水工钢闸门结构设计(详细计算过程)

6 金属结构设计

6.3 金属结构设计计算

6.3.1 设计资料

（1）闸门型式：露顶式平面钢闸门 （2）孔口尺寸（宽×高）：6m×3m （3）设计水头:3.16m （4）结构材料：Q235钢 （5）焊条：E43

（6）止水橡皮：侧止水型号采用P45-A ，底止水型号采用I110-16 （7）行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2 （8）混凝土强度等级：C25 （9）规范：《利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）

6.3.2 闸门结构的形式及布置 6.3.2.1 闸门尺寸的确定

1.闸门高度:考虑风浪产生的水位超高，将闸门的高度确定为3m 。

2.闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L 0=6.0m

3.闸门计算跨度：L=L 0+2d=6.0+2×0.15=6.3m

6.3.2.2静水总压力

闸门在关闭位置的静水总压力如图6.1所示，其计算公式为：

2

29.8344.1/2

2gh P kN m

ρ⨯=

==

图6.1 闸门静水总压力计算简图

P

6.3.2.3 主梁的形式

主梁的形式应根据水头的大小和跨度大小而定，本设计中主梁采用实腹式组合梁。

6.3.2.4主梁的布置

根据主梁的高跨比，决定采用双主梁。两根主梁应布置在静水压力合力线上下等距离的位置上，并要求两主梁的距离值要尽量大些，且上主梁到闸门顶缘的距离c 小于0.45H ，且不宜大于3.6m ，底主梁到底止水的距离应符合底缘布置的要求。故主梁的布置如图6.2所示

图6.2 主梁及梁格布置图

6.3.2.5 梁格的布置和形式

梁格采用复式布置并等高连接，并使用实腹式竖向隔板兼作竖直次梁，使水平次梁穿过隔板上的预留孔而成为连续梁，其间距上疏下密，面板各区格需要的厚度大致相等，具体布置尺寸如图6.2所示。

6.3.3 面板设计

根据《利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95），关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁截面选择之后再计算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。

初选面板厚度。面板厚度计算公式为：

δ当b/a ＞3时，α=1.4；当b/a≤3时，α=1.5。 列表进行计算，见表6.1：

由上表的计算结果，再加上2mm 的腐蚀余度，选用面板厚度为6mm 。

6.3.4 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、底梁都是支承在隔板上的连续梁，作用其上的水平压力可按下式计算：

+2a a p q

=下

上

列表计算，具体计算过程见表6.2： 表6.2 水平梁水平压力计算表

经计算，水平次梁计算荷载取10.3kN/m ，水平次梁为三跨连续梁，跨度为2.1m 。计算简图如图6.3所示：

图6.3 水平次梁计算简图

故水平次梁弯曲时跨中弯矩为：

2210.080.0810.3 2.1 3.63M ql kN m ==⨯⨯=⋅

支座B 处的弯矩为：

A B C D

q=10.3kN/m

220.10.110.3 2.1 4.54B M ql kN m ==⨯⨯=⋅

（2）截面选择

[]

6

34.541028375160M

W mm σ⨯===

考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选[14a,查表得：

A=1851mm 2；Wx=80500mm 3；Ix=5640000mm 4；b=58mm ；d=6mm 。 面板参加次梁工作的有效宽度：

6060658418l B b mm δ=+=⨯+=

1B b ξ=（正弯矩段） 2B b ξ=（负弯矩段）

按4号梁进行计算，梁间距为b=470mm ，对于连续梁的正弯矩段

00.80.821001680l l mm ==⨯=，0/1680/470 3.57l b ==，查表得ξ1=0.87，故1B b

ξ==409mm 。

对于其负弯矩段00.40.42100840l l mm ==⨯=，0/840/470 1.79l b ==，查表得ξ2=0.64，故2B b ξ==301mm 。

面板参加水平次梁工作后的组合截面如图6.4所示：

图6.4 组合截面图

对于第一跨中，选用B=409mm ，则水平次梁的组合截面积为

A=1851+409×6=4305mm 2

组合截面形心到槽钢中心线的距离为：

409673

42mm 4305

e ⨯⨯=

=

跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：

2241564000018514240963111263458I mm =+⨯+⨯⨯=

3min 11263458

100567112

W mm =

=

对支座段选用B=301mm ，则组合截面面积为：

A=1851+301×6=3657mm 2

组合截面形心到槽钢中心线的距离为：

301673

36mm 3657

e ⨯⨯=

=

支座组合截面的惯性矩及截面模量为：

2241564000018513630163710511310I mm =+⨯+⨯⨯=

3min 10511310

99163106

W mm =

=

（3）水平次梁的强度验算

由于支座B 处弯矩最大，且截面模量最小，故只需验算支座B 处截面的抗

弯强度，即 []6

22min 4.5410===45.78N/mm =160N/mm 99163

B B M W σσ⨯＜

故水平次梁选用[14a 满足要求。轧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，则边跨挠度可近似地计算为：

4395110.3 2.1100.6770.6770.00030.004100100 2.061010511310f ql f l EI l l

⨯⨯⎡⎤

==⨯=≤=⎢⎥⨯⨯⨯⎣⎦

故水平次梁选用[14a 满足强度和刚度要求。

（5）顶梁和底梁

顶梁所受的荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度，故采用[16a 。底梁采用[14a 。

6.3.5 主梁设计 （1）设计资料

主梁荷载：q=P/2=22.05kN/m

主梁跨度：计算跨度L=6.3m ，荷载跨度Lq=6m 。 隔板间距：2.1m