1、.露頂式平面鋼閘門設計一、 設計資料閘門形式：溢洪道露頂式平面鋼閘門孔口凈寬：16.00m孔口凈高：15.00m結構材料：Q235-A.F焊條：E43型行走支承：膠木滑道或者是滾輪支承止水橡皮：側止水用p形橡皮，底止水用條形橡皮制造條件：金屬結構制造廠制造，手工電弧焊，滿足III級焊縫質量檢驗標準規范：水利水電工程鋼閘門設計規范SL 1974-2005二、 閘門結構的形式及布置1.閘門尺寸的確定閘門高度：考慮到風浪產生的水位超高為0.2m，故設計水頭高度= 15- 0.2 = 14.8（m）閘門的荷載跨度為兩側止水的間距：L1 =16m閘門的計算跨度：L = L0 + 2d =16+2

2、5;0.2=16.4(m) 圖一 閘門主要尺寸（單位：m）2.主梁的形式。主梁的形式應根據水頭的大小和跨度的大小而定，本閘門屬于大跨度，為了方便制造和維護，決定采用實腹式組合梁。3.主梁的布置 因為L=16m1.5H=1.5×15=22.5m 所以是選擇7根主梁 根據公式計算得到每一根主梁距水面的距離，然后可取值為y1=4.00m；y2=7.00m; y3=9.00m; y4=11.00m; y5=12.00m; y6=13.00m; y7=14.00m 其具體布置如下圖： 圖二 主梁的布置 單位（m）4.梁的布置和形式。梁格采用復式布置和等高連接，水平次梁穿過橫隔板上的預留孔冰被橫

3、隔板所支承。水平次梁為連續梁，其間距應上疏下密，使面板各區格需要的厚度大致相等，梁格布置具體尺寸如下圖所示。 （單位：dm）5.連接系的布置和形式。（1）橫向連接系，根據主梁的跨度，決定布置7道橫隔板，其間距為2 m，橫隔板兼作豎直次梁。（2）縱向連接系，設在兩個主梁下的翼緣的豎平面內。采用斜桿式桁架。6.邊梁與行走支承。邊梁采用單復式，行走支承采用滾輪支承。三、面板設計根據水利水電工程鋼閘門設計規范SL 1974-2005，關于面板的計算，先估算面板的厚度，在主梁截面選擇之后再驗算面板的局部彎曲與主梁彎曲的折算應力。1.估算面板厚度。假定梁格布置尺寸圖2所示。面板厚度按式計算 當b/a 3

4、時，= 1.5 ，則 當b/a> 3 時，= 1.4 ，則現列 表 1 進行計算。 表一： 面 板 厚 度 的 估 算區格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm)t(mm)1128019901.550.5800.0070.0645.572125019901.590.4680.0200.0978.253113019901.760.4830.0330.1269.68495019902.090.4970.0440.1489.56592019902.160.4980.0540.16410.26690019902.210.4980.0640.17910.95760019903.320.5000.

5、0720.1907.98859019903.370.5000.0780.1978140.5000.0830.2046.851064019903.110.5000.0910.2139.541162019903.210.5000.0980.2219.591244019904.520.5000.1030.2276.991342019904.740.5000.1040.2286.701441019904.850.5000.1100.2356.741541019904.850.5000.1200.2457.031641019904.850.5000.1240.2497.1517

6、40019904.980.5000.1300.25575.100.5000.1350.2607.101931019906.420.5000.1390.2655.752024019908.30 0.7500.1430.3305.54根據上表計算，選用面板厚度 t = 11mm。2.面板與梁格的連接計算。面板局部繞曲時產生的垂直于焊縫長度方向的橫向拉力P，按式max計算。已知面板厚度t=11mm，并且近似地取板中最大彎應力max =【】=160 N/mm2 ，則：max = 0.07×11×160=123.2（N/mm）面板與主梁連接焊縫方向單位長度內

