水工钢结构课程设计高利华

露顶式平面闸门设计
1、设计资料
闸门形式：露顶式平面闸门设计；
空口净宽：8.00m；
设计水头：5.2m；
结构材料：Q 2 3 5 B — F；
焊条：焊条采用E 4 3 型手工焊；
止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮；
行走支撑：采用胶木滑道，压合胶木为MCS — 2；
启闭方式：电机固定启闭机；
混凝土强度等级：C 2 0；
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
执行规范：《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74—1995）。

2、闸门结构的形式及布置
（1）闸门尺寸的确定（图1）。

1）闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m，故闸门高度=5.2+0.2=5.4(m); 2）闸门的和在跨度为两侧止水的间距：L1=8m;
3) 闸门计算跨度：L=L0+2d=8+2 0.2=8.40(m)。

（2）主梁的形式。

主梁的形式应根据水头的大小和跨度的大小而定，本闸门属于中等跨度，为了方便制造和维护，决定采用实腹式组合梁。

（3）主梁的布置。

根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。

为使两个主梁设计水位时所受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线ӯ=H/3=1.73m（图1）并要求下悬臂a≥0.12H和a≥0.4m、上悬臂c≤0.45H，今取:
a=0.12H=0.67(m)
主梁间距：
2B=2(ӯ－a)＝2⨯1.13=2.26(m)
则
=
2
.2
-
=
52
-
-
=
-
2.5
H
b
a
H
.2
c45
61
.0
.0
67
（4）梁格的布置和形式。

梁格采用复式布置和高等连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支撑。

水平次梁为连续梁，其间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置具体尺寸如图2所示。

（5）连接系的布置和形式。

1）横向连接系，跟据主梁的跨度，决定布置3道横隔板，其间距为2.1m，横隔板兼竖直次梁。

2）纵向连接系，设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。

（6）边梁与行走支撑。

边梁采用单腹式，行走支撑采用胶木滑道。

3、面板设计
根据《钢闸门设计规范》(SL 74—95)及2006修订送审稿，关于板面的计算，西安估算板面厚度，在主梁截面选择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。

面板厚度计算公式如下 t=a
]
[9.0σa kp
当b/a ≤3时，a=1.5，则t=
160
5.19.0⨯⨯kp
=0.68a kp
当b/a 3时，a=1.4，则t=
160
4.19.0⨯⨯kp
=0.07a kp
现列表1进行计算。

面板厚度的估算
注 1 面板边长a\b 都从面板与梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽为140mm 。

2 Ⅰ、Ⅵ中系数k 由三边固定一边简支板查得。

根据表1.1计算，选用面板厚度t=7mm 。

（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计算，已知面板厚度t=7mm ，并且近似的取板中最大弯应力σmax=[σ]=160N/mm 2，则
2
max 0.070.07716078.4/t N t N mm σ==⨯⨯=
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为
T=360308105408264
=17222102310
VS N mm I ⨯⨯⨯⨯=⨯⨯ 计算面板与主梁连接的焊缝厚度为
/(0.7[])w f f h τ≥
()/0.7115 2.3mm
=
⨯=
面板与主梁连接焊缝取其最小厚度h f =6mm 。

4、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、底梁都是支撑在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水平压力按下式计算，
2
下
上a a p
q += 梁号 梁轴线处水压强度p(kN
/m 2)
梁间距(m)
2
下
上a a + (m)
2
下
上a a p
q += (kN/m)
备注
1（顶梁）
顶梁荷载按下图计算
)/(52.4885
.13735
.12735.1171m KN R =⨯⨯=
1.49
2 15.4 1.380
21.95 0.99
3（上主梁） 26.1 1.010
26.36 0.83
4 35.2 0.865
30.45 0.73
5（下主梁） 43.1 0.800
34.48 0.71
6 50.9 0.680
34.61 0.51
7（底梁）
56.6
0.335
18.96
根据上表计算，水平次梁计算荷载取34.61KN/m ， 水平次梁为四跨连续梁，跨度为 2.1m （图3）。

水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为：
2
2
0.0770.07734.61 2.111.75M ql kN m ==⨯⨯=⋅次中
支座B 处的负弯矩为：
22
0.0770.10734.61 2.116.33M ql kN m ==⨯⨯=⋅次B
（2）截面选择。

