露顶式平面钢闸门设计说明.docx
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露顶式平面钢闸门设计说明
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;
孑L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:
C2Q
参考资料:
《水利水电工程钢闸门设计规》(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
衣4®•&水闸長全超离下限值so
1
2
3
1.5
止常醤然位
0_7
0.5
0.4
星高持弑位
0.5
0.4
0.3
0.2
设讣洪术位
1.5
1.0
0-7
0怎
校披洪水位
L0
0.7
0.5
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=Lo+2X0.15=3.30m
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/HV1.5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:
心二芈[日-代-1尸
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=0.45X2.8=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)=2x(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/Hvl.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
横向隔板顶梁
边梁
f\
f\
I
.胶木滑块
n
主梁
底梁
1130
HOC
33U0
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,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》526-1式计
算:
八中叫——弹塑性浦桅支承畏边中虛弯应力系数,扶附录G屋3-G3采用i
*——弹整蔡救丫u-1.4.«-1£:
c(曲柚计TZ随恪中心帕水压力强陡*M氐
ab一血帳计劳惘格的頰边和长边£度(叭・KiMtt与聖(摂)黛的连朝悍讎口起*
L'JJ创材的抗瞬客许应力.按#421-2来用.
当b/a<3,时,a=1.5;当b/a>3,时,a=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/a
ky
q(N/mnf)
t(mm)
I
1470
1100
0.748
0.245
0.006
3.635
n
1200
1100
0.917
0.282
0.018
5.572
出
330
1100
3.333
0.750
0.026
3.
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=0.07t(Tmax=0.07x6X160=33.6(N/mm
面板与主梁连接焊缝方向单位长度的剪力为
VS
2Io
28.82103430698
29457.5104
38.52N/mm
则面板与主梁连接的焊缝厚度为
hf.P2T2/0.7f33.6238.522/0.71150.6mm
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、荷载与力计算。
作用在顶梁、底梁上的水平压力按下式计算,
即
列表计算如下
顶梁、底梁均布荷载的计算
梁号
梁轴线处水压强度
P(kN/m2)
1(顶梁)
2(上主梁)
12.45
4(下主梁)
24.21
5(底梁)
27.44
梁间距
(m)
1.47
0.33
(a上+a下)/2
q
(m)
(kN/m)
2.28
1.34
16.62
0.765
18.52
0.22
6.04
1.2
备注
顶梁荷载按下图计算
1.27_12.451.27
23
232.28(kN/m)
1.47
Pi
根据表2计算,选取底梁计算,底梁边跨中弯矩为
22
M底中=0.08ql=0.08X6.04X1.1=0.58(kN•m)
M底B=0.10ql2=0.10X6.04x1.12=0.73(kN•m)
q=6.04kN.m
m11111川;IIHI
.'A
A
[:
1CD
B
Q1100
C
」11CD
D
M底支
-J--*-—
M底中
图2底梁计算简图和弯矩图
BC
2、截面选择。
0.73106
160
4562.(mm3)
