上托力以及行走支承與止水上的摩擦阻力等荷載。內(nèi)力計算每根主梁作用與邊梁的集中荷載為R=66.15kN如圖所示，上滑塊所受到的壓力為Ri=46.31kN,下滑塊所受到的壓力為R2=86kN。邊梁最大彎矩為：Mmax=46.31X0.6=27.8kN-m最大剪力為:Vmax=46.31kN最大軸向力為作用在一個邊梁上的起吊力,估計為180kN。在最大彎矩作用截面上的軸向力，等丁起吊力減去滑塊的摩阻力，該軸向力為：N=180-R1f=180-46.31X0.17=172Kn(1) 截面選擇選40a槽鋼,查表得：A=75.4cm2;Wx=879cm3;Ix=17600

17、cm4；b=100mm;d=10.5mm。圖6.8邊梁組合截面圖350截面面積：A=75.4+30X1=105.4cm2截面形心到腹板中心線的距離：301e=0.3cm105.4截面慣性矩：_2_24I=1760075.40.330120.3=29970cm面積矩：S=101.819.60.51.0518.52=442.6cm3截面模量：299703Wnin=1476cm20.3(2) 彎應(yīng)力、剪應(yīng)力驗算：WminVSmax27.81063147610=18.8N/mm2v岳46.3110442.610299701046=11.4MPaV故滿足要求。6.3.8行走支承設(shè)計膠木滑塊計算：滑塊位置

18、如圖所示，下滑塊受力最大，其值為R2=86kN。設(shè)滑塊長度為250mm,則滑塊單位長度的承壓力為：q=0.344kN/mm。根據(jù)上述q值查得軌頭弧面半徑R=100mm,軌頭寬度S=25mm。膠木滑道與軌頭弧面的接觸應(yīng)力進(jìn)行驗算：-maxE04,q=104i344=192N/mm2邛七=500N/mm2選定膠木高30mm,寬100mm,長250mm。6.3.9膠木滑塊的軌道設(shè)計(1) 確定軌道底板寬度根據(jù)C25混凝土查得混凝土允許承壓應(yīng)力為(n=9N/mm2,則所需的軌道底板寬度為：Bh=/絲=38mm成J9取Bh=120mm,故軌道底面壓應(yīng)力為：593=5N/mm2120(2) 確定軌道底板厚度軌道底板厚度按其彎曲強(qiáng)度確定。軌道底板的最大彎應(yīng)力為：2了=3%岑：It2式中：軌道底板的懸臂長度c=85mm,對丁Q235鋼，查得b=100N/mm2。故所需軌道底板厚度為：35852100=33mm故取t=40mmo6.3.10閘門啟閉力和吊座計算(1) 啟閉力計算閘門啟閉力按下式計算：Tq=1.2(TzdTzs)1.1GPx閘門自重為G=45kN滑道摩阻力為：Tzd=fP=0.17X264.6=45kN止水摩阻力為:Tzs=0.65X(2X4.5X0.07+4X0.07)X27=16kN止水橡皮采用I110-