潜孔式闸门设计

潜孔式闸门设计
一、设计资料
闸门形式：溢洪道潜孔式事故平面刚闸门； 孔口尺寸（宽×高）：4m ×6.0m ；
上游水位：36.0m ；下游水位：0.1m ；闸底高程：0m ； 启闭方式：电动固定式启闭方式； 结构材料：1.钢结构：Q235-A.F ； 2.焊条：E43型；
3.行走支承：滚轮支承或胶木滑道；
4.止水支承：侧止水和顶止水用P 型橡皮，底止水用条形橡皮； 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； 规范：《水利水电工程钢闸门设计规范SL 1974-2005》
二、闸门结构形式及布置
1. 闸门尺寸的确定
闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高约0.2m ，故闸门高度=6m ； 闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：1L 1=4m ； 闸门计算跨度：1L 1=L 0+2d=4+2×0.25=4.5(m)。

2. 主梁形式
主梁形式根据水头和跨度而定，本闸门属于跨度较小而门高较大的闸门，所以闸门采用4根主梁。

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. 主梁布置
根据闸门的高跨比：L=4<H=6，故采用多主梁式。

本闸门为高水头的深孔闸门，孔口尺寸较小，门顶与门底的水压强度差值相对较小。

所以，主梁的位置按等间距来布置。

设计时按最下面的那根受力最大的主梁来设计，各主梁采用相同的截面尺寸。

4.梁格的布置与形式
梁格采用简式布置与等高连接，可不设次梁。

按等荷载原则确定多主梁式闸门的主梁位置
三、面板设计
根据《水利水电工程钢闸门设计规范SL 1974-2005》关于面板的设计，先估算面板厚度，在主梁截面选择以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
假定梁格布置尺寸如图2所示。

面板厚度按下式计算
t=a
]
[9.0σa kp
当b/a ≤3时，a=1.65,则t=a
160
65.19.0⨯⨯kp
=0.065kp a
当b/a >3时，a=1.55,则t=a 160
55.19.0⨯⨯kp
=0.067kp a
现列表1计算如下：
表1
根据上表计算，选用面板厚度t=22mm 。

2.面板与梁格的连接计算
已知面板厚度t=22mm ,并且近似地取板中最大弯应力σmax=[σ]=160N/mm 2,则
p=0.07х22х160=246.4N/mm ,
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内地应力：
T ＝02I VS =
,/2.960
11738480002200
161000106.7053mm N =⨯⨯⨯⨯⨯ 面板与主梁连接的焊缝厚度：
mm T P h w t f 34.31137.0/5.264][7.0/22=⨯=⨯+=τ， 面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度mm h f 5=。

四、水平次梁，顶梁和底梁的设计 1.荷载与内力的计算
顶、底梁都是支承在横隔板上地连续梁，作用在它们上面的水压力可 按下式计算，即 q=p
2
下
上a a + q=p
2
下
上a a +=（36-0.6）0.0098*1.2=0.4163KN/m 支座B 处的负弯距：
M 次B ＝0.107ql 2=0.107х416.3х1.52=100.22kN ∙m
2.截面选择
W=626375160
1022.100][6
=⨯=σM mm 3 考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选［36a,由附录三表四查得：
A=6089mm 2 ; W x =mm 3 ; I x =mm 4 ; b1=96mm ; h=360mm; 面板参加次梁工作的有效宽度分别按式6—11及式6—12计算，然后取其中较小值。