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=1024mn;VX=25300mn;l=1010000mm;b=43mr;tw=5mm
5.2.S闸门承垂构什的钢板用度或型截面不再小
(1)6mnn的钢甌
(3Z50rr (3)Z63mmx4<)mmx6mm的不等边和钢* (4)I126的工字钢: (5)[6的 小唱工聊陶阐fh可爪煙此限” 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 B=E1b(对跨间正弯矩段) B=E2b(对支座负弯矩段) 梁间距b=2/3xb1=2/3x330=220(mm。 对于第一跨中正弯矩取 L°=0.8L=0.8X1100=880(mr);对于支座负弯矩段取L°=0.4L=0.4X 1100=440(mm。 根据Lo/b查《规》附表G4: Lo/b=88O/4O3=2.18,查表得E1=0.73,则 B=Eib=0.73x220=160(mm) L0/b=440/403=1.09,查表得E2=0.43,则B=E2b=0.43x220=95(mm。 对于第一跨中,选用B=160mm则底梁组合截面面积为 A=1024+160X6=1984(mrh 跨中组合截面形心到槽钢中心线的距离为 e16064321(mm) 1984 跨中组合截面的惯性矩及截面模量为 I底中=1010000+1024<212+160X6x222=1926224(mrf) 1926224/3、 Wmin31577(mm) 61 对于支座段选用B=95mm则组合截面面积为 A=1024+95X6=1594(m^ 支座组合截面形心到槽钢中心线的距离为 95643、 e15(mm) 1594 支座组合截面的惯性矩及截面模量为 I底支=1010000+1024X152+95X6x282=1687280(mri) …1687280c—/3、 Wmin30678(mm) 55 3、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 M底支 Wmin 0.731056 30678 2 23.80(N/mm) 2 160N/mm 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 _5ql3M底支I T384EI^16EI底 56.04 1.1103 5 3842.06101926224 0.73101.1103 “000137v7 1 250 0.004 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)L°=3.0m,计算跨度L=3.3m,荷 载跨度L1=3.0m; 523刚度验帰;受青构件,最大挠度Sil熄跨度Z比,不痕趙过下列St值,⑴満扎戌工件闸门和囁故闸门的主集t750 (2)irX硕式IfV闸flffi林故闸门的卜栄1/600 (3)检修闸门事拦污(■的1欣 1J500 1/250 2、主梁设计。 1)截面选择。 ①弯矩与剪力。 19.213.0 3.3 30 Mmax 2 2 25.93(kN? m) Vmax22 19.21 3.028.82(kN) 2) 单根主梁荷载: 图3平面钢闸门的主梁位置和计算简图 19.82.82 219.21kN/m; 2 1H2p2Hq2— 22 3) 横向隔板间距: 1.10m; 4) 主梁容许挠度[ u]=L/600 ②需要的截面模量。 已知Q235钢的容许应力[。 ]=160N/mm,考 虑钢闸门自重引起的附加应力作用,取容许应力为「]=0.8X 160=128N/mm则需要的截面模量为 max 3 203(cm) 25.93105 2~ 12810 ③腹板高度选择。 按刚度要求的最小梁高为 hmin 0.960,23e L /L 0.960.23 1281023.3102 2.06107(1/600) 27.16(cm) 经济梁高 hec3.1W2/53.11802/524.7(cm) 梁高不得小于hmin,因此取腹板高度ho=35cm 4腹板厚度选择。 按经验公式计算: tw.h/11,35/110.54cm, 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 AW塾竺352.3(卅) h06356 翼缘选用11=0.6cm(符合钢板规格)。 需要b二A/t1=2.3/0.6=3.83cm,由于b选取 围必须在(h/5~h/2.5)之间。 因此取b=h/5=35/5=7cm。 面板兼做主梁上翼缘的有效宽度取为 Bb60t板7600.643(cm) 上翼缘面积为 A=7X0.6+43X0.6=30(cni) 6弯应力强度验算。 yi Ay ~A 557.5 55.2 10.1(cm) 截面惯性矩 th。 