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
主梁允许挠度：[f]=1/600 （2）内力计算
主梁计算简图如图6.5所示：
图6.5 主梁计算简图
max max
22.056 6.36
()()109.15224224
22.05666.1522
q q q q L L L M kN m qL V kN ⨯⨯=-=⨯-=⋅⨯===
（3）需要的截面模量
已知Q235钢的允许应力[σ]=160N/mm2，考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取允许应力为[σ]=0.9×160=144N/mm 2，则需要的截面模量为：
[]
3max
109.151000
758144
M W cm σ⨯=
=
=
考虑利用面板作为主梁截面的一部分，初选I40a ，查表得: A=86.1cm2；Wx=1090cm3；Ix=21700cm4；b=142mm ；d=10.5mm ；t=16.5mm 。

面板参加主梁工作有效宽度：
60606142502l B b mm
δ=+=⨯+=
取b=0.5m ，l 0=6.3m ， l 0/b=12.6，查表得ξ1=0.99，故
1B b ξ==0.99×0.5=495mm
故选用B=495mm ，则主梁组合截面面积为：
A=86.1+49.5×0.6=115.8cm2
组合截面形心到工字钢中心线的距离为：
49.50.620.3
5.2cm
115.8e ⨯⨯=
=
组合截面的惯性矩及截面矩为：
22412170086.1 5.249.50.615.130800c I m =+⨯+⨯⨯=
3
min 30800
1222.2c 25.2W m =
=
q=22.05kN/m
23
14.2 1.6524.40.5 1.0523.6864.1c S m =⨯⨯+⨯⨯=
（4）弯应力验算
[]622
max 3
min 33
max max 41109.1510===89.3/mm 144/mm 1222.210
66.1510864.110
=
17.67120308001010.5
M N N W V S MPa MPa I σττδ⨯⨯⨯⨯⨯===⨯⨯＜＜
[]94.4MPa σ==＜
故满足要求。

（5）挠度验算
3395415522.056100.0010.0017384384 2.06103080010f ql f l EI l
⨯⨯⨯⎡⎤
===≤=⎢⎥⨯⨯⨯⨯⎣⎦
（6）面板参加主梁工作的折算应力验算
由上述的面板计算可知，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格Ⅴ所需要的板厚较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取区格Ⅴ验算其长边中点的折算应力。

面板区格Ⅴ在长边中点的局部弯曲应力为：
22
2
2
my y 2
0.50.0242466=k /==73/mm 6
qa N σδ⨯⨯ 2
mx my ==0.373=21.9/mm N σμσ⨯
对于面板区格Ⅴ在长边中点的主梁弯矩为：
M=109.15kN·m
620x 3
109.1510=89.3/1222.810M N mm W σ⨯==⨯ 故折算应力为