W=M/[]σ= 6
3
16.3310/160102071mm
⨯=
考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选[16a ，由表查得 A=22002
mm ,W x =1083003
mm ,
x I =86600004mm ,l b =63mm,d =6.5mm 。

面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取其中较小值。

60t B b t ≤+=63608543mm +⨯=
按5号梁计算，设梁间距)(8002/)810790(2/)(21mm b b b =+=+=确定上式中面板的有效宽度系数ζ时，需要知道梁弯矩零点之间的距离0l 与梁间距b 之比值。

对于第一跨中正弯矩段取00.80.821001680l l mm ==⨯=对于支座负弯矩段取00.40.42100840l l mm ==⨯=根据
b l /0查表得
对于01680/800 2.1l b ==，得10.716ξ=，则B=1573b ξ=mm ； 对于0840 1.05800
l b ==，得20.312ξ=，则B=2250b ξ=mm 。

对第一跨中选用B=543mm 则水平次梁组合截面面积（图4）为 A =2
220054386544mm +⨯=
组合截面形心到槽钢中心线的距离为 e =
543884
566544
mm ⨯⨯=
跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：
22748660000220056543828 1.59810I mm =+⨯+⨯⨯=⨯次
min max
I W y =
=
次7
31.59810117536136
mm ⨯= 对支座段选用B=284mm.则组合截面面积为
A =2200+250⨯8=42002mm
组合截面形心到槽钢中心线的距离为 e =
250884
404200
mm ⨯⨯=
支座处组合截面的惯性矩及截面模量为
I =次B 224866000022004025084616412000mm +⨯+⨯⨯= min W =
316412000
134525122
mm =
（3）水平次梁的强度验算。

由于支座B （图3）处弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座B 处截面的抗弯强度，即： 722min
1.63310121/[
]160/134525
B M N mm N mm W σσ⨯=
==<=次次
说明水平次梁选用[ 16a 满足要求。

扎成梁的剪应力一般很小，可不必验算。

（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 KN M B •=9.30次则边跨挠度可近似地计算为：
334
57
34.61210010.632 3.1610[]100100 2.0610 1.59810250
ql l EI l ωβω-⨯==⨯=⨯<=⨯⨯⨯⨯=0.004 故水平次梁选用[ 16a 满足强度和刚度要求。

(5)顶梁和底梁。

顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度，所以也采用[ 16a 。

底梁也采用[ 16a 。

5、主梁设计
(1)设计资料。

1）主梁跨度(图5)；净宽（孔口宽度）L 0=8m ，计算跨度L=8.4m ，荷载跨度L 1=8m ； 2）主梁荷载q=84.2KN/m. 3）横向隔间距：2.1m 。

4）主梁容许挠度[]600/L =υ：
(2)
主
梁
设
计。

主梁设计包括：
①
截面选择；
②
梁高改变；
③
翼缘焊接；④腹板局部稳定验算；⑤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。

①弯矩与剪力。

弯矩与剪力计算如下：
()224q q
x q l l L M ⨯=-=82.488.48890224KN m ⨯⎛⎫⨯-=⋅ ⎪⎝
⎭ max 1
/282.483302
q V qL KN ==⨯⨯≈
②需要的截面模量。

已知Q235钢的容许应力[]2
/160mm N =σ考虑钢闸门自重引起的附加应力作
用，取容许应力[]2
2
/144/1609.0mm N mm N =⨯=σ，则需要的截面模量为
3max 8901000
/0.9[]6181144
W M 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
[]0.90.960.23[/]L
h E L σω⨯=⨯ =()
251448.4100.960.2377.82.06101/600cm ⨯
⨯⨯⨯⨯=⨯ 经济梁高 2
2/5
5
3.1
3.16181102ec h W cm ==⨯≈。

由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增加，故主梁高度已选得比h ec 小,但不小于h min 。

现选用腹板高度h 0=100cm
④腹板厚度选择。

按经验公式计算：cm h t w 91.011/10011/===,选用cm t w 1= ⑤翼缘截面选择。

每个翼缘需要截面为： 2100161811110045.161006
w W A t h cm h =
-=-⨯⨯= 下翼缘选用cm t 0.21=（符合钢板规格）
需要cm t A b 220.2/83/111===，选用cm b 261=（在
5.2h ~=5
h
40~20cm 之间） 上翼缘的部分截面可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用
cm t 0.21=，cm b 141=。

