水工金属结构设计概论

9. 金属结构及电气设计

9.1 金属结构

本设计涉及的金属结构包括钢闸门及启闭机。

9.1.1 平面钢闸门设计

设计选用平面钢闸门，平面钢闸门与其他形式闸门相比有以下优点：结构简单，制造与安装容易，而且工作量小；结构刚度大，工作可靠，运行维护费用低，可提到水面以上检修；操作简单、迅速，安全，有互换性；应用范广泛，可在各类水利水电工程及通航枢纽中，用作工作闸门、事故闸门、检修闸门及施工导流闸门。

9.1.1.1 平面钢闸门结构型式及布置

1、闸门尺寸的确定

根据闸孔尺寸为10.0×6.0m，确定闸门两侧止水间距为L

=10.0m，计算跨度为孔

1

口宽度+支撑中心至闸墩侧面的距离的两倍，取为L =10.55m，闸门的高度为孔口高度H=6.0m。

2、主梁的型式

主梁是闸门最主要的承力构件，其数量主要取决于闸门的尺寸和水头的大小。对于闸门跨度L较大，而门高H较小（L≥1.5H）的露顶闸门，主梁数目一般为两根。

本闸门跨度为10.0m，高度为6.0m，10.0/6.0≥1.5，因此确定为双主梁闸门。属于中等跨度闸门，为了便于制造和维护，设计采用实辅式组合粱。

3、主梁的布置

为使两主梁在设计水位时所受的水压力相等，两个主梁的位置对称于水压力合力的作用线，如图9-1所示。

主梁位置还需要满足下列要求：

①主梁的间距应尽量大些，以保证闸门的竖向刚度。

②闸门的上悬臂c不易过长，通常要求c≤0.45H，以保证门顶悬臂部分有足够的刚度。悬臂c值也不宜超过3.5m。

③主梁间距应满足滚轮行走支承布置的要求。

④工作闸门的下主梁距平面闸槛的高度应不至于产生真空现象，并要求下悬臂a ≥0.12H 和 a≥0.4m，

取：a=0.12×6≈0.7m，c=0.45×6=2.7m；

主梁间距：2b=H-c-a=6-2.7-0.7=2.6m；

图9-1 梁格布置尺寸

4、梁格的布置及型式

梁格采用复式布置和等高连接，使水平次梁、竖直次梁和主梁的前翼缘都直接与面板相连，以便于梁系与面板形成强固的整体，面板可与梁系共同受力，形成梁截面

的一部分，从而减少梁系的用钢量。水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板支承成为连续梁，面板直接支承在梁格的上翼缘上。

水平次梁间距布置上疏下密，使面板需要的厚度大致相等。具体数据见“面板设计”一节。

5、联接系的型式及布置

①横向联接系

为了简化闸门的制造、横向联接系采用横隔板式，其布置应和梁的设计跨度有关，本闸门根据主梁的跨度决定布置三道横隔板，间距为2.18m、2.18m、2.175m，隔板兼做竖直次梁。

②纵向联接系

纵向联接系设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用简单的斜杆式桁架。

6、边梁和行走支承部分

因闸门的水头和孔口较大，设计时将轮子装设在双腹式边梁的两块腹板之间，即简支式滚轴，以避免边梁受扭。

9.1.1.2 主梁设计

平面闸门的主梁绝大多数采用组合梁。对于主梁跨度较大的露顶闸门，为减小门槽尺寸和节约钢材，采用变截面的主梁型式。设计中主梁采用变截面的组合梁，材料选用A3钢。

图9-2 主梁荷载计算简图

1、截面选择 ①弯矩与剪力计算

双向水压力作用在下主梁的均布荷载为： 1.94/q t m =； 因此作用在主梁上的最大剪力和弯矩分别为：

1max 1

1.94109.7022

qL Q t =

=⨯⨯=； 211max

26.9248

qLL qL M =-= t ·m 。

②截面模量计算

考虑钢闸门自重引起的应力影响，取容许弯应力为[σ]=0.9x1600kg/cm ²，则需要的截面抵抗矩为：

5

3max 26.92101869[]0.91600

M W cm σ⨯===⨯。

③腹板高度选择

按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为：

()

min 6

[]0.9160010.55100

0.960.230.960.2395.8[/] 2.1101/600L h cm E f l σ⨯⨯⨯=⨯⨯

=⨯⨯=⨯⨯。 （0.96为考虑截面不对称影响的系数） 仅对主梁自重而言，其经济梁高为：

1869

1.5651.0

j W h k cm δ

=⨯

=⨯

=； 注：翼缘截面不改变的焊接梁k=1.5，腹板厚度近似地估计为：

331000

771010001000

h mm δ⨯=+

=+=； 由于钢闸门中的横向隔板重量随主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比h j 小，但不小于h min 因此确定高度为100cm 。

④腹板厚度计算

按剪切强度要求：3

max 039.7101.50.152[]950100Q cm h δτ⨯≥⨯=⨯=⨯；

按局部稳定要求：00~ 1.0~0.72100140

h h

cm δ==，选用δ=1.0cm 。 ⑤翼缘截面选择

每个翼缘需要截面积为：

2100118691 1.0100 2.0261006

W A h cm h δ=

-=-⨯⨯=； 下翼缘选用b 1=30cm ，在

00

~40~202.55

h h cm =之间，需要11 2.020.0730A t cm b ==

=，选用t=2cm ，符合钢板规格。

下翼缘截面积：A 1下230260cm =⨯=，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接，选用t=2cm ，b 1=14cm 。

面板兼做主梁上翼缘的有效宽度取为：16014600.862B b cm δ=+=+⨯=； 上翼缘截面积：A 1上2142620.877.59cm =⨯+⨯=。 弯应力强度验算：

主梁跨中截面的几何特性图如下：

图9-3 主梁跨中截面

截面形心矩：1

'11578.2448.7237.6Ay y cm A ===∑∑

；