阳水电站引水渠进水闸门设计

朝阳水电站引水渠进水闸门设计
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：7.0 m ⑶设计水头：4.0m ⑷结构材料：Q 235 ⑸焊条：E43型
⑹行走支承：采用胶木滑道
⑺止水橡皮：侧止水用P 型橡皮，底止水用条形橡皮 ⑻混泥土强度等级：C20
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0.4 m ，故闸门高度4.2+0.4=4.6 m ⑵ 闸门的荷载跨度为两侧止水间的间距L D =7.0 m ⑶ 闸门计算跨度L=L 0+2d=7+2×0.3=7.6 m
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L H =6.46
.7=1.65>1.55，采用双主梁，并要求下悬臂a ≥0.12H 和a ≥0.4 m ，
上悬臂c ≤0.45H 和c ＜3.6 m 。

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=0.6 m ，则主梁间距：2b=2(y-a)=2×(1.33-0.6)=1.46 m 4. 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=
4
6
.7=1.9 m （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
假定梁格布置如上图所示，面板厚度由公式t=
当b ／a ≤3时，α=1.5，则t==⨯⨯160
5.19.0kp
a
0.068a kp
当b/a ＞3时，α=1.4，则t==⨯⨯160
4.19.0kp
a 0.07a kp
现列表计算如下：
注： 区格Ⅰ，Ⅵ中系数k 按三边固定一边简支查表得 区格Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ中的系数k 按四边固定查表所得
根据计算结果，选用面板厚度t=8 mm
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，作用在上面的水压力按q=p 2
下
上a a +算 计算如下表所示 ：
据表中结果，水平次梁计算荷载取最大值18.7KN/m ，水平次梁为四跨连续梁，跨度为1.9m 。

水平次梁计算结构简图及弯矩图如下：
水平次梁边跨跨中的正弯矩为：M 1=0.077qL=0.077×18.7×1.92
=5.2 KN/m
支座B 处的负弯矩为：M 次B =0.107ql=0.107×18.7×1.92
=7.2KN/m 2、截面选择
[]
σ M =（7.2）=450003
mm 考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选槽钢12.6由附表查得：A=15692
mm ；
X W =62137mm 3；X I =3914660 4mm ；1b =53 mm; t=5.5 mm
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 ≤1b +60t=53+60×5.5=383 mm B=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=(b1+b2)2 =（350+460）/2=405 mm ，
对于第一跨中正弯矩段，零点之间的距离:l 0 =0.8l=0.8×1900=1520mm ， 对于支座负弯矩段取：L 0=0.4l=0.4×1900=760， 根据L 0/b 查表; 由
b l 0=405
1520=3.753得ξ1=0.87，则B=ξ1b=0.87×405=353 mm
由
b l 0=405
760=1.877得ξ2=0.48，则B=ξ2b=0.48×405=194 mm 对于第一跨中，选用B=353 mm ，则水平次梁的组合截面积：A=1569+353×8=4393mm 2
组合截面形心到槽钢中心线的距离： e=
4393
67
8353⨯⨯=43 mm
跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：
Ι次中=3914600+1569×432
+353×8×242
=8442305mm 4
，W min =
106
8442305=79644 mm 3
对于支座段，选用B=194mm ，则水平次梁的组合截面积：A=1569+194×8=3121 mm 2
组合截面形心到槽钢中心线的距离：e=
3121
67
8194⨯⨯=33mm
支座处截面的惯性矩及截面模量为：Ι次B =3914600+1569×332
+194×8×342
=7417353 mm
4
W min =
96
7417353=77264 mm 3
2. 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，两处截面的抗弯强度都需要验算。

次中σ=min W M 次中
=79644102.56⨯=65.23 N/ mm 2 ＜[]σ=160 N/mm
2
B 次σ=min B
W M 次=77264
102.76⨯=93.19 N/ mm 2 ＜[]σ=160 N/mm 2
综上可知水平次梁选用[12.6满足弯应力强度要求。

