露顶式平面钢闸门设计水电学院.doc

露顶式平面钢闸门课程设计指导老师：张冬 露顶式平面钢闸门设计说明书一、设计资料⑴闸门型式：溢洪道露顶式平面钢闸门⑵孔口净宽：8.0m⑶设计水头：5.0m⑷结构材料：Q235⑸焊条：E43型⑹启闭方式：电动固定式启闭机。⑺行走支承：双股式滚动行走支承⑻止水橡皮：侧止水用P60A型橡皮，底止水用Ｉ110-16型条形橡皮⑼混泥土强度等级：C20⑽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⑾规范：《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-1995）二、闸门结构的型式及布置1.闸门尺寸的确定:⑴闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m，故闸门高度5.2+0.2=5.4m⑵闸门的荷载跨度为两侧止水间的间距LD=8.0m⑶闸门计算跨度L=L0+2d=8+2×0.3=8.6m 2.主梁的型式主梁的型式应根据水头和跨度大小而定，本闸门属于中等跨度(L=5~10)，为了便于制造和维护，采用实腹式组合梁，焊接组合截面。3.主梁的布置根据闸门的高垮比==1.65>1.55，决定采用双主梁，为使两根主梁在设计水位时所受水压力相等，两根主梁的位置应对称于水压力合力的作用线y===1.67m，并要求下悬臂a≥0.12H和a≥0.4m，上悬臂c≤0.45H和c＜3.6m。且使底主梁到底止水的距离尽量符合底缘布置要求（即α>30°），先取a=0.12H=0.6m，则主梁间距：2b=2(y-a)=2×(1.67-0.6)=2.14m4.梁格的布置和形式梁格采用复式布置和高等连接， 三根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，其间距上疏下密，面板各区格所需要的厚度大致相等。梁格的布置及具体尺寸如下图所示：5.联结系的布置和形式（1）横向联结系：根据主梁的跨度，采用布置3道横隔板，横隔板兼作竖直次梁，其横向联结间距为L==2.15m（2）纵向联结系:采用斜杆式桁架，布置在两根主梁下翼缘的竖平面内，并设有4根等肢角钢的斜杆。6.边梁与行走支承采用单腹式边梁，行走支承采用双股式滚动行走支承。三、面板设计1.估算面板厚度假定梁格布置如图所示，面板厚度由公式t=，且tmax-tmin≤2mm当b／a≤3时，α=1.5，则t=0.068a当b/a＞3时，α=1.4，则t=0.07a现列表计算如下：格区a(mm)b(mm)b/a(mm)k(mm)P(N/mm2)t(mm)Ⅰ150021501.430.5370.00760.0646.53Ⅱ96021502.240.4910.0200.0996.46Ⅲ85021502.530.5000.0280.1186.82Ⅳ66021503.260.5000.0360.1346.19Ⅴ63021503.410.5000.0420.1456.39Ⅵ60021503.580.7500.0480.1907.98注：区格Ⅰ，Ⅵ中系数k按三边固定一边简支查表得根据计算结果，选用面板厚度t=8mm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、底梁都是支承横隔板的连续梁，作用在上面的水压力按q=p计算计算列表如下：梁号梁轴线水压强度p（KN/m2）梁间距(m)（m）(mm)q=p(m)备注：顶梁荷载按下图下式计算1(顶梁)R1= 2.76=2.76KN/m21.50214.701.23018.080.963（上主梁）24.110.90521.820.85432.440.75524.490.66538.910.64525.100.636（下主梁）45.080.61527.720.607（底梁）50.960.30015.29据表中结果，水平次梁计算荷载取最大值25.10KN/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.15m。水平次梁计算结构简图及弯矩图如下：水平次梁边跨中的正弯矩为：M次中=0.077qL=0.077×25.10×2.152=8.93KN/m支座B处的负弯矩为：M次B=0.107ql=0.107×25.10×2.152=12.42KN/m2、截面选择==77625考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选槽钢14a由附表查得：A=1851；=80500；=5637000；=58mm;d=6mm面板参加次梁翼缘工作的有效宽度按下式计算，然后取最小值。