式：6—11 B ≤b1+60t=96+60Х22=1416mm ; 式：6—12 B=ζ1b (对跨间正弯距段) B=ζ2b （对支座负弯距段） 。

梁间距b=
()mm b b 6002
2
4957035221=⨯++=+ 。

对于第一跨中正弯距段l 0=0.8l=0.8Х1500=1200mm ;对于支座负弯距段l 0=0.4l ＝0.4Х1500＝600mm 。

根据l 0/b 查表6—1：
对于l 0/b ＝1200/600＝2.0 得ζ1＝0.7 ，得B=ζ1b ＝0.7Х600＝420mm , 对于l 0/b ＝600/600＝1.0 得ζ2＝0.4 ，得B=ζ2b ＝0.4Х600＝240mm , 对第一跨中选用B ＝360mm,则水平次梁组合截面面积（例图4）: A=6089+420Х22=15329mm 2 ;
组合截面形心到槽钢中心线得距离：
e=11515329
19122420=⨯⨯mm ;
跨中组合截面的惯性距及截面模量为：
I 次中＝+6089Х1152+420Х22Х862＝mm 4
W min =2907146295
267608065mm =
对支座段选用B ＝240mm ，则组合截面面积：A=6089+240Х22=11369mm 2 ; 组合截面形心到槽钢中心线得距离：
e=8911369
19122240=⨯⨯mm
I 次＝+6089Х892+240Х22Х1022= mm 4
W min =2824930269
221906089mm =
水平次梁强度验算
,/160/5.121824930
1000000
22.10022min
mm N mm N W M <=⨯=
=
σ满足强度要求
五、主梁设计 (一)设计资料
1）主梁跨度：净跨（孔口净宽）l 0＝4m ；计算跨度l ＝4.5m ； 荷载跨度l1＝4m 。

2）主梁荷载：q=pgh=36Х9.8Х1=352.8KN/m 横向隔板间距：1.5m 。

4）主梁容许挠度： [W]=L/750 。

（二）主梁设计 1.截面选择
（1） 弯距和剪力 弯距与剪力计算如下：
弯距： m kN M ⋅=-⨯⨯=
882)4
4
25.4(248.352max
剪力： kN ql V 6.7052
48.35221max =⨯==
需要的截面抵抗距 已知A3钢的容许应力[σ]=160N/mm2 ,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力[σ]=,/1441609.02mm N =⨯ 则需要的截面抵抗矩为；
[ W]=.6125144
10882][36max cm M =⨯=σ. （3）腹板高度选择 按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为：
,1.55750
/11006.2104.421516.0]/[16.053min
cm l w E fl h =⨯⨯⨯⨯⨯==
经济梁高：。

cm W h ec 43.101)6125(1.31.35/25/2=⨯==
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h ec 为
小，但不小于h min 。

现选用腹板厚度h 0＝100cm 。

(4)腹板厚度选择
,91.011/10011/cm h t w ===选用t w ＝1.0cm 。

(5)翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为
,58.446
1001100612562001cm h t h W A w =⨯-=-=
下翼缘选用t 1＝2.0cm （符合钢板规格），需要,29.222
58
.44111cm t A b ===
取B 1＝24cm,上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的翼缘板同面板相连，
选用t 1＝2.0cm ，b 1＝16cm ，
面板兼作主梁上翼缘的有效宽度为B ＝b 1+60t ＝16+60Х2.2＝148cm 。

上翼缘截面面积A 1=16Х2.0+148Х2.2=357.6cm 2 。

(6)弯应力强度验算
截面形心距：,62.216
.5052
.10930''
cm A
Ay y ==
=
∑∑
截面惯性距：,1173848109051512
1000.112432
30cm Ay h t I w =+⨯=+=∑ 截面抵抗距：上翼缘顶边 ,6.5429462.211173848
31max cm y I W ===
下翼缘底边 ,3.138756
.84117384832min cm y I W ===
弯应力：,/4.14169.0/35.613875
100
88222min max cm kN cm kN W M =⨯<=⨯==
σ安全
度要求
的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。

1. 截面改变
因主梁跨度较大，为减小门槽宽度与支承边梁高度（节约钢材），有必要将主梁承端腹板高度减小为cm h h s 606.000==。

考虑到主梁端部腹板及翼缘相焊接，故可按工字截面梁验算应力剪力强度。

尺寸表4所示：
43045720343920312601cm I =+⨯= cm y 5.116
.4922.56421==
,4.20242
1
.310.11.311.32483cm S =⨯
⨯+⨯= ,/5.9][/12.30
.14572034
.20246.705220max cm kN cm kN t I S V w =<=⨯⨯==
ττ 2. 翼缘焊缝
3. 翼缘焊缝厚度h f 按受力最大的支承端截面计算。

