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；孔口净宽：3.0m；设计水头：2.8m；结构材料：Q235钢；焊条：E43；止水橡皮：侧止水用P形橡皮；行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2；砼强度等级：C20。参考资料：《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）、《水工钢结构》。二、闸门结构形式及布置1、闸门尺寸的确定，如图-1所示：1）闸门的高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m，闸门的高度H=2.8+0.2=3.0m；2）闸门的荷载在跨度为两侧止水间的跨度：L0=3.0m；3）闸门的计算跨度：L=L0+2×0.15=3.30m。P图1闸门主要尺寸图2、主梁形式的确定。主梁的形式根据水头的大小和跨度大小而定，一般分为实腹式和行架式，为方便制造和维护，采用实腹式组合梁。3、主梁布置。当闸门的跨度L不大于门高H或L/H1.5时，采用多主梁式。根据每根主梁承受相等水压力的原则进行布置，保证主梁尺寸一致，便于制作安装。水面至门底距离为H，主梁个数n，对于露顶式闸门，第K根主梁至水面的距离为yk，则：本次设计根据实际情况采用两根主梁，采用两根主梁布置时，应该对称于水压力合力的作用线y=H/3=2.8/3=0.93m，闸门上悬臂C不宜过长，通常要求C≤0.45H=0.45×2.8=1.26m，下悬臂a≥0.12H，则a=0.33≈0.12H=0.336（m）主梁间距2b=2(y-a)=2×(0.93-0.33)=1.20m则C=H-2b-a=2.8-1.2-0.33=1.27≈0.45H（满足要求）4、梁格布置。梁格布置一般分为：简式、普通式、复式三种。设计跨度较小且宽高比L/H1.5时,可不设次梁，面板直接支承在多根主梁上。本设计采用普通式，不设水平次梁，只在竖向设两道横隔板。ⅠⅡⅢ主梁横向隔板底梁边梁胶木滑块顶梁图2梁格布置尺寸图5、梁格连接形式。梁格的连接形式有齐平连接和降低连接两种。本次设计采用齐平连接。6、边梁与行走支承。边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。三、面板设计根据规范，关于面板计算，先估算面板厚度，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。面板厚度按《钢闸门设计规范》5.2.6-1式计算：当b/a≤3,时，α=1.5；当b/a＞3,时，α=1.4。现对面板进行分区列表计算。表1面板厚度估算区格a(mm)b(mm)b/akyq(N/mm2)t(mm)Ⅰ147011000.7480.2450.0063.635Ⅱ120011000.9170.2820.0185.572Ⅲ33011003.3330.7500.0263.083根据表1计算，选用面板厚度t=6mm。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P按下式计算：P=0.07tσmax=0.07×6×160=33.6（N/mm）面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为mmNIVST/52.38105.945729864301082.282430则面板与主梁连接的焊缝厚度为mmTPhff6.01157.0/52.386.337.0/2222面板与梁格连接焊缝取其最小焊缝厚度hf=6mm。四、顶梁、底梁设计1、荷载与内力计算。作用在顶梁、底梁上的水平压力按下式计算，即2下上aapq列表计算如下表2顶梁、底梁均布荷载的计算梁号梁轴线处水压强度P（kN/m2）梁间距（m）(a上+a下)/2(m)q(kN/m)备注1(顶梁)2.28顶梁荷载按下图计算)/(28.247.1327.1245.1227.11mkNP0.20m1.27m1.47m12.45kN/m2P2P11.472(上主梁)12.451.3416.621.24(下主梁)24.210.76518.520.335(底梁)27.440.226.04根据表2计算，选取底梁计算，底梁边跨中弯矩为M底中=0.08ql2=0.08×6.04×1.12=0.58(kN·m)M底B=0.10ql2=0.10×6.04×1.12=0.73(kN·m)图2底梁计算简图和弯矩图2、截面选择。）（36mm5.45621601073.0MW计算出截面积较小，考虑水面漂浮物的撞击等影响，按最小截面选取即可，底梁及顶梁均采用[8槽钢，由《水工钢结构》附录6附表6.3查得：A=1024mm2；Wx=25300mm3；I=1010000mm4；b=43mm；tw=5mm。面板参加底梁工作有效宽度按下式计算，然后取其较小值。B≤bt+60t=43+60×6=403（mm）B=ξ1b（对跨间正弯矩段）B=ξ2b（对支座负弯矩段）梁间距b=2/3×b1=2/3×330=220（mm）。对于第一跨中正弯矩取L0=0.8L=0.8×1100=880（mm）；对于支座负弯矩段取L0=0.4L=0.4ABCDq=6.04kN.mABCDM底中M底支×1100=440（mm）。根据L0/b查《规范》附表G4：L0/b=880/403=2.18，查表得ξ1=0.73，则B=ξ1b=0.73×220=160(mm)；L0/b=440/403=1.09，查表得ξ2=0.43，则B=ξ2b=0.43×220=95(mm)。