露顶式平面钢闸门课程设计-钢结构文档格式.docx
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十一、 闸门启闭力和吊座计算 20
1． 启门力计算 20
2． 闭门力计算 21
3． 吊轴和吊耳板 21
3-1 吊轴 21
3-2 吊耳板强度验算 22
总结 23
参考资料 24
24
一、设计资料
闸门形式：
单孔露顶式平面钢闸门
孔口净宽：
10.00mm
设计水头：
6.00m
结构材料：
平炉热轧碳素钢Q235
焊条：
E43
止水橡皮：
侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮。
行走支承：
采用胶木滑道，压合木为MCS-2.
混凝土强度等级：
C20
二、闸门结构的形式及布置
1.闸门尺寸的确定
闸门高度：
考虑风浪所产生的水位超高为0.2m，故闸门高度=6+0.2=6.2m；
闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：
L1=10m；
闸门的计算跨度：
L=L0+2d=10+2×
0.2=10.4m
用autocad画出图形如下
图1闸门主要尺寸图（单位m）
2.主梁的形式
主梁的形式根据水头合跨度大小而定，本闸门属中等跨度，为了便于制造和维护，决定采用实腹式组合梁。
3.主梁的布置
根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。
为使两个主梁在设计水位时所承受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线y=H/3=2m，并要求下悬臂a≥0.12H和a≥0.4m，上悬臂c≤0.45H，今取，
a=0.7m≈0.12H=0.72
主梁间距：
2b=2（y-a）≈2×
1.3=2.6m
则
c=H-2b-a=6-2.6-0.7=2.7m=0.45H满足要求
4.梁格的布置和形式
梁格采用复式布置和等高连接，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，其间应上疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁布置的具体尺寸详见图2。
5.连接系的布置和形式
5-1横向联接系根据主梁的跨度决定布置三道隔板，其间距为2.55m，横隔板兼作竖直次梁。
5-2纵向联接系设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。
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
1.估算面板厚度
假定梁格布置如图2所示。
面板厚度按下式计算：
t=akp0.9a[σ]
当b/a≤3时，a=1.5，则
t=akp0.9a[σ]=akp0.9×
1.5×
160=0.068akp
当b/a≥3时，a=1.4，则
1.4×
160=0.070akp
列表计算，如表1
表1面板厚度的计算
区格
a（mm）
b（mm）
b/a
k
p（N/mm2）
kp
t（mm）
Ⅰ
913
2057
2.25
0.74
0.006
0.066633
4.136863
Ⅱ
0.5
0.015
0.086603
5.376632
Ⅲ
516
3.99
0.61
0.024
0.120996
4.245503
Ⅳ
586
3.51
0.027
0.11619
4.629919
Ⅴ
686
3.00
0.033
0.128452
5.992044
Ⅵ
616
3.34
0.037
0.136015
5.697384
Ⅶ
0.044
0.148324
5.910414
Ⅷ
556
3.70
0.051
0.159687
6.037453
图2梁格布置尺寸图（单位mm）
根据上表计算，选用面板厚度t=7mm
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拉力P，已知面板厚度t=7mm，并且近似地取板中最大弯应力
σmax=σ=160N/mm2
由此
P=0.07tσmax=0.07×
7×
160=78.4（N/mm2）
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为
T=VS÷
2I0=441000×
620×
306÷
（2×
1617000000）=181（N/mm）
计算面板与主梁连接的焊缝厚度：
hf=P2+T2÷
（0.7[τtω]）=78.42+1812÷
（0.7×
113）=2.5mm
面板与梁格连接焊缝最小厚度hf=6mm
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在隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力按
q=p（a上+a下）÷
2
现列表计算如表格2：
得出
q=152kN/m
表2水平次梁、顶梁共和底梁的计算
梁号
梁轴线处的水压强度P（KN/m2）
梁间距（m）
a上+a下2
pa上+a下2
备注
1（顶梁）
3.68
顶梁荷载按下图计算
R1=1.57×
1.542×
1.5731.72=3.68kN/m2
1.74
7.315
1.58
11.59
1.43
3（上主梁）
17.358
1.28
22.24
1.14
4
23.034
1.05
24.25
0.97
5