7、的剪力： T=VS/2I0 =441000×620×11×306/2×1617000000=204 (N/mm)由式計算面板與主梁連接的焊縫厚度為=(p/1.22)2+T2)(1/2)/(0.7)=123.22×2042/0.7×115= 3.0(mm)面板與梁格的連接焊縫應采用連續焊縫，面板與梁格連接焊縫取其最小厚度=8mm四、水平次梁、頂梁和底梁的設計1.荷載與內力計算。水平次梁和頂、底梁都是支承在橫隔板上的連續梁，作用在它們上面的水平壓力可按式計算，即列表2 計算后得q=996.86kN/m表2 水 平 次 梁 、 頂 梁 和

8、底 梁 均 布 荷 載 的 計 算梁號梁軸線處水壓強度梁間距（m）（m）（KN/m）1頂梁1.961.22 11.761.26514.881.333 24.791.30032.231.274（主梁） 37.241.13542.271547.041.00047.0411656.841.00056.8417（主梁）66.640.85056.640.7873.500.70051.450.7980.360.65052.230.610（主梁）86.240.65056.060.71193.100.70065.170.71299.960.65064.970.613（主梁） 105.840.55058.210

9、.514 110.740.50055.370.515（主梁） 115.640.50057.820.516120.540.50060.270.517（主梁）125.440.50062.720.518 130.340.50065.170.519（主梁） 135.240.45060.860.420139.160.35048.710.321（底梁） 142.10.30042.63頂梁荷載按下圖計算：根據 表2 計算，水平次梁計算荷載取65.17kN/m,水平次梁為十跨連續梁，跨度為2m。如下圖所示。水平次梁彎曲時的邊跨中彎矩為M次中=0.077ql2=0.077×65.17×2&#

10、215;2=20.07(KNm)支座B處的彎矩為M次B =0.107ql2=0.107×65.17×2×2=27.89(KNm)圖三 水平次梁計算簡圖和彎矩圖2.截面選擇。 W=M/=27.89×106/160=174312.5mm3考慮到利用面板作為次梁截面的一部分，初選 20a，由附錄三表4查得：A=2883；=73mm；d=7mm。面板參加次梁工作有效寬度分別按式及式或（其中）計算，然后取其其中較小值。 b1+60t=73+60×11=733(mm)（對胯間正彎矩段）（對支座負彎矩段）按18號梁計算，設梁間距(500+500)/2=500

11、(mm)。確定式中面板的有效寬度系數 時，需要知道梁彎矩零點之間的間距與梁間距b比值。對于第一跨中正彎矩段取= 0.8=0.8×2000=1600(mm)。對于支座負彎矩段取 =0.4×2000=800(mm)。根據/查下面表3可得：表3 面 板 有 效 寬 度 系 數 和 0.51.01.52.02.53456810120.200.400.580.700.780.840.900.940.950.970.981.000.160.300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92對于/=1600/500=3.2得=0.852則B=b=0.85

12、2×500=426（mm）對于/=800/500=1.6得=0.429則B=b=0.429×500=215（mm）圖四 面板參加水平次梁工作后的組合界面（單位：mm）對第一跨中選用B=426mm ，則水平次梁組合截面面積（圖四）為A =2883+426×11=7569 （mm2）組合截面形心到槽鋼中心線的距離為 e=（426×11×105.5）/7569=65（mm）跨中組合截面的慣性矩及截面模量為 I次中=17804000+2883×652+426×11×40.52=37670887（mm4） W min=376

13、70887/165=228308（mm2）對支座段選用B =215mm ，則組合截面面積為A =2883+215×11=5248 （mm2）組合截面形心到槽鋼中心線的距離為 e=215×11×105.5/5248=48(mm)支座處組合截面的慣性矩及截面模量為 I次B=17804000+2883×482+260×8×57.52=31323432（mm4）W min=31323432/148=211645 （mm2）3.水平次梁的強度驗算。由支座B（圖三）處彎矩最大，而截面模量最小，故只需驗算支座B處的截面的抗彎強度，即 次=M次B/W