3 ~V2~ Ay2 0.6353 __12 7313.79457.5(cm4) 表3主梁跨中截面的几何特性计算 部位 截面尺寸(cmxcm) 截面面积A (cm) 各形心离面板 表面距离距离 y'(cm) Ay' (cm) 各形心离中和轴距离 y=y,-y1(cm) Ay2 (cm) 面板部分 43X0.6 25.8 0.3 7.74 -9.8 2477.8 上翼缘板 7X0.6 4.2 0.9 3.78 -9.2 355.5 腹板 35X0.6 21 18.7 392.7 8.6 1553.2 下翼缘板 7X0.6 4.2 36.5 153.3 26.4 2927.2 合计 55.2 557.5 7313.7 截面模量: 上翼缘顶边Wmin丄^94575936(cm3) y110.1 下翼缘顶边Wmin丄9457.5354(cm3) y226.7 Mmax25.93105 WT354103 弯应力 7.32(N/mm2)0.816012&N/mm2) 满足要求。 7挠度验算。 主梁跨中挠度计算为 _5ql3MI l384El16EI 519.21 3.3103 54 3842.06109457.510 25.931063.3103 54 162.06109457.510 =0.000186v0.00167 l600 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Vma>=28.82kN,截面惯性矩l=9457.5cm4。 上翼缘对中和轴的面积矩 3 S=25.8x9.8+4.2X9.2=291.5(cm) 下翼缘对中和轴的面积矩 Si=4.2X26.4=110.9(cm3) VSi28.82291.5 则需要的hf-0.06(cm) 1.4If1.49457.511.3 角焊缝最小厚度hf1511.563.7(mm) 因此,主梁的焊缝均采用hf=6mm 3)腹板的加劲肋验算。 因为理竺5880,故无需设横向加劲 t0.6 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,H区所需厚度较大,因此该区长边中点应力最大,所以对H区进行折算应力验算。 b=1100mma=1200mm F2=0.018N/mm。 由于b/a=1100/1200=0.92v1.5,则 面板H区长边中点的局部弯曲应力为 my kpa2 2 0.2830.0181200 t2 2 203.04(N/mm) mx my 2 0.3203.0460.91(N/mm) 主梁在H区中点的弯矩及弯应力为 19.213.03.33.0 M- 224 25.93(kN? m) M 0x(1.510.5)w (1.50.3680.5)25.931(30.14(N/mm2) 93610 其中,E1查规附表G4,E1=0.368 则面板H区中点的折算应力为 zh 2 my (mx 0x)2 my(mx 0x) ■203.042(60.910.14)2203.04(60.910.14) 2 180.45N/mm1.1 2 1.11.5160264N/mm 因此,选用面板厚度选用6mm满足强度要求。 六、横隔板设计 1、荷载和力计算 横隔板主要承受顶梁、底梁传来的集中荷载及面板传来的分布荷载,以三角形分布的水压力来替代,横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁,则横隔板在上悬臂的最大负弯矩为 M331.1旦3.68(kN? m) 23 1■ 主梁 *横冋隔板 二3 q=7.90kN/m 横隔板 2、横隔板截面选择及强度验算 腹板选用与主梁腹板同高,采用 350mrX6mm上翼缘利用面板,下翼缘采 用70mrX6mm的扁钢。 上翼缘有效计算宽 108 350 283 度按B=E2b确定,其中b=1100m,0/b=2 X1270/1100=2.31,查表规附表G4,E 2=0.75,则B=0.75X1100=825mm 截面形心到腹板中心线的距离为 70 8256178706178 ^Vmin 10454104 289 361730(mm*3) 验算弯应力为 M 3.681010.17(N/mm2)0.816012&N/mm2) Wmin 361730 横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度hf=6mm 七、边梁设计 边梁的截面形式一般分为单腹式和双腹式,单腹式适用于滑道式 支承的闸门,双腹式适用于滚轮式及吊轴式支承的闸门,本次设计闸 门采用滑道式支承,因此采用单腹式边梁。 边梁的截面尺寸按构造要求确定,即截面高度与主梁高度一致, 本设计取ho=35Omm闸门两侧分别设两个胶木滑块,为了便于安装胶 木滑块,下翼缘宽度不小于300mm本设计取翼缘宽300mm 边梁主要用来支承主梁和边跨的顶梁、底梁等荷载,受力情况复杂,在设计时容许应力值降低20%乍为安全储备。 