29.48
0.88
25.83
0.78
6（下主梁）
37.026
0.67
24.91
0.56
7
43.802
0.46
20.34
0.37
8
50.248
0.27
13.66
0.18
9（底梁）
56.364
0.09
5.02
根据上表计算，水平次梁计算荷载取25.83KN/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.067m.如图3和图4所示。
图3梁格布置局部尺寸图（单位mm）
图4水平次梁计算简图和弯矩图
水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为：
M次中=0.077ql2=0.077×
25.83×
2.0672=8.50KN·
m
支座B处的负弯矩为：
M次B=0.107ql2=0.107×
2.0672=11.81KN·
2.截面选择
W=M[σ]=11.81×
106160=73812.5mm3
考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选槽钢14b，由表查得：
A=1851mm2;
Wx=80500mm3；
Ix=5637000mm4；
b1=60mm;
d=8.0mm
面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取最小值。
B≪b1+60t=60+60×
7=480mm
B=ζ1b1（对跨间正弯矩段）
B=ζ2b1（对支座负弯矩段）
按5号梁计算，设梁间距
b=b1+b22=580+5702=575mm
确定上式中面板的有效宽度系数ζ时，需要知道梁弯矩零点之间的距离l0与梁间距b之比值。
对于第一跨中正弯矩段取
l0=0.8l=0.8×
2067=1654mm;
对于支座负弯矩段取
l0=0.4l=0.4×
2067=827mm.
根据
l0b=1654575=2.88
得ξ1=0.839则
B=ξ1b=0.839×
575=482mm
根据
l0b=827575=1.44
得ξ1=0.418则
B=ξ2b=0.418×
575=240mm
对于第一跨中弯矩选用B=460mm作图（图5）
图5面板参加水平次梁工作后的截面（单位mm）
则水平次梁组合截面面积：
A=1851+460×
6=4611mm2
组合截面形心到槽钢中心线的距离：
e=（460×
6×
73）÷
4611=44mm
跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：
I次中=5637000+1851×
442+460×
322=12046766mm4
Wmin=12046766÷
116=103852mm2
对支座段选用B=385mm.则组合截面面积：
A=1851+385×
6=79520mm2
e=（360×
4161=38mm.
支座处组合截面的惯性矩及截面模量：
I次B=5637000+1851×
322=11432376mm4
wmin=11432376÷
116=98554mm4
3.水平次梁的强度验算
由于支座处B弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即：
σ次=M次Wmin=6.21×
10698554=63.018N/mm2<
[σ]=160N/mm2
说明水平次梁选用14b槽钢满足要求。
扎成梁的剪应力一般很小，可不必验算。
4.水平次梁的挠度验算
受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在边跨，由于水平次梁在B支座处，截面的弯矩已经求得
M次B=9.21KNm
则边跨挠度可近似地按下式计算：
ωl=5ql3384EI次-M次Bl16EI次=5×
28.83×
（2067）3384×
2.06×
105×
12046766-9.21×
106×
206716×
12046766=0.00019286
<
ωl=1250=0.004
故水平次梁选用14b槽钢满足强度和刚度要求。
5.顶梁和底梁
顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度，所以也采用14b槽钢。
五、主梁设计
1.设计资料
1-1主梁跨度净宽L0=10.00m;
计算跨度L=10.4m；
荷载跨度L1=10m.（见图6）
1-2主梁荷载q=88.2KN/m.
1-3横向隔间距：
2.6m。
1-4主梁容许挠度：
[w]=1/600
2.主梁设计
2-1截面选择
2-1-1弯矩与剪力
弯矩与剪力计算如下：
Mmax=88.2×
10÷
2×
10.4÷
2-10÷
4=1191（KNm）
Vmax=1÷
88.2×
10=441KN
图6平面钢闸门的主梁位置和计算简图
2-1-2需要的截面模量
已知Q235钢的容许应力
σ=160N/mm2
考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力
σ=0.9×
160=144N/mm2
则需要的截面抵抗矩为
W=Mmax[σ]=1191×
100144×
0.1=8271cm3
2-1-3腹板高度选择
按刚度要求的最小梁高（变截面梁）：
hmin=0.93×
0.23L[σ]Eωl=0.93×
0.23144×
10.4×
1042.06×
107×
1600=96.3cm3
对于变截面梁的经济梁高
hec=3.1W25=3.1×
827125=114cm.