14、 min=27.89×106/211645=131.8N/mm2<=160N/mm2說明水平次梁選用 20a 滿足要求。4.水平次梁的撓度驗算。受均布荷載的等跨連續梁，最大撓度發生在邊跨，由于水平次梁在B支座處截面的彎矩已經求得M次B=27.89kN.m ,則邊跨撓度可近似地計算為v/l=5/384×ql3/EI次-M次Bl/16EI次=5×65.17×(2.0×103）3/384×2.06×105×37670887-27.89×106×2.0×103/16×2.06&

15、#215;105×37670887=0.000426<W/L=1/250=0.004 故水平次梁選用 20a 滿足強度和剛度要求。（5）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，必須加強頂梁的剛度，所以也采用 20a。底梁也采用 20a。五、主梁設計（一）設計資料。1.主梁跨度（圖五）；凈跨（孔口寬度）16m ，計算跨度,荷載跨度 ；2.主梁荷載：153.4KN/M；3.橫向隔板間距：2m；4.主梁容許撓度w=L/600。（二）主梁設計。主梁設計包括：截面選擇；梁高改變；翼緣焊縫；腹板局部穩定驗算；面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力驗算。 1截面選擇。彎矩

16、與剪力。彎矩與剪力計算如下 M max=153.4×9/2×(9.4/2-9/4)=5154.24(KNm) V max= qL1/2=1/2×153.4×16.0=1228(KN) 圖五 平面鋼閘門的主梁位置和計算簡圖需要的截面模量。已知 Q235 鋼的容許應力 ，考慮鋼閘門自重應力引起的附加應力作用，取容許應力為 ，則需要的截面模量為 W=M max/= 5154.24×100/（144×0.1）=35793cm2 腹板的高度選擇。按剛度要求的最小梁高（變截面梁）為H min=0.96×0.23×L/Ew/L=

17、0.96×0.23×144×100×16.4×100/（2.06×107×(1/600)）=151.9cm經濟梁高 he=3.1W2/5=3.1×357932/5=206cm由于鋼閘門中的橫向隔板重量將隨主梁增高而增加，故主梁高度宜選得比 小，但不小于 。現選用腹板高度 腹板厚度選擇。按經驗公式計算： ，選用 翼緣截面選擇。每個翼緣截面為 A1=W/h0-twh0/6=35793/180-2.0×180/6=138.85cm2 下翼緣選用（符合鋼板規格） 需要，選用b1=A1/t1 =138.85/2.0

18、=69.425（cm），選用b1= 70cm(在 之間）。 上翼緣的部分截面面積可利用面板，故只需設置較小的上翼緣板同面板相連，選用t1 =2.0cm，b1=30cm。 面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為 B=b1+60=30+60×1.1=96cm； 上翼緣截面積為 A1=30×2.0+96×1.1=165.6cm2彎應力強度驗算。主梁跨中截面（圖六）的幾何特性見表4 。圖六 主梁跨中截面（單位：mm）截面形心矩為： y1=Ay'/A=59474.1/665.6=89.4cm；截面慣性矩 I=th03/12+Ay2=2×1803/12+25523

19、17.4=3524317cm4截面模量： 上翼緣頂邊 W min=I/y1=3524317/89.4=39422cm4； 下翼緣底邊 W min=I/y2=3524317/95.7=36827cm2；彎應力=M max/W min=5154.24×100/36827=14.0（kN/cm2）0.9×16=14.4（kN/cm2）（安全）表4 主 梁 跨 中 截 面 的 幾 何 特 性部位面板部分96×1.1105.60.5558.1-88.9834579.0上翼緣板30×2.0602.1126-87.3457277.4腹板2.0×1803609