1、荷载和力计算 1)水平荷载。 主要是受主梁传来的水平荷载,还有顶梁、底梁的水平荷载。 本次设计为简化起见,假定这些荷载都由主梁传来,则每个主梁作用于边梁的荷载已由上述主梁计算为R=28.82k2 2)竖向荷载。 主要有闸门自重、滑道摩阻力、止水阻力、启吊力等。 上滑块所受压力 Ri 28.821.2 (1.20.4) 21.62(kN) 300 == 上主梁作用力 004 28.82kN 下主梁作用力 * 28.82kN o_uo^1 - 剪力 图 图 AJi .1— 下滑块所受压力 R228.82221.6236.02(kN) 最大弯矩 Mmax21.620.48.65(kN? m) 最大剪力 VmaxR21.62(kN) 最大轴向力为作用在一个边梁上的启吊力,启吊力根据后面计算 为44.5kN。 则在最大弯矩作用的截面上的轴向力为 N=44.5-Rif=44.5-21.62X0.12=41.91(kN)。 2、边梁的强度验算 截面积 A=350X6+2X300X6=5700(mri) 面积矩 Snax=6X300X178+6X175X87.5=93853(mri) 截面惯性矩 1=1/12X6X3503+2X300X6X1782=135499900(mri) 截面模量 135499900748618(mm3) 181 截面边缘最大应力验算 max 3 NMmax41.91103 AW5700 865106 18.91(N/mm2)0.8128(N/mm2) 748618 腹板最大剪力验算 VmaxSmax21.6210’ It 1354999006 9385322 2.5(N/mm2)0.876(N/mm2) 腹板与下翼缘连接处折算应力验算 仏i41911038-65106逻18.52(N/mm2)0.8128(N/mr^) Wy5700748618181 g21・6210330061788.52(N/mm2) It 1354999006 2h 3.2.2532.58.52(N/mm)0.8128(N/mm) 验算均满足强度要求。 八、行走支承设计 胶木滑块计算: 由上述边梁计算图可知,下滑块受力最大,其值 R2=36.02kN。 根据《规》表7.0.8-1,胶木滑块长度取为250mm则 滑块单位长度的承压力为 3 36.0210 q144(N/mm) 250 根据《规》表7.0.8-2,查得轨顶弧面半径R=100mm轨头设计 宽度为b=25mm 胶木滑道与轨顶弧面的接触应力验算 max 104R 104f \100 2 125(N/mm) 2 500(N/mm) 选定胶木宽100mm长250mm 九、胶木滑块轨道设计 1、确定轨道底板宽度。 轨道底板宽度按砼承压强度决定。 C20 砼容许承压应力查《规》表425得,[(T]=7N/mm '=1"ri- 图4胶木滑块支承轨道截面图 则所需要的轨道底板宽度为 144 7 21(mm) 取Bh=100mm因此,轨道底面压应力为 144 100 2 1.44(N/mm) 2、确定轨道底板厚度。 轨道底板厚度3按其弯曲强度确定。 轨 道底板的最大弯应力为 式中c为轨道底板的悬臂长,c=37.5mm对于Q235钢,查《规》 表422得,[(T]=100N/mm。 因此,所需轨道底板厚度为 3hC2 3伽乳527.8mm) 取轨道底板厚度为10mm 十、闸门启闭力和吊座计算 1、启闭力计算 T启1.1G1.2(TzdTzJPx 其中闸门自重 G二KKcKgH1.43B0.88X9.8 式中,Kz=0.81,Kc=1.0,Kg=0.156(见水工钢结构附录10) G=0.81X1.0X0.156X3.01.43X3.00.88X9.8=15.7KN滑道摩阻力 TzdfP0.170.59.82.823.019.59(KN) 止水摩阻力 Tzs2fbHP 橡皮止水与钢板间摩擦系数 f=0.65 橡皮止水受压宽度取为 b=0.045m 侧止水受水压长度 H=2.8m 侧止水平均压强 2 P=9.8X2.8/2=13.72kN/m 因此 Tzs20.650.0452.813.722.25(kN) 下吸力Px底止水采用1110-16型,其规格为宽16mm长110mm 底止水沿门跨长3.3m。 根据《钢闸门规》附录D: 启门式下下吸强度Ps按20kN/m计算,则下吸力为 Px203.30.0161.06(kN) 故闸门启门力为 T启=1.1X15.7+1.2X(19.59+2.25)+1.06=44.54(kN) 2、闭门力计算 T闭1.2TzdTzs0.9G1.219.592.250.915.712.08(kN) 3、吊轴和吊耳验算 1
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