3. 水平次梁的挠度的验算
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 =7.2 KN/m ，Ι次
B
=7417353 mm 4
， ⎥⎦
⎤⎢
⎣⎡L w =2501
=0.004 L w =3854次EI ql 3
-l 16EI M B 次
次==5310844230506.238419007.185⨯⨯⨯⨯⨯-5
610844230506.2161019002.7⨯⨯⨯⨯⨯=0.00046＜⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡L w =0.004，满足挠度要求。

4. 顶梁和底梁
顶梁所受荷载较小，但考虑到水面漂浮物撞击的影响，需要加强其刚度，所以也采用【12.6.
底梁也【用12.6.
五、主梁设计 （一）已知条件
（1） 主梁跨度：净跨度1l =7.0m ，计算跨度L=7.6m ，荷载跨度l =7.0m （2） 主梁荷载：P=
21γH 2=21×9.8×4.02=78.4KN/m ，q =2
p
=39.2 KN/m （3） 横隔板间隔：1.9m 。

（4） 主梁容许绕度：⎥⎦⎤⎢
⎣⎡L w =600
1。

（二）主梁设计
主梁设计内容包括：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 . 截面选择
（1）主梁简支于边梁上，最大弯矩在跨中，
最大剪力在支承处
max M =)2(4l L ql
-=4
72.39⨯（7.6-0.5*7）=281.26KN ·m max V =
2
ql
=0.5*39.2*7=137.2 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） W =
][max σM =160
9.0100026.281⨯⨯=1953cm 3
（3）腹板高度h 0选择（刚度条件求得最小梁高h min ） min h =0.96×0.23×
[][]L W E L /σ=0.96×0.23×5
1006.26001006.7144⨯⨯⨯⨯=70.4mm
经济梁高 ec h =3.15
/2W
=3.15
/21953
⨯=64.22mm
经济梁高选取的梁高h 一般应大于min h 但比ec h 稍小，故应选取h=69 cm 。

（4）腹板厚度选择：腹板厚度w t =11h =11
69
=0.76cm ，选w t =1.0cm
（5）翼缘截面选择： 每个翼缘所需截面为：A 1=
0h W -6
0h t w =16.802
cm
下翼缘选用 t=2.0cm
需要b=A/t=16.8/2=8.4cm ，且b 一般取（h/5—h/3），所以取b=13.8cm
上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用t=2.0cm ，
b=10.0cm
面板兼做主梁上翼缘的有效宽度取为
B=b+60×0.8=10＋60×0.8=58cm 上翼缘面积
A=10×2.0＋58×0.8=66.4cm 2
（6）弯应力强度验算：
主梁跨中截面的几何特性如下表；
主梁跨中截面形心距y 1
=∑
∑A Ay '=4638.1/163=28.5cm 截面惯性矩为:123
0h t w +∑2Ay =12
690.13
⨯＋115512=121262cm 4 截面抵抗矩为:
上翼缘顶边W m ax =
1
y I =121262/28.5=4255cm 3
下翼缘底边min W =
2
y I =121262/45.3=2677cm 3
弯应力
m in
m ax W M =28126/2677=10.5kN/cm 3
＜0.9×16=14.4KN/2cm ，安全 （7）主梁支承端剪应力强度验算
S 1 =58×0.8×（28.5-0.4）=1303.84cm 3
S 2=10×2×（28.5-1.8）=536cm 3
S=S 1+S 2=1303.84+536=1539.84cm 3
.1101212621084.1539102.1374
33max ⨯⨯⨯⨯⨯==w It S V τ=17.42N/mm 2
＜[]2
/95mm N =τ 满足安全要求
（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 S 上=Ay=46.4×28.1＋20×26.8=1839.84cm 3 下翼缘对中和轴的面积矩 S 下=Ay=27.6×46.3=1277.88cm 3<S 上 需要焊缝厚度h []
80
101212624.11084.1839102.137I 4.1VS 43
3w
f
0f ⨯⨯⨯⨯⨯⨯=
=
τ上
=1.86cm =≥max 5.1t 1.520=6.7mm 又h min 2.1t f ≤=1.2×8=9.6mm
因此全梁上、下翼缘焊缝均取mm h f 9=。

3.腹板的加劲肋和局部稳定验算 加劲肋的布置：
690
.1690==w t h <80，只需按构造设置加劲肋，因闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋，故不需再设置加劲肋，且无需验算。