⑥弯应力强度验算。

主梁跨中截面（图6)的几何特性如下表
截面形心矩 )(476
.2898
.137111cm A y A y ==∑'∑= 截面惯性矩
)(57508749175412
1000.1124323cm Ay h t I w =+⨯=∑+=
截面模量 上翼缘顶边:
)(1148147
57508731min cm y I W === 下翼缘底边： )(1008958
57508732min cm y I W === 弯应力： )/(44.160.19.043.110089
1005.14402max max cm KN W M =⨯=⨯==
σ（安全） ⑦整体稳定性与挠度验算。

因主梁上翼缘直接同钢板相连，按《设计规范》规定，可不必验算整体稳定性。

又因梁高大于刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。

2）截面改变。

因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度，有必要将主梁支承段腹板高度宽度
减小为cm h h s
606.000==（图7）。

梁高开始改变的位置取在临近支承段的横向隔板下翼缘的外侧（图8），离开支承段的距离为 260-10=250cm 。

剪切强度验算：考虑到主梁段部的腹板及翼缘部分分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字钢截面来验算剪应力强度。

主梁支承端截面的几何特性
截面形心矩
1600.80.412 2.0 1.786 1.045.826 2.089.810747.84
46.8600.812 2.086 1.026 2.0229.6
i i i A y y cm A ∑⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯=
===∑⨯+⨯+⨯+⨯ 截面惯性矩
32322224011()160620.828.614229.2601 4.826235.81473141212d w i i I t h A y cm =+∑=⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯=
截面下半部中和轴的面积矩：
334.8
26235.834.8 1.024682
S cm =⨯⨯+⨯⨯= 剪应力：
[]56
max 93.3010 2.4681055.3/95/1.473141010
x V S N mm N mm I t ττ⨯⨯⨯===<=⨯⨯（安全）
3）翼缘焊缝。

翼缘焊缝厚度h f 按受力最大的支承端截面计算。

最大剪力V max = 330KN ，截面惯性矩
I 0=147314cm 4。

上翼缘对中和轴的面积矩
1S =3
620.828.6+14227.2=2180cm ⨯⨯⨯⨯
下翼缘对中和轴的面积矩
2S =3
126235.81861cm S ⨯⨯=<
需要 56
19
3.3010 2.18010 3.01.4[] 1.4 1.4731410115
f w x f VS h mm I τ⨯⨯⨯===⨯⨯⨯ 角焊缝最小厚度
6.7f h mm ≥== 全梁的上下翼缘焊缝都采用h f =8mm 。

4）腹板的加劲肋和局部稳定验算。

加劲肋的布置：因为800
.1800==w t h ，满足局稳要求，故在区格II 不必要增加劲肋。

再从剪力最大的区格I 来考虑：
该区格的腹板平均高度)(702/)6080(0cm h =+=-
，因70/0=-
w t h ，不必验算，故在梁高较小的区格I 内也不必另设横向加劲肋。

5）面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。

从上述面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格IV 所需要的板厚较大，这意味着该区格的长边中点应力也比较大，所以选取区格IV （图2）验算其长边中点的折算应力。

面板区格IV 在长边中点的局部弯曲应力：
2
2
2
2
2
/0.50.031760/8140/my kpa t N mm
σ==⨯⨯=
20.314042/mx my N mm σμσ==⨯=
对应于面板IV 长边中点的主梁弯矩（图5）和弯应力为 21
82.44 3.1582.4 2.956802
M KN m =⨯⨯-
⨯⨯=⋅ 92
06
0.681075.9/8.96110
x
M W N mm σ⨯===⨯ 面板IV 长边中点的折算应力
zh σ=
=
[]22164/ 1.1 1.1 1.4160246.4/N mm N mm ασ=≤=⨯⨯=
上式中my σ、mx σ和x 0σ的取值均已拉应力为正号，压应力为负号。

面板厚度取8mm ，满足强度要求。

6、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，计算时可以把荷载用三角形分布的水压力来代替（图1），并且把横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁。

则每片横隔板的最大负载弯矩为 11/226.1 2.52 2.61 2.61/374.723
c
M qc KN m =
=⨯⨯⨯⨯=⋅ （2）横隔板截面选择和强度计算。