B≤+60t=58+60×8=538mmB=ξ1b(对跨间正弯矩段）；B=ξ2b(对支座负弯矩段）；按5号梁进行计算，设该梁平均间距b===645mm，对于第一跨中正弯矩段，零点之间的距离:，对于支座负弯矩段取：，根据L0/b查表2—1;由得ξ1=0.80，则B=ξ1b=0.80×645=516mm由得ξ2=0.380，则B=ξ2b=0.380×645=245mm 对于第一跨中，选用B=516mm，则水平次梁的组合截面积：A=1851+516×8=5978mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离：e==51mm跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：Ι次中=5637000+1851×512+516×8×232=12635136mm4，Wmin==104423mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离：e==51mm对于支座段，选用B=245mm，则水平次梁的组合截面积：A=1851+245×8=3811mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离：e==38mm支座处截面的惯性矩及截面模量为：Ι次B=5637000+1851×382+245×8×362=10850004mm4Wmin==100463mm21.水平次梁的强度验算支座B处弯矩最大，截面模量也较大，跨中弯矩小，故两处截面的抗弯强度都需要验算。===85.52N/mm2＜=160N/mm2===123.63N/mm2＜=160N/mm2综上可知水平次梁选用[14a满足弯应力强度要求。2.水平次梁的扰度验算水平次梁为受均布荷载的四跨连续梁，其最大扰度发生在边跨，已求得M次B=12.42KN/m，Ι次B=10850004mm4，四跨连续梁，==0.004==0.0063×=0.0007＜=0.004，满足挠度要求。3.顶梁和底梁 底梁计算简图和弯矩图=0.107=0.107×15.29×2.152=7.56KN·m==选用[12σ=62.137＞=底梁弯应力强度验算：=＜=160N/，满足弯应力要求。底梁刚度验算：==0.0063×=0.00119＜=0.004满足刚度要求。顶梁采用和底梁相同的槽钢即[12σ，顶梁弯应力强度验算：=0.107=0.107×2.76×2.152=1.37KN·m=＜=160N/满足应力强度要求。顶梁的刚度验算：==0.0063×=0.00021＜=0.004满足刚度要求。五、主梁设计（一）已知条件（1）主梁跨度：净跨度=8.0m，计算跨度L=8.6m，荷载跨度=8.0m（2）主梁荷载：P=H2=×9.8×5.02=122.5KN/m，==61.25KN/m（3）横隔板间隔：2.15m。（4）主梁容许绕度：=。（二）主梁设计 1.截面选择（1）主梁内力分析如图：主梁简支于边梁上，最大弯矩在跨中，最大剪力在支承处==KN·m=KN（2）需要的截面抵抗矩（考虑闸门自重引起的附加应力的影响）=（3）腹板高度h0选择（刚度条件求得最小梁高hmin）=0.96×0.208×0.96×0.208×=3.1=3.1×经济梁高选取的梁高h一般应大于但比稍小，故应选取h=80cm。（4）腹板厚度选择：腹板厚度==，选=1.0cm（5）翼缘截面选择：每个翼缘所需截面为：A1==34.52下翼缘选用，因此需要选用。(在之间)，上翼缘的部分截面面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用。