V max ＝705.6kN 。

I 0=cm 4， 上翼缘对中和轴的面积距：S 1=32.0Х29.9+325.6Х32=11376cm 3， 下翼缘对中和轴的面积距：S 2=48Х32.1＝1540.8cm 3<S 1, 需要,11.13
.114572034.111376
6.705][4.101cm I VS h f
w f =⨯⨯⨯==
τ
角焊缝最小，mm t h f 7.6205.15.1==≥。

全梁的上下翼缘焊缝都采用h f ＝8mm 。

4.加筋肋验算 因
,800
.1800==w t h 不需设置横向加劲肋。

闸门上已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距a ＝1.5m 。

腹板区格划分见图2。

六、横隔板设计 1.荷载和内力计算
如图所示水平次梁为4跨均布连续梁，R 可看作它所受的最大剪力，由规范表查知：作用于竖直次梁上由水平荷载传递的集中荷载：
n
l q R 次)536.0607.0(+=;7.7135.13.416143.1kN =⨯⨯=取q ＝q 次
m kN Rl ql M ⋅=⨯⨯+⨯⨯=+=79.1256.07.71341
6.03.4168141812020
2.横隔板和截面选择和强度验算
腹板选用与主梁腹板同高，采用1000Х10mm ，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm Х8mm 的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式B ＝ζ1b 确定。

,8.01500/2600/0=⨯=b l 查表得ζ1＝0.4，
B=0.4×1500=600mm ，取B ＝600mm 。

计算如下图所示截面几何特性截面型心到腹板中心线距离： 10
1000820010600504
820050510600⨯+⨯+⨯⨯⨯-⨯⨯=e ＝126.3mm
截面惯性距：
2
23
630200812610100012
100010⨯⨯+⨯⨯+⨯=I 4421024889837960010mm ⨯=⨯⨯+ 3min 4661011534
mm I
W ==
， 验算应力：
][/274661011
1079.125,26
min σσ<=⨯==mm N W M
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h f ＝6mm 。

七、边梁设计
边梁的截面形式采用单腹式，如下图，边梁的截面尺寸按构造要求确定，即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，为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不宜小于300mm 。

边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时将容许应力值降低20％作为考虑受扭影响的安全储备。

1.荷载和内力计算在闸门每侧边梁上各设4个胶木滑块，其布置如下图：
（1）水平荷载
主要是主梁传来的水平荷载，还有水平次梁和顶，底梁传来的水平荷载，为了简化起见，可假定这些荷载由主梁传给边梁，每个边梁作用于边梁荷载为R ＝790kN （2） 竖向荷载
有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，起吊力等。

上滑块所受压力：
kN R 2.14116.70521=⨯=，
下滑块所受压力：
kN R 2.14116.70522=⨯=，
,6359.06.705max m kN M ⋅=⨯= kN V 6.705max =,
最大阻力为作用于一个边梁上的起吊力，估计为700kN ，有N ＝700kN 进行强度验算，
kN f R N 6.53012.02.14117007001=⨯-=-= ,
2.边梁强度验算
截面面积,320001610002040022mm A =⨯+⨯⨯=
,568000020016500510400203max mm S =⨯⨯+⨯⨯=
,549493333351020400212
100016423mm I =⨯⨯⨯+⨯=
310567179520
mm I
W ==。

截面边缘最大应力验算： 2
263max max
/1261578.0][8.0/7.7610567179
1063532000106.530mm N mm N W M A N =⨯=<=⨯+⨯=+=τσ腹板最大剪应力验算：
,
/76958.0][8.0/6.45165680000
106.705223max mm N mm N I It S V w maz =⨯=<=⨯⨯⨯==ττ腹板与下翼缘连接处则算应力验算：
,/4.74520
500105671791063532000106.530263'max mm N y y W M A N =⨯⨯+⨯=⨯+=σ
231max /7.321651020400106.705mm N I
It S V w =⨯⨯⨯⨯==τ，
2
222222/1281608.0][8.0/5.937.3234.743mm N mm N h =⨯=<=⨯+=+=ττσσ。

