露顶式平面钢闸门设计 (1)Word格式文档下载.doc
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a（mm）
b（mm）
b/a
k
P（N/mm）
t（mm）
1
1280
1990
1.55
0.580
0.007
0.064
5.57
2
1250
1.59
0.468
0.020
0.097
8.25
3
1130
1.76
0.483
0.033
0.126
9.68
4
950
2.09
0.497
0.044
0.148
9.56
5
920
2.16
0.498
0.054
0.164
10.26
6
900
2.21
0.179
10.95
7
600
3.32
0.500
0.072
0.190
7.98
8
590
3.37
0.078
0.197
8.14
9
480
4.14
0.083
0.204
6.85
10
640
3.11
0.091
0.213
9.54
11
620
3.21
0.098
0.221
9.59
12
440
4.52
0.103
0.227
6.99
13
420
4.74
0.104
0.228
6.70
14
410
4.85
0.110
0.235
6.74
15
0.120
0.245
7.03
16
0.124
0.249
7.15
17
400
4.98
0.130
0.255
7.14
18
390
5.10
0.135
0.260
7.10
19
310
6.42
0.139
0.265
5.75
20
240
8.30
0.750
0.143
0.330
5.54
根据上表计算，选用面板厚度t=11mm。
2.面板与梁格的连接计算。
面板局部绕曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力P，按式max计算。
已知面板厚度t=11mm，并且近似地取板中最大弯应力σmax=【σ】=160N/mm2，则：
max=0.07×
11×
160=123.2（N/mm）
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：
T=VS/2I0=441000×
620×
306/2×
1617000000=204（N/mm）
由式计算面板与主梁连接的焊缝厚度为
=（（p/1.22）2+T2）^（1/2）/（0.7）=√123.22×
2042/0.7×
115=3.0（mm）
面板与梁格的连接焊缝应采用连续焊缝，面板与梁格连接焊缝取其最小厚度=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、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水平压力可按式计算，即
列表2计算后得
Σq=996.86kN/m
表2水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算
梁
号
梁轴
线处
水压
强度
梁间距（m）
（m）
（KN/m）
1顶梁
1.96
1.2
11.76
1.265
14.88
1.33
24.79
1.300
32.23
1.27
4（主梁）
37.24
1.135
42.27
47.04
1.000
56.84
7（主梁）
66.64
0.850
56.64
0.7
73.50
0.700
51.45
80.36
0.650
52.23
0.6
10（主梁）
86.24
56.06
93.10
65.17
99.96
64.97
13（主梁）
105.84
0.550
58.21
0.5
110.74
55.37
15（主梁）
115.64
57.82
120.54
60.27
17（主梁）
125.44
62.72
130.34
19（主梁）
135.24
0.450
60.86
0.4
139.16
0.350
48.71
0.3
21（底梁）
142.1
0.300
42.63
顶梁荷载按下图计算：
根据表2计算，水平次梁计算荷载取65.17kN/m,水平次梁为十跨连续梁，跨度为2m。
如下图所示。
水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为
M次中=0.077ql2=0.077×
65.17×
2×
2=20.07（KN﹒m）
支座B处的弯矩为
M次B==0.107ql2=0.107×
2=27.89（KN﹒m）
图三水平次梁计算简图和弯矩图
2.截面选择。
W=M/[σ]=27.89×
106/160=174312.5mm3
考虑到利用面板作为次梁截面的一部分，初选[20a，由附录三表4查得：
A=2883；
；
=73mm；
d=7mm。
面板参加次梁工作有效宽度分别按式及式或（其中）计算，然后取其其中较小值。
≤b1+60t=73+60×
11=733（mm）
（对胯间正弯矩段）
（对支座负弯矩段）
按18号梁计算，设梁间距（500+500）/2=500（mm）。
确定式中面板的有效宽度系数时，需要知道梁弯矩零点之间的间距与梁间距b比值。
对于第一跨中正弯矩段取=0.8=0.8×
2000=1600（mm）。
对于支座负弯矩段取=0.4×
2000=800（mm）。
根据/查下面表3可得：
表3面板有效宽度系数和
1.0
1.5
2.0
2.5
0.20
0.40
0.58
0.70
0.78
0.84
0.90
0.94
0.95
0.97
0.98
1.00
0.16
0.30
0.42
0.51
0.64
0.71
0.77
0.83
0.86
0.92
对于/=1600/500=3.2得=0.852则B=b=0.852×
500=426（mm）
对于/=800/500=1.6得=0.429则B=b=0.429×
500=215（mm）
图四面板参加水平次梁工作后的组合界面（单位：
mm）
对第一跨中选用B=426mm，则水平次梁组合截面面积（图四）为
A=2883+426×
11=7569（mm2）
组合截面形心到槽钢中心线的距离为
e=（426×
105.5）/7569=65（mm）
跨中组合截面的惯性矩及截面模量为