面板参加主（次）梁工作的折算应力验算
由前的面板计算可见，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
5282
925.225.61225.3425.612
=⨯-⨯⨯=M KN ·m
26/57.816473
10528mm N W M cr
=⨯==σ 面板区格Ⅵ的长边中点的折算应力为)()(2
2
ox mx my ox mx my zh σσσσσσσ+-++= =2
2
2
/78.176)57.815.59(3.198)57.815.59(3.198mm N =+-++
zh σ=176.78N/mm 2 ＜1.1×1.4×160=246.4 N/mm 2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
σ
max
=[]σ=1602
mm N
则mm N t p /6.89160807.007.0max =⨯⨯==σ
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力
τ=24
30/8.7310
12126222818580102.1372mm N I vs =⨯⨯⨯⨯⨯⨯= 面板与主梁连接焊缝厚度[]mm p h w f 08.1160
7.08.736.897.02
222=⨯+=+=ττ
故面板与梁格的连接焊缝取其最小厚度mm h f 8=
七、横向连接系-横隔板设计
1、横隔板兼作竖直次梁，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，计算时候可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替，并且把横隔板看做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=
m kN .8.413
20
.29.1330.2=⨯⨯⨯⨯
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690mm ×10mm ，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm ×8mm 的扁钢。

上翼缘可利用面板的宽度按B=2εb 确定，其中b=1900mm ，按
11.29
.1220=⨯=b l ，查表得有效宽度系数52.02=ε，则B=0.52×1900=988mm 截面形心到腹板中心线的距离 mm e 19210
69082008980504
82005048980=⨯+⨯+⨯⨯⨯-⨯⨯=
截面惯性矩
44222310118966157980854120081926901012
69010mm I ⨯=⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯=
截面模量34min
2182862545
10118966mm W =⨯=
验算弯应力[]σσ<=⨯==26
min /2.192182862
108.41mm N W M
由于横隔板截面高度较大，剪切强度可不比验算。

横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度h f =8mm
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88.043.128.9B H k k k G G c ==9.8×1.0×1.0×0.13×443.1×788
.0=51.3kN
下游面纵向联结承受0.4G=0.4×51.3=20.5KN ，则节点荷载20.5/4=5.1KN ，纵向联结系按支承在边梁上的简支平面桁架设计。

2.斜杆截面计算 斜杆计算长度
斜杆承受的最大拉力10.82kN ，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。

选用角钢10100⨯L ，回转半径mm i y 6.190=，截面面积A=1930mm 斜杆计算长度：0.9l=1.86m
长细比：9.946
.191086.13
00=⨯==y i l λ＜[λ]=200
拉杆强度验算23
/0.71560
1082.10mm N =⨯=
σ＜0.85[σ]=136 N/mm 2满足强度要求。

考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。

九、边梁设计
边梁的截面形式采用单腹式，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。

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
在闸门两侧边梁上各设两个胶木滑块。

水平荷载 主要是主梁传来的水平荷载，还有水平次梁和顶梁，底梁传来的水
平荷载。

为了简化，可假设这些荷载有主梁传给边梁。

每个主梁作用于边梁的荷载为R=132.7kN
竖向荷载 有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、起吊力等
上滑块所收到的压力 R1=132.7×1.46/3.3=58.7KN 下滑快受到的压力 R2=132.7×2-58.7=206.7kN
最大弯矩 m ax M =58.7×0.6=35.22kN/m 最大剪力 V m ax =R2=206.7kN
最大轴向力是作用在一个边梁上的起吊力，估计为160kN 。

在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力N=160-R1f=160-58.7×0.12=153kN 2、边梁的强度验算
截面面积A=400×10+300×14×2=12400mm 2
面积矩 S m ax =14×300×207+10×200×100=1069400mm 3
截面惯性矩 I=
423
29328773320714200212
40010mm =⨯⨯⨯+⨯ 截面模量 W=293287733/214=1370503mm 3 截面边缘最大应力验算
263max max
/03.387.2533.121370503
1022.351240010153mm N W M A N =+=⨯+⨯=+=σ 腹板最大剪应力验算
[]222max max /76958.08.0/7510
2932877331069400
107.206mm N mm N It S V w =⨯=<=⨯⨯⨯==ττ
腹板与下翼缘连接处折算应力验算
=σ21max /4.36214
2007.2533.12mm N y y W M A N =⨯+=+ 23max /3.6110
29328773320714300107.206mm N It S V w =⨯⨯⨯⨯⨯==τ
[]2
222222/1281608.08.0/1123.6134.363mm N mm N h =⨯=<=⨯+=+=στσσ
以上验算均满足强度要求。