面板兼做主梁上翼缘的有效宽度B=+5t=14+50×0.8=54cm上翼缘截面面积（6）弯应力强度验算：主梁跨中截面的几何特性如下表；部位截面尺寸cm2截面面积cm2各形心离面板表面距离y＇各形心离中心轴距离y=y＇-y 面板部分54×0.843.20.417.28-37.7861660.59上翼缘板14×2.028.01.850.4-36.3837058.12腹板80×1.08042.834244.621707.55下翼缘板25×2.05083.8419045.62104059.22合计201.27681.68204485.48主梁跨中截面形心距面板表面的距离y1==截面惯性矩为:截面抵抗矩为:上翼缘顶边下翼缘底边弯应力＜0.92×23=21.16KN/，安全（7）主梁支承端剪应力强度验算，＜（8）整体稳定与刚度验算。因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按《钢结构设计规范》（GB50017—2003）规定可不必验算其整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的刚度也不必验算。2.翼缘焊缝上翼缘对中和轴的面积矩下翼缘对中和轴的面积矩＜ 需要焊缝厚度因此全梁上、下翼缘焊缝均取。3.腹板的加劲肋和局部稳定验算加劲肋的布置：＞，因此需设置横加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋，其间据a=2150mm。腹板区格划分如图：区格I左边及右边的截面剪力分别为，区格I截面平均剪力为区格I左边及右边截面上的弯矩分别为，KN·m区格I的平均弯矩：KN·m区格I的平均弯应力：=＜0.85计算由区格长短边之比为2.15/1.15=1.87＞1.0＜1.2; ＜1.0满足局稳要求，在区格Ⅰ的横隔板之间不必再增设加劲肋。区格II左边及右边的截面剪力分别为，区格II截面平均剪力为区格II左边及右边截面上的弯矩分别为KN·m，KN·m区格II的平均弯矩：KN·m区格II的平均弯应力：＜1.0故在区段II的横隔板之间不必再增设加劲肋。六、面板参加主（次）梁工作的折算应力验算1.主（次）梁截面选定后，还需要按式8-4（p276）验算面板局部弯曲与主次梁整体弯曲的折算应力。因水平次梁的截面很不对称，面板参加水平次梁翼缘整体弯曲的应力与其参加主梁翼缘工作的整体弯曲应力要小的多，故只需验算面板参加主梁工作是的折算应力。由前文的面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格Ⅵ所需要的板厚较大，这意味着该区格的场边中点应力也较大，所以选取区格Ⅵ按式8-4验算其长边中点的折算应力。面板区格Ⅵ在长边中点的局部弯曲应力为对应于面板区格Ⅵ的长边中点的主梁弯矩和弯应力为KN·m 面板区格Ⅵ的长边中点的折算应力为==176.78N/mm2＜1.1×1.4×160=246.4N/mm2故面板厚度选用8mm，满足强度要求。2．面板与梁格连接焊缝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=8mm,并且近似地取板中最大弯应力==160则面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力面板与主梁连接焊缝厚度故面板与梁格的连接焊缝取其最小厚度七、横向连接系-横隔板（竖向次梁）设计隔板高度取与主梁相同的高度定为800mm，隔板厚度与主梁腹板厚度一致取20mm上翼缘利用面板不设，下翼缘采用b=100―200mm，厚度t=10―12mm的扁钢，即规定b=140mm，t=10mm的扁钢。由构造要求确定的尺寸其横隔板的应力很小，故可以不进行强度验算。八、纵向联结系设计1、纵向联结系承受闸门自重，露顶式平面钢闸门的自重G按下式计算即，，式中则KN下游面纵向联结承受KN，则节点荷载为KN，纵向联结系按支承在边梁上的简支平面桁架设计。 纵向连接系计算图2.斜杆截面计算斜杆计算长度斜杆承受的最大拉力KN，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受的压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即λ≤[λ]=200。根据附录三：选用角钢，回转半径，截面面积A=1930mm斜杆计算长度：长细比：＜[λ]=200拉杆强度验算N/mm2＜0.85[σ]=136N/mm2满足强度要求。（0.85为考虑单角钢受力偏心影响的容许应力折减系数）九、边梁设计边梁的截面形式采用双腹式，边梁的截面尺寸按构造要求确定，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。