I次中=17804000+2883×
652+426×
40.52=37670887（mm4）
Wmin=37670887/165=228308（mm2）
对支座段选用B=215mm，则组合截面面积为
A=2883+215×
11=5248（mm2）
e=215×
105.5/5248=48（mm）
支座处组合截面的惯性矩及截面模量为
I次B=17804000+2883×
482+260×
8×
57.52=31323432（mm4）
Wmin=31323432/148=211645（mm2）
3.水平次梁的强度验算。
由支座B（图三）处弯矩最大，而截面模量最小，故只需验算支座B处的截面的抗弯强度，即
σ次=M次B/Wmin=27.89×
106/211645=131.8N/mm2<
[σ]=160N/mm2
说明水平次梁选用[20a满足要求。
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=27.89kN.m,则边跨挠度可近似地计算为
v/l=5/384×
ql3/EI次-M次Bl/16EI次
=5×
（2.0×
103）3/384×
2.06×
105×
37670887-27.89×
106×
2.0×
103/16×
37670887
=0.000426<
[W/L]=1/250=0.004
故水平次梁选用[20a满足强度和刚度要求。
（5）顶梁和底梁。
顶梁所受的荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度，所以也采用[20a。
底梁也采用[20a。
五、主梁设计
（一）设计资料。
1.主梁跨度（图五）；
净跨（孔口宽度）16m，计算跨度,荷载跨度；
2.主梁荷载：
153.4KN/M；
3.横向隔板间距：
2m；
4.主梁容许挠度[w]=L/600。
（二）主梁设计。
主梁设计包括：
截面选择；
梁高改变；
翼缘焊缝；
腹板局部稳定验算；
面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。
1．截面选择。
弯矩与剪力。
弯矩与剪力计算如下
Mmax=153.4×
9/2×
（9.4/2-9/4）=5154.24（KN﹒m）
Vmax=qL1/2=1/2×
153.4×
16.0=1228（KN）
图五平面钢闸门的主梁位置和计算简图
需要的截面模量。
已知Q235钢的容许应力，考虑钢闸门自重应力引起的附加应力作用，取容许应力为，则需要的截面模量为
W=Mmax/[σ]=5154.24×
100/（144×
0.1）=35793cm2
腹板的高度选择。
按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为
Hmin=0.96×
0.23×
[σ]L/E[w/L]
=0.96×
144×
100×
16.4×
100/（2.06×
107×
（1/600））
=151.9cm
经济梁高he=3.1W2/5=3.1×
357932/5=206cm
由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比小，但不小于。
现选用腹板高度
腹板厚度选择。
按经验公式计算：
，选用
翼缘截面选择。
每个翼缘截面为
A1=W/h0-twh0/6=35793/180-2.0×
180/6=138.85cm2
下翼缘选用（符合钢板规格）
需要，选用b1=A1/t1=138.85/2.0=69.425（cm），选用b1=70cm（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t1=2.0cm，b1=30cm。
面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为
B=b1+60δ=30+60×
1.1=96cm；
上翼缘截面积为
A1=30×
2.0+96×
1.1=165.6cm2
弯应力强度验算。
主梁跨中截面（图六）的几何特性见表4。
图六主梁跨中截面（单位：
截面形心矩为：
y1=∑Ay'
/∑A=59474.1/665.6=89.4cm；
截面惯性矩
I=tωh03/12+∑Ay2=2×
1803/12+2552317.4=3524317cm4
截面模量：
上翼缘顶边Wmin=I/y1=3524317/89.4=39422cm4；
下翼缘底边Wmin=I/y2=3524317/95.7=36827cm2；
弯应力σ=Mmax/Wmin
=5154.24×
100/36827
=14.0（kN/cm2）＜0.9×
16=14.4（kN/cm2）（安全）
表4主梁跨中截面的几何特性
部位
面板部分
96×
1.1
105.6
0.55
58.1
-88.9
834579.0
上翼缘板
30×
60
2.1
126
-87.3
457277.4
腹板
180
360
93.1
33516
3.7
4928.4
下翼缘
70×
140
184.1
25774
94.7
1255532.6
合计
665.6
59474.1
2552317.4
整体稳定性与挠度验算。
因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按《设计规范》规定，可不必验算整体稳定性。
又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度不必验算。
2．截面改变。
因为梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度（节省钢材），有必要将主梁支承端腹板高度减小为（图七）
梁高开始改变的位置去载邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧（图八），离开支承端的距离为200–10=190cm。
（单位：
mm）
剪切强度验算：
考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字形截面来验算剪应力的强度。
主梁支承端截面的几何性质见表5。
表5主梁端部截面的几何特性