其腹板选用和主梁同高度，采用1020mm ⨯8mm ，上翼缘利用面板，上翼缘采用200mm ⨯10mm 扁钢。

上翼缘可利用面板的宽度按b B 2ξ=确定，其中b=2100mm ，按
0/22300/2100 2.095
l b =⨯=
查表得有效宽度系数523.02=ξ，则B=0.52321001098.3⨯=mm ，取B=1100mm 。

计算如（图9）所示的截面几何特性。

截面形心到腹板中心线的距离为 1100851420010515
184110082001010208
e mm ⨯⨯-⨯⨯=
=⨯+⨯+⨯
截面惯矩为
322218102010208184110083262001069912
I =⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯
94
2.8140910mm =⨯
截面模量为
96
min max 2.8140910/704 3.99710W I y ==⨯=⨯
验算弯应力为
[]7622min 7.4710/3.9971018.7/160/M W N mm N mm σσ==⨯⨯=<=
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mm h f 6=。

7、纵向连接设计
（1）荷载和内力的计算。

纵向连接系承受闸门自重，露顶式平面钢闸门门叶自重G 按下式计算 1.430.88 1.430.889.80.8110.13 5.889.879.4z c g G k k k H B KN =⨯=⨯⨯⨯⨯⨯= 下游纵向连接系承受
0.4G=0.474.931.8KN ⨯=
纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆分布如图10所示，其结点荷载为
31.8
7.944
P KN =
= 杆件内力计算结果如图10所示。

（2）斜杆截面计算。

斜杆承受的最大压力为N=7.94KN ，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即[]200=≤λλ。

选用单角钢∟575⨯，查表得 截面面积
A =7.372cm ，0 1.50y i cm =
斜杆计算长度
22200.9 2.1 2.40.4 3.03l m =++=
长细比
[]00303/1.5192.7200y l λλ===<= 验算拉杆强度为
[]2
2
7940/73710.8/0.85136/N A N mm N mm
σσ===<=
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。

（3）斜杆与结点板的连接计算（略）。

8、边梁设计 边梁设计采用单腹式（图11），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，故在设计时可将容许应力值降低20％作为考虑受扭影响的安全储备。

（1）荷载和内力的计算。

在每侧闸门上设置两个胶木滑块，其尺寸见（图1.12）。

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。

每个主梁作用与边梁的荷载为R=330KN 。

2）竖向荷载。

有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、启吊力等。

上滑块所受的压力 1330 2.5
2583.2
R KN ⨯==
下滑块所受的压力
212330402R R KN =⨯-= 最大弯矩
max 2580.7180.6M KN m =⨯=⋅ 最大剪力
max 1V R ==258KN
最大轴向力为作用在一个边梁上的启吊力，估计为220KN 。

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 122202202580.13186.46N R f KN =-=-⨯=。

（2）边梁的强度验算
截面面积
26001023002018000A mm =⨯+⨯⨯=
面积矩
320300310103001502310000S mm =⨯⨯+⨯⨯=
截面惯性矩
32541
10600230020310133321012
I mm =
⨯⨯+⨯⨯⨯=⨯ 截面模量
5
313332104166250320
W mm ⨯=
= 截面边界最大应力验算 []622max max
186460180.61053.7/0.80.8150120/180004166250
M N N mm N mm A W σσ⨯=+=+=<=⨯= 腹板最大剪应力验算
342
max max
5
258102311044.7/133321010
w V S N mm It τ⨯⨯⨯===⨯⨯[]20.80.89576/N mm τ<=⨯= 腹板与下翼缘连接处应力验算
62max '186460180.610300
51/180004166250320
M N y N mm A W y σ⨯=+
⨯=+⨯= 32max 15
2581030020310
36/133321010
w V S N mm It τ⨯⨯⨯⨯===⨯⨯
[]2280.6/0.80.8160128/zh N mm N mm σσ===<=⨯=
以上验算均满足强度要求。

9、行走支承设计
胶木滑块计算：滑块位置如图12所示，下滑块受力最大，其值为R 2=402KN 。

设滑块长度为300mm ，则滑块单位长度的承压力为
402/300 1.34/q KN mm ==
根据上述q 值由表查得轨顶弧面半径R=150轨头设计宽度为b=35mm 。