20、3.1335163.74928.4下翼緣70×2.0140184.12577494.71255532.6合計665.659474.12552317.4整體穩定性與撓度驗算。因主梁上翼緣直接同鋼面板相連，按設計規范規定，可不必驗算整體穩定性。又因梁高大于按剛度要求的最小梁高，故梁的撓度不必驗算。2截面改變。因為梁跨度較大，為減小門槽寬度和支承邊梁高度（節省鋼材），有必要將主梁支承端腹板高度減小為（圖七）梁高開始改變的位置去載鄰近支承端的橫向隔板下翼緣的外側（圖八），離開支承端的距離為20010 = 190 cm。（單位：mm ） 剪切強度驗算：考慮到主梁端部的腹板及翼緣都分別同支承邊梁

21、的腹板及翼緣相焊接，故可按工字形截面來驗算剪應力的強度。主梁支承端截面的幾何性質見 表5 。表5 主 梁 端 部 截 面 的 幾 何 特 性部位面板部分96×1.1105.60.5558.1-53.6303384.6上翼緣板30×2.0602.1126-52162240腹板2.0×10821657.112333.631944下翼緣70×2.0140112.11569458470960合計521.628211.7938528.6 截面形心距 y1=28211.7/521.6=54.1cm 截面慣性矩 I0=2×1083/12+938528.6=1

22、148480.6cm4截面下半部對中和軸的面積矩S=140×58+57×2.0×57/2=11369cm3 剪應力： =VmaxS/I0t=1228×11369/（1148480.6×2.0）=6.08KN/cm2<=9.5KN/cm2（安全） 3翼緣焊縫。翼緣焊縫厚度（焊腳尺寸）按受力最大的支承端截面計算。最大剪應力1228kN，截面慣性矩=1148480.6 cm4 上翼緣對中和軸的面積矩 S1=105.6×53.6+60×52=8780.2cm3; 下翼緣對中和軸的面積矩 S2=140×58=8120c

23、m3<S1 需要h f=VS1/1.4I0f=1228×8780.2/（1.4×1148480.6×11.3）=0.593m 角焊縫最小厚度h f1.5t0.5=1.5×200.5=6.7mm 全梁的上、下翼緣焊縫都采用8mm。六、橫隔板設計（1）荷載和內力計算。橫隔板同時兼作豎直次梁，它主要承受水平次梁、頂梁和底梁傳來的集中荷載以及面板傳來的分布荷載，計算時可把這些荷載用以三角形分布的水壓力來代替（圖一），并且把橫隔板作為支撐在主梁上的雙懸臂梁。則每片橫隔板在上懸臂的最大彎矩為 M=3.8×37.24/2×2×3.8

24、/3=179kN.m（2）橫隔板截面選擇和強度計算。其腹板選用與主梁腹板同高，采用1800mm×10mm，上翼緣利用面板，下翼緣采用200mm ×10mm 的扁鋼。上翼緣可利用面板寬度按確定，其中b= 2000mm ,按 l0/b=2×3800/2000=3.8，從 表3查得有效寬度系數2=0.71，則B=0.71×2000=1420mm，取B=1400mm計算如 圖九所示的截面幾何特性。圖九 橫隔板截面截面形心到腹板中心線的距離為e = (1400×10×905-200×10×905)/ (1400×1

25、0+200×10+1800×10) =319mm截面慣矩為I=10×18003/12+10×1800×3193+10×200×12242+8×1400×5862=1449559×104mm4截面模量為W min=1449559×104/1229=11794622mm3驗算彎應力為ð =M/W min=179×106/11794622=15.2N/mm2 <ð由于橫隔板截面高度較大，剪切強度更不必驗算。橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度8mm。七、縱向連接

26、系設計1.荷載和內力計算。縱向連接系承受閘門自重。露頂式平面剛閘門門葉自重G按附錄10中的式計算 =0.012×1.0×1.0×××9.8=176.7（KN）下游縱向連接系承受 0.4G=0.4×176.7=70.67（KN）縱向連接系視作簡支的平面桁架，其桁架腹板桿布置如 圖10所示，其結點荷載為 70.67/8=8.834（KN）桿件內力計算結果如 圖十 所示。圖十 縱向連接系計算圖（單位：mm）2.斜桿截面計算。斜桿承受做大拉力N =31.57 KN. 同時考慮閘門偶然扭曲時可能承受壓力，故長細比的限制應與壓桿相同，即 =200