-53.6
303384.6
-52
162240
108
216
57.1
12333.6
1944
112.1
15694
58
470960
521.6
28211.7
938528.6
截面形心距y1=28211.7/521.6=54.1cm
截面惯性矩I0=2×
1083/12+938528.6=1148480.6cm4
截面下半部对中和轴的面积矩
S=140×
58+57×
57/2=11369cm3
剪应力：
τ=VmaxS/I0tω=1228×
11369/（1148480.6×
2.0）=6.08KN/cm2<
[τ]=9.5KN/cm2（安全）
3．翼缘焊缝。
翼缘焊缝厚度（焊脚尺寸）按受力最大的支承端截面计算。
最大剪应力1228kN，截面惯性矩=1148480.6cm4
上翼缘对中和轴的面积矩
S1=105.6×
53.6+60×
52=8780.2cm3;
下翼缘对中和轴的面积矩
S2=140×
58=8120cm3<
S1
需要hf=VS1/1.4I0[τωf]=1228×
8780.2/（1.4×
1148480.6×
11.3）=0.593m
角焊缝最小厚度hf≥1.5t0.5=1.5×
200.5=6.7mm
全梁的上、下翼缘焊缝都采用8mm。
六、横隔板设计
（1）荷载和内力计算。
横隔板同时兼作竖直次梁，它主要承受水平次梁、顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替（图一），并且把横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁。
则每片横隔板在上悬臂的最大弯矩为
M=3.8×
37.24/2×
3.8/3=179kN.m
（2）横隔板截面选择和强度计算。
其腹板选用与主梁腹板同高，采用1800mm×
10mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm×
10mm的扁钢。
上翼缘可利用面板宽度按确定，其中b=2000mm,按l0/b=2×
3800/2000=3.8，从表3查得有效宽度系数ε2=0.71，则B=0.71×
2000=1420mm，取B=1400mm
计算如图九所示的截面几何特性。
图九横隔板截面
截面形心到腹板中心线的距离为
e=（1400×
10×
905-200×
905）/（1400×
10+200×
10+1800×
10）=319mm
截面惯矩为
I=10×
18003/12+10×
1800×
3193+10×
200×
12242+8×
1400×
5862=1449559×
104mm4
截面模量为
Wmin=1449559×
104/1229=11794622mm3
验算弯应力为
ð
=M/Wmin=179×
106/11794622=15.2N/mm2<
[ð
]
由于横隔板截面高度较大，剪切强度更不必验算。
横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度8mm。
七、纵向连接系设计
1.荷载和内力计算。
纵向连接系承受闸门自重。
露顶式平面刚闸门门叶自重G按附录10中的式计算
=0.012×
1.0×
×
9.8=176.7（KN）
下游纵向连接系承受0.4G=0.4×
176.7=70.67（KN）
纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如图10所示，其结点荷载为
70.67/8=8.834（KN）
杆件内力计算结果如图十所示。
图十纵向连接系计算图（单位：
2.斜杆截面计算。
斜杆承受做大拉力N=31.57KN.同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制应与压杆相同，即λ≤[λ]=200
选用单角钢┗100×
10,由表附表6.4查得
截面面积A=1926mm2
回转半径I=19.6mm
斜杆计算长度
l0=0.9×
=2.08m
长细比
λ=l0/iy0=2.08×
103/19.6=106.1<
[λ]=200
验算拉杆强度
ð
=31.57×
103/1926=16.39N/mm2<
0.85[ð
]=133N/mm2
考虑到单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行计算。
3.斜杆与结点板的连接计算（略）。
八、边梁设计
边梁的截面形式采用双腹式（图十一），边梁的截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁端高度相同，腹板厚度与主梁腹板厚度相同，为了便于安装滚轮，两个下翼缘为用宽度为200mm的扁钢做成。
图十一边梁截面
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15%作为考虑受扭影响的安全储备。
Q主梁作用力大小为1228KN
1.荷载和内力计算。
在闸门每侧边梁上各设6个滚轮。
其布置尺寸见图十二。
最大轴向力为作用在一个边梁上的启吊力，估计为9956kN（详细计算见后面）。
在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于启吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力
N=9956-R1f=9956-1170.0×
0.11=9827.3kN。
2.边梁的强度验算。
截面面积
A=550×
60+2×
60+20×
1560×
2=119400mm2
面积矩Smax=38898000mm3
截面惯性矩I=5×
1010mm4
截面模量W=5×
1010/780=64169770mm3
截面边缘最大应力验算
σmax=N/A+Mmax/W
=9827.3×
1000/119400+818.7×
1000000/64169770
=95.06N/mm2<
0.8[σ]=120N/mm2
腹板最大应力验算
τ=VmaxSmax/
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