现选用腹板高度h0=100cm.
2-1-4腹板厚度选择
按经验公式计算：
tw=h11=0.91cm
选用tw=1.0cm.
2-1-5翼缘截面选择
每个翼缘需要截面为：
A1=Wh0-twh06=8271100-1×
1006=66cm
下翼缘选用
t2=2.0cm（符合钢板规格）
需要
b1=A1t1=662=33cm
由此
b1=34cm
上翼缘的部分截面可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用
b1=14cmt1=2cm
面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为：
B=b1+60δ=14+60×
0.8=62cm
上翼缘的截面面积
A=14×
2+60×
0.8=77.6cm
2-1-6弯应力强度验算
主梁跨中截面（见图7）的几何特性如表3：
图7主梁跨中截面（单位mm）
部位
截面尺寸（cm×
cm）
各形心离面板距离y，（cm2）
Ay，（cm3）
各形心离中合轴距离y=y，-y1（cm）
Ay2（cm4）
面板部分
62×
0.8
49.6
0.4
-50.1
124300
上翼缘板
14×
28
1.8
-48.7
66200
腹板
100×
1
100
52.8
2.3
530
下翼缘板
34×
68
103.8
52.3
193200
合计
245.6
384230
表3主梁跨中截面的几何特性
截面形心矩：
y1=Ay，A=12408245.6=50.5cm
截面惯性矩：
I=Ay2+twh0312=384230+1×
10012=467600（cm4）
截面模量：
上翼缘顶边
Wmax=Iy1=46760050.5=9276（cm3）
下翼缘底边：
Wmin=Iy2=46760054.3=8620（cm3）
弯应力：
[σ]=MmaxWmin=1191×
1008620=13.8（KN/cm2）<
0.9×
16=14.4（KN/cm2）（安全）
2-1-7整体稳定性与挠度验算
因主梁上翼缘直接同钢板相连，按规范规定可不必验算整体稳定性。
又因梁高大于刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。
2-2截面改变
因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度，有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小
h0s=0.6h0=0.6×
100=60cm
梁高开始改变的位置取在临近支承段的横向隔板下翼缘的外侧，离开支承段的距离为
260-10=250cm
见图8和图9
图8主梁支撑端截面（单位mm）
图9主梁两边截面位置图（单位mm）
剪切强度验算：
考虑到主梁段部的腹板及翼缘部分分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字钢截面来验算剪应力强度。
主梁支承端截面的几何特性如下表。
以及变截面后的尺寸。
表4主梁端部截面的几何特性
A（cm2）
y，（cm）
y=y，-y1（cm）
-30.6
46443
-29.2
23874
60
32.8
194
63.8
73157
205.6
143668
截面形心距：
y1=6367205.6=31cm
I0=1×
60312+143668=161668cm4
截面下半部中和轴的面积矩：
S=31.82+31.8+32.8×
68=2376cm4
剪应力：
τ=SVmaxI0tw=2736×
441161668×
1=7.46KN/cm2<
τ=9.5KN/cm2（安全）
2-3翼缘焊缝
翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。
最大剪力Vmax=441KN，截面惯性矩I0=161668cm4
上翼缘对中和轴的面积矩S1=49.6×
30.6+28×
29.2=2335cm3
下翼缘对中和轴的面积矩S2=68×
32.7=2220cm3<
S1
hf=VS11.4I0[τfw]=441×
23351.4×
161668×
11.3=0.403cm
角焊缝最小厚度
hf≥1.5t=1.5×
20=6.7cm
全梁的上下翼缘焊缝都采用hf=7cm
2-4腹板的加劲肋和局部稳定验算
加劲肋的布置为
h0tw=1001=100>
80
因闸门已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距a=280cm。
腹板区格划分见图10。
图10腹板区格划分（单位mm）
梁高与弯矩都较大的区格可按式
（σσcr）2+（ττcr）2+（σcσc，cr）2≤1
验算。
对于区格II，剪力为
VII，左=441-88.2×
5-2.6=229KN；
VII，右=0
平均剪力为