为了便于腹板的焊接两腹板间距为300―400mm，闸门每侧边梁上各设两个滚轮。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力值降低20％作为考虑受扭影响安全储备。1.荷载和内力计算（1）水平荷载：边梁所受的水平荷载主要是主梁传来的支座反力及水平次梁、顶梁传来的水平荷载、为了简化计算，可假设这些荷载完全是由主梁传给边梁。闸门所受荷载：KN主梁作用于边梁的集中荷载KN边梁所受荷载KN(2)竖直荷载：边梁所受的竖向荷载：闸门自重、滑道摩擦力、止水摩擦力、起吊力等。如图所示，可计算出上滑块所受的压力:KN 下滑块所受压力:KN边梁最大弯矩:KN·m，最大剪力:KN，启门力：，对于滑动轴承的滚轮：查附录十二得，初定滚轮直径D=600mm，R=D/2=300mmKN，轮轴半径r=50mmKN止水摩擦力：，查附录十二得KM/m2，KM/m2KNKN=1.2×（41.16+95.55）+1.1×79.33+2.752=254.07KN单根边梁受到的启门力：N=1.2×/2=1.2×254.07/2=152.4KN1.边梁强度验算截面面积：A=450×20﹢800×10×2+460×20=34200mm2截面上半部分对中和轴的面积矩mm3截面惯性矩=3912648885mm4截面惯性模量截面边缘最大应力验算KN ＜0.8[σ]=0.8×230=184N/mm2（计算式中，0.8为考虑到边梁为闸门的重要受力构件，且受力复杂，故将容许应力降低20%作为考虑受妞等影响的安全储备。以下计算相同。）腹板最大剪应力验算：＜0.8[σ]=0.8×95=76N/mm2腹板与下翼缘连接处折算应力验算：＜1.1×0.8[σ]=140.08N/mm2以上验算均满足强度要求。十、滚动行走支承与轨道设计―Q2351.滚轮尺寸―单曲率圆柱形滚轮初定D=600mm，b=100mm，d=100mm并验算D、b、d是否满足要求。滚轮与轨道的接触应力=428.02N/mm2＜2.5=587.5N/mm2，满足要求。2.轮轴尺寸设计―45﹟碳钢尺寸a=100mm，=100mm，b=100mm，L=300mm弯应力：≤[σ]=160N/mm2剪应力：≤[τ]=95N/mm2方形轴承板：b=(2.4~2.6)d=240~260mm,取b=250mm，t=20mm验算轮轴与轴承板之间的紧密接触局部承压力：＜[]=80N/mm2 2.滚轮轨道设计(1)轨道底板宽度Bk轨道底板宽度按混泥土承压强度决定。根据C20号混泥土的容许承压应力值[]=7N/mm2，所需的轨道底板宽度为取Bh=250mm轨道底与混凝土之间的最大应力＜[]=7N/mm2轨道底板厚度δ按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力式中，c=150mm，[σ]=160N/mm，即，因此取即可。十一、止水、止水座、门槽护角、铸钢弧面滚轮及轨道1.侧止水—型，固定于面板上游。2.底止水—型，布置在上游面。3.护角—不等肢角钢 十二、闸门启闭力和吊耳计算1.启闭力计算根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74—1995），当底主梁到底止水的距离符合底缘布置要求，即时，以及下游流态良好、通气充分时，可以不计下吸力。本闸门满足的要求，故不计下吸力，即，则闸门启闭力为（1）启门力：=254.07KN（2）闭门力：=1.2×(41.16+95.55)-0.9×79.33+2.752=95.407KN可见仅靠闸门自重是不可能关闭闸门的。可以考虑采用一个重量为140kN加载梁，依次对需要关闭的闸门加载下压关闭。2.吊轴和吊耳验算（1）吊轴设计—穿过吊耳板与启闭吊索相连，采用Q235钢或45﹟碳钢。每边起吊力为：KN吊轴每边剪力：KN需要吊轴截面积：，又A=所以，吊轴直径取吊轴直径为d=60mm。（2）吊耳板设计及强度验算位置：双腹式边梁 吊耳板厚度：，取t=60mm轴承采用正方形，边长b=(1.4~2.5)d=84~150mm,取b=100mm孔壁强度验算：＜[]=80N/mm2孔壁拉应力验算：R=b/2=50mm，r=d/2=30mm＜0.8[]=0.8×120=96N/mm2启闭机选择：，选用电动卷扬式启闭机，双吊耳为300KN。到此为止，露顶式平面钢闸门设计已经基本完成。