均满足强度要求 八、行走支承设计
胶木滑块计算：下滑块受力最大，起值为R ＝1411.2kN ，设滑块长度为350mm ，
则滑块单位长度承受压力,/4032350
102.14113
mm N q =⨯=
由表2查得轨顶弧面半径R=300mm ，轨头设计宽度为b ＝50mm ，胶木滑块与规定弧面的接触应力验算：
22max /500][/3.381300
4032104104
mm N mm N R q j =<===σσ。

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确定，查表得：砼允许承压应力为[σ]＝7N/mm2 ，则所需轨道底板宽度为：
.5767
4032
]
[mm q B n n ==
=
σ 取Bh ＝600mm ，
故轨道底面压应力：
2/7.6600
4032
mm N h ==σ
2.确定轨道底版厚度
轨道底板厚度δ按其弯曲强度确定，轨道底版的最大弯应力：
][322
σσσ≤=t
c n
轨道底板悬臂长度C ＝102.5mm ，对于A3查表得[σ]＝100N/mm2 ，
故：mm c t n 95.45100
5.1027.63][32
2=⨯⨯==
σσ，故t ＝50mm 。

十、闸门启闭力和吊座验算
1.启门力：T 启＝1.1G+1.2(T 2d +T 2s )+Px G=0.022K 1K 2K 3A 1.34H s 0.63Х9.8
其中，A=4Х4=16mm 2 ,可查知：系数K 1＝1.1;K 2,K 3，均取为1.0 ，
∴G=0.022Х1.1Х1.0Х1.0Х161.34Х500.63Х9.8=114.5kN ， 滑道摩阻力：,4.67748.352412.02kN fp T d =⨯⨯⨯== 止水摩阻力：.8.976.313406.065.0222kN fbhp T s =⨯⨯⨯⨯==
因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 ＝0.06m ， 每边侧止水受压长度H ＝3.66m ，侧止水平均压强：
,/6.3135
.4448.35242m kN P =⨯⨯⨯=
下吸力Px 底止水橡皮采用I110—16型，其规格为宽16mm ，长110mm ，底止水沿门跨长4.5m ，根据规范SDJ13—78，启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m2计算，则下吸力：kN P x 44.1016.05.420=⨯⨯=
故闸门启门力：.105844.1)8.974.677(2.15.1141.1kN T =++⨯+⨯=启
2.闭门力：,19.8275.1149.0)8.974.677(2.19.0)2.12d 2kN G T T T S =⨯-+⨯=-+（＝
闭 3.吊轴和吊耳板验算 （1） 吊轴
采用Q235号钢，由第二章表2—8查得[τ]=65n/mm 2,采用双吊点，每边启吊力为：
,8.634210582.122.1kN T P =⨯
=⨯
=启吊轴每边剪力：,8.1562
6
.3132kN P V === 需吊轴截面积：2
3241265108.156][mm V A =⨯==τ由,785.0422d d A ==π有：d ≥,43.55785
.02412
785
.0mm A
==取d ＝60mm ， （2） 吊耳板强度验算
按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按下式计算，查表2-8 得A3得[σcj ]=80N/mm,
∴t ,2.9980
80108.634][3
mm d P
cj =⨯⨯==σ取t=100mm;固在边梁腹板上端部的两侧各焊
一块为45mm 的轴承板。

轴承板采用圆形，其直径取为3d ＝3Х80＝240mm ，
吊耳孔壁拉应力计算：][8.02
2
2
2K k Y R Y R σσ≤-+= 23
/4.7980
100108.634mm N td P cj =⨯⨯==σ，吊耳板半径R=150mm,轴孔半径Y=30mm ，由
表2—8查得：[σk ]=120N/mm 2，故孔壁拉应力：
222
22
2/961208.0/0.9060
120601204.79mm N mm N k =⨯<=-+⨯=σ，满足要求。