27、 選用單角鋼100×10, 由表附表6.4查得 截面面積 A=1926mm2回轉半徑 I =19.6mm 斜桿計算長度 l0=0.9×=2.08m 長細比 =l0/iy0=2.08×103/19.6=106.1<=200 驗算拉桿強度 ð=31.57×103/1926=16.39N/mm2<0.85ð=133N/mm2 考慮到單角鋼受力偏心的影響，將容許應力降低15%進行計算。3.斜桿與結點板的連接計算（略）。八、邊梁設計邊梁的截面形式采用雙腹式（圖十一），邊梁的截面尺寸按構造要求確定，即截面高度與主梁端高度相同，腹板厚度

28、與主梁腹板厚度相同，為了便于安裝滾輪，兩個下翼緣為用寬度為200mm的扁鋼做成。圖十一 邊梁截面邊梁是閘門的重要受力構件，由于受力情況復雜，故在設計時可將容許應力值降低15%作為考慮受扭影響的安全儲備。Q主梁作用力大小為1228KN 1.荷載和內力計算。在閘門每側邊梁上各設6個滾輪。其布置尺寸見 圖十二。最大軸向力為作用在一個邊梁上的啟吊力，估計為9956kN（詳細計算見后面）。在最大彎矩作用截面上的軸向力，等于啟吊力減去上滑塊的摩阻力，該軸向力N=9956- R1f=9956-1170.0×0.11=9827.3kN。2.邊梁的強度驗算。 截面面積 A=550×60+2&

29、#215;200×60+20×1560×2=119400mm2 面積矩 S max=38898000mm3 截面慣性矩 I=5×1010mm4 截面模量 W=5×1010/780=64169770mm3 截面邊緣最大應力驗算max=N/A+M max/W=9827.3×1000/119400+818.7×1000000/64169770=95.06N/mm2<0.8=120N/mm2腹板最大應力驗算 =V max S max/It w=1169.5×100×38898000/（5×1010

30、×20）=45.49N/mm2<0.8=76 N/mm2腹板與下翼緣連接處折算應力驗算 max=N/A +（M max/W）×（y'/y）=82.3+12.8×780/840=94.2 N/mm2= V max Si /2It w=1169.5×1000×2×200×60×810/（2×5×1010×20）=11.4N/mm22h=96.2 N/mm2<0.8=128N/mm2 以上驗算均滿足強度要求。九、行走支承設計滾輪計算：輪子的主要尺寸是輪徑D和輪緣寬度b，這

31、些尺寸是根據輪緣與軌道之間的接觸應力的強度條件來確定的，對于圓柱形滾輪與平面軌道的接觸情況是線接觸，其接觸應力可按下式計算，其中第五個滾輪受力最大，其值為1284.9kN，設滾輪輪緣寬度b=120mm，輪徑D=500mm max =0.418 =41.18(N/mm2)2.5f=2.5×235=587.5(N/mm2) 為了減少滾輪轉動時的摩擦阻力，在滾輪的軸孔內還要設滑動軸承，選用鋼對10-1鑄鐵鋁磷青銅軸和軸套間壓力傳遞也是接觸壓力的形式。可按下式驗算：cg=取軸的直徑d=250mm，軸套的工作長度b1=300mm滑動軸套容許應力=50N/mm2cg = 18.85(N/mm2)=50(N/mm2)輪軸選用45號優質碳素鋼，取輪軸直徑d=200mm，其工作長度為b=300mm，對其進行彎曲應力和剪應力驗算：M max=161.25kN.mW=2093333(N/mm2)=M max/W=77.1(N/mm2) 0.8=116 (N/mm2)V max= 642.45（k N）20.46(N/mm2)0