十、滑动行走支承设计
胶木滑块计算：滑块位置如图所示，下滑快受力最大，其值为206.7kN 。

设滑块长度为330mm ，则单位长度的承压力为
q=206.7×1000/330 =626N/mm
根据q 值，查表7-2得轨顶弧面半径R=100mm 轨头设计宽度为b=25mm 。

胶木滑道与轨顶的接触应力按式（7-13）进行验算 []
22max /500/260100
626104104
mm N mm N R q j =≤=⨯==σσ 故选定胶木高30mm ，宽120mm ，长330mm 。

十一、胶木滑块轨道设计
1.确定轨道底板宽度
轨道底板宽度按混凝土的容许承压强度决定。

根据C20混凝土由附录十表2，查的混凝土的容许承压力为[]2
/7mm N h =σ ，则所需轨道底板宽度为
B []
mm 100B ,897
626
h ===
=
取mm q
h h σ
轨道底面压应力： 2h /N 26.6100
626mm ==σ 2. 确定轨道底板厚度
轨道底板厚度按其弯曲强度确定。

轨道底板的最大弯应力 []σσσ≤=22
3t
c h 式中轨道底板的悬臂长度c=100mm ，对于Q235由第二章表2-8查得[]2/100mm N =σ 故所需轨道底板厚度
[]mm 50t ,8.43100
1004.6332
2
==⨯⨯==取mm c t h σσ 十二、闸门启闭力和吊耳计算
1. 启闭力计算
启门力按照（7-25）计算
T x zs zd P T T 2.1G 1.1+++=）（
启 闸门自重 G=51.3kN
滑道摩阻力 T zd =fP=0.12×1500=180kN
止水摩阻力 T zs =2fbHp
橡皮止水受压宽度取为b=0.06m
每边侧止水受水压长度H=6.0m
侧止水平均压强 p=25kN/m 2
T zs =2×0.65×0.06×6×25=11.7kN
下吸力P x 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7.6m 。

根据规范，启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m 2计算，则下吸力： P x =20×7.6×0.016=2.4kN
故闸门的启门力： T kN 2894.27.111802.13.511.1=++⨯
+⨯=）（启 3. 闭门力按照式7-24计算
G 9.0-T T 2.1zs zd ）（
闭+=T =1.2（180+11.7）-0.9×51.3
=183.9kN
4. 吊轴和吊耳板验算
（1） 吊轴。

采用Q235钢，由第二章表2-8查得[]2
/65mm N =τ，采用双吊点，每边起吊力为 P=1.2×kN 4.1732
2892.12=⨯=启
T 吊轴每边剪力 V=kN P 7.862
4.1732== 需要吊轴截面积 A=[]2133465
10007.86mm V =⨯=τ 又 A=22
785.04d d ==π
故吊耳直径 d mm 60d ,2.41785.01334785.0===≥
取mm A （2） 吊耳板强度验算
按照局部紧接条件，吊耳板需要厚度按7-26计算，由第二章表2-8查得Q235钢[]2
/80mm N cj
=σ，故 t=[]mm d P cj 3680
60104.1733=⨯⨯=σ 因此在边梁腹板上端部的两侧各焊一块厚度为20mm 的轴承板。

轴承板采用圆形，其直径取为3d=3×60=180mm 。

吊耳孔壁拉应力按式7-27计算 []k cj k r R r R σσσ8.02
22
2≤-+= 式中23
/3.7260
40104.173mm N td P cj =⨯⨯==σ，吊耳板半径R=90mm ，轴孔半径r=30mm ，由第二章表2-8查得[]2
/120mm N k =σ，所以孔壁拉应力为 22222
2/961208.0/4.9030
9030903.72mm N mm N k =⨯<=-+⨯=σ
满足要求。