τ=（VII，左+VII，右）2h0tw=2292×
1=11.5N/mm2
该区格截面的弯矩
MII左=441×
2.6-88.2×
（5-2.6）2÷
2=893kN∙m
MII右=Mmax=1191kN∙m
平均弯矩
MII=1042kN∙m
平均弯应力
σII=MIIyI=1042×
477×
106467600×
104=106.3N/mm2
由于，区格长短边之比大于1，则
λs=10041×
5.34+4（100÷
260）2235235=1N/mm2
τcr=1-0.59λs-0.8τ=1-0.591-0.895=83.8N/mm2
σc=0
验算
（106.3160）2+（11.583.8）2+（0σc，cr）2=0.46≤1（安全）
故，在区格II之间不必要增加劲肋。
同理，区格II之间不必要增加劲肋。
2-5面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算
面板区格IV在长边中点的局部弯曲应力：
σmy=kpa2t2=0.5×
0.027×
586282=±
72.44Nmm2
σmx=μσmy=±
0.3×
72.44=±
21.73Nmm2
对应于面板IV长边中点的主梁弯矩和弯应力
M=88.2×
5×
3.9-88.2×
3.722=1116KN∙m
σ0x=MW=11169.27=120Nmm2
面板IV长边中点的折算应力
σzh=σmy2+（σmx+σ0x）2-σmx（σmx+σ0x）
=72.442+（21.73-120）2-72.44（21.73-120）
=148.4Nmm2<
1.55σ=248Nmm2
满足要求，面板厚度取8mm。
六、横隔板设计
1.荷载和内力计算
首先，吧荷载用三角形分布的水压力来代替，见图11。
图11横隔板截面（单位mm）
把隔板作为支撑在主梁上的双臂悬梁。
则每块隔板的最大负载弯矩
M=2.8×
26.52×
2.6×
2.83=90.03KN∙m
2.横隔板截面选择和强度计算
其腹板选用和主梁同高度，采用1000×
8mm，上翼缘采用200×
8mm扁钢。
上翼缘B=1200mm
截面形心到腹板中心线的距离：
e=1200×
8×
504-200×
5041200×
8+8×
200+1000×
8=210mm
截面惯性矩
I=287623×
104mm4
截面模量
Wmin=287623×
104760=3784513mm3
验算弯应力
σ=90.03×
1063784513=23.79Nmm2<
σ
横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度hf=6mm
七、纵向连接设计
1.荷载和内力的计算
纵向连接系承受闸门自重，其中
G=KzKcKgH1.43B0.88×
9.8=0.71×
1×
0.13×
61.43×
100.88×
9.8=88.97KN
下游纵向连接系承受
0.4G=0.4×
88.97=35.59KN
由此，纵向连接系桁架腹杆布置图及其计算结果如图12
图12纵向连接系计算图（单位mm）
2.斜杆截面计算
斜杆承受的最大压力为17.8KN，取长细比λ≤λ=200
选用单角钢12.6，由此得出
截面面积A=1569mm2；
回转半径iy0=20.07mm；
斜杆计算长度
l0=0.9×
2.72+2.72+0.72=3.85m
长细比
λ=l0iy0=3.85×
10320.07=185.8≤λ=200
验算拉杆强度
σ=17.8×
1031569=11.34Nmm2<
0.85σ=133Nmm2
八、边梁设计
边梁设计采用单腹式，见图13
在每侧闸门上设置两个胶木滑块，其尺寸见图14
1-1水平荷载
主要用来传递主梁的水平方向的荷载，每个边梁的荷载为450KN
1-2竖向荷载
上滑块所受的压力R1=450×
2.067÷
3.3=281.9KN
图13边梁截面（单位mm）
图13边梁计算简图
下滑块所受的压力R2=900-281.9=618.8KN
最大弯矩Mmax=281.9×
0.7=197.33KN·
最大剪力Vmax=618.8KN·
2.边梁的强度验算
截面面积A=600×
10+400×
2=17200mm2
面积矩Smax=400×
307+400×
10×
200=2519200mm3
截面惯性矩I=10×
6003÷
12+2×
400×
3072=707794400mm4
截面模量W==707794400÷
314=2254122mm3
截面边界最大应力验算
σmax=NA+MmaxW=158.2417200+197.32254.122=83Nmm2<
0.8τ=126N/mm2
腹板下翼缘连接处应力验算
σ=NA+MmaxWy'
y=158.2417200+197.32254.122×
300314=72.6Nmm2
τ=VmaxSiItw
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