对于第一跨中，选用B=160mm，则底梁组合截面面积为A=1024+160×6=1984（mm2）跨中组合截面形心到槽钢中心线的距离为）（mm211984436160e跨中组合截面的惯性矩及截面模量为I底中=1010000+1024×212+160×6×222=1926224（mm4））（3minmm31577611926224W对于支座段选用B=95mm，则组合截面面积为A=1024+95×6=1594（mm2）支座组合截面形心到槽钢中心线的距离为）（mm15159443695e支座组合截面的惯性矩及截面模量为I底支=1010000+1024×152+95×6×282=1687280（mm4））（3minmm30678551687280W3、底梁的强度验算。根据计算结果，支座B处弯矩最大，而有效截面模量最小，因此只需验算支座B处截面的抗弯强度，即226minm/160)m/(80.23306781073.0WmNmNM底支底因此，底梁选用[8槽钢满足要求。4、底梁的挠度验算。受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在边跨，则边跨挠度为底底支底EIlMEIqll163845319262241006.216101.11073.019262241006.2384101.104.65536533=0.000137＜004.02501l因此，底梁选用[8槽钢满足强度及刚度要求。顶梁所受荷载较底梁更小，选用[8槽钢满足要求。五、主梁设计1、设计资料。1）主梁跨度：净跨（孔口宽度）L0=3.0m，计算跨度L=3.3m，荷载跨度L1=3.0m；图3平面钢闸门的主梁位置和计算简图2）单根主梁荷载：mkNHpq/21.1928.28.921221222；3）横向隔板间距：1.10m；4）主梁容许挠度[υ]=L/6002、主梁设计。1）截面选择。①弯矩与剪力。)(93.2540.323.320.321.19maxmkNM)(82.280.321.192121maxkNqLV②需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力[σ]=160N/mm2，侧止水边梁胶木滑道横向隔板面板主梁L0=3000150150L=3300200147012003302800P1/3H=0.93m横隔板主梁主梁L=3300L1=3000考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力为[σ]=0.8×160=128N/mm2，则需要的截面模量为)(203101281093.25325maxcmMW③腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高为）（）（cm16.27600/11006.2103.31012823.096.0/23.096.0722minLELh经济梁高）（cm7.241801.31.35/25/2Whec梁高不得小于hmin，因此取腹板高度h0=35cm。④腹板厚度选择。按经验公式计算：cmhtw54.011/3511/，选用tw=0.6cm（符合钢板规格及最小尺寸要求）。⑤翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为)(3.26356.03520362001cmhthWAw翼缘选用t1=0.6cm（符合钢板规格）。需要b1=A1/t1=2.3/0.6=3.83cm，由于b1选取范围必须在（h/5~h/2.5）之间。因此取b1=h/5=35/5=7cm。面板兼做主梁上翼缘的有效宽度取为）（板cm436.0607601tbB上翼缘面积为A1=7×0.6+43×0.6=30（cm2）⑥弯应力强度验算。xx)(1.102.555.557y1cmAAy截面惯性矩)(5.94577.731312356.01243230cmAyhtI表3主梁跨中截面的几何特性计算部位截面尺寸（cm×cm）截面面积A（cm2）各形心离面板表面距离距离y´（cm）Ay´（cm3）各形心离中和轴距离y=y´-y1（cm）Ay2（cm4）面板部分43×0.625.80.37.74-9.82477.8上翼缘板7×0.64.20.93.78-9.2355.5腹板35×0.62118.7392.78.61553.2下翼缘板7×0.64.236.5153.326.42927.2合计55.2557.57313.7截面模量：上翼缘顶边)(9361.105.945731mincmyIW下翼缘顶边)(3547.265.945732mincmyIW弯应力）（2235minmaxmm/1281608.0)mm/(32.7103541093.25NNWM满足要求。⑦挠度验算。主梁跨中挠度计算为EIlMEIqll163845345364533105.94571006.216103.31093.25105.94571006.2384103.321.195=0.000186＜00167.06001l满足要求。2）翼缘焊缝计算。翼缘焊缝厚度（焊脚尺寸）hf按受力最大的截面计算。最大剪应力Vmax=28.82kN,截面惯性矩I=9457.5cm4。上翼缘对中和轴的面积矩S1=25.8×9.8+4.2×9.2=291.5（cm3）下翼缘对中和轴的面积矩S1=4.2×26.4=110.9（cm3）则需要的)m(06.03.115.94574.15.29182.284.11cIVShff角焊缝最小厚度）（mm7.365.15.1thf因此，主梁的焊缝均采用hf=6mm。3）腹板的加劲肋验算。因为80586.0350th，故无需设横向加劲肋。4）面板参与主梁整体弯曲时的强度验算。通过上述面板厚度计算，Ⅱ区所需厚度较大，因此该区长边中点应力最大，所以对Ⅱ区进行折算应力验算。b=1100mm，a=1200mm，P2=0.018N/mm2。由于b/a=1100/1200=0.92＜1.5，则面板Ⅱ区长边中点的局部弯曲应力为)mm/(04.20361200018.0283.022222Ntkpamy)mm/(91.6004.2033.02Nmymx主梁在Ⅱ区中点的弯矩及弯应力为)(93.2540.323.320.321.19mkNM)mm/(14.0109361093.25)5.0368.05.1()5.05.1(23510NWMx其中，ξ1查规范