胶木滑道与轨顶弧面的接触应力验算
2
2
max 310.8/500/j N mm N mm σσ⎡⎤===<=⎣⎦ 选定胶木滑块的高30mm ，宽140mm ，长300mm 。

10、胶木滑块轨道的设计（图13）
（1）确定轨道底板宽度.。

轨道底板宽度按混凝土
承压强度决定。

根据C20很凝土查表得混凝土的容许承压应力为[]2/7mm N h =σ，则所需要的轨道底板
宽度为
[]1340/7177.8k h B q
mm σ===)200B (h mm =取
故轨道底板面压应力为
[]21340/200 6.7/h k h q B N mm σσ===<
（2）确定轨道底板厚度。

轨道底板厚度δ按其弯曲强度确定。

轨道底板的最大弯应力为
[]2
2
3h
c σσσδ
=≤
式中轨道底板的悬臂长度c=82.5，对于Q235钢，查得[]2
/100mm N =σ。

故所需轨道底板厚度为
23/[]3 6.782.5/10037h c mm δσσ==⨯⨯=
11、闸门启闭力和吊座计算
（1）启门力计算
1.2() 1.1zd zs x T T T G P =+++启
其中闸门自重
G=79.4KN 滑道摩阻力
=zd T 20.131648214.2f W KN =⨯=
止水摩阻力
fbHp T zs 2=
因为橡皮止水与钢板间摩擦系数 7.0=f 橡皮止水受压宽度取为
06.0=b m 每边侧止水受压长度
2.5=H m 侧止水平均压强
=
p H 2
1
×9.828.4=kN /m 2 故 =zs T 20.70.06 5.828.413.85⨯⨯⨯⨯=
下吸力P c 止水橡皮采用I110-16型，其规格为宽16mm ，长110mm 。

底止水沿门跨长10.4m 。

根据《钢闸门设计规范》：启门时插门底缘平均下吸强度一般按照20KN/m 2计算，则下吸力为
)(3.3016.04.1020KN P x =⨯⨯=
故闸门的启动力
()1.2214.213.85 1.179.4361T =⨯++⨯=启kN
（2）闭门力计算
=闭T T n (zs zd T T +)－G n G =()1.2214.213.850.979.4202.2+-⨯=kN
显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。

由于该溢洪道闸门孔口较多，若把闸门行走支撑改为滚轮，则边梁需有单腹式改为双腹式，加上增设滚轮等设备，总造价增加较多。

为此，应考虑采用一个重量为200KN 的加载梁，在关闭时可以依次对需要关闭的闸门加载下压关闭。

加载梁的设计本章不予详述。

（3）吊轴和吊耳板验算（图1..14）。

1）吊轴。

采用Q235钢，查得[]2
/65mm KN =τ，采用双吊点，每边启吊力为
启T =1.2×2/N =1.2361/2216.6KN ⨯=
吊轴每边剪力
V =2N =216.6/2108.3=kN
需要吊轴截面积
A= V /[]τ=108.3×310/65=1666 2mm
又因 A=4/2d π=0.7852d
故吊轴直径
d /0.785A 取吊轴直径为d =80mm
2）
吊
耳
板
强
度验
算。

按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度计算，查表得Q235钢的[]2
/80mm N =σ，故
t =
[]
cj
d N
σ=
3
216.61034mm 8080
⨯=⨯ 因此在边梁腹板上端部的两侧各焊接一块厚20mm 的轴承板。

抽承板采用圆形，其直径为mm d 2408033=⨯=。

吊耳孔壁拉应力计算
k σ=222
2r
R r R cj -+σ≤0.8[]k σ
式中cj σ=td N =3
2216.61061.5/4480
N mm ⨯=⨯，吊耳板半径R=120mm ，孔轴半径r=40mm ，查表得
[]2/120mm N k =σ，所以孔壁拉应力
k σ=2222
1204061.576.912040
+⨯=-(N ／mm 2)＜[]k σ8.0=962
/N mm 故满足要求。

总结
参考资料
[1] 赵占彪，水工钢结构. 中国水利水电出版社，第1版. 2009年11月.
[2] 水利水电工程钢闸门设计规范（SL74-95）. 北京；中国水利水电出版社，1995.
[3] 钢结构设计规范（GB50017-2003）.北京；中国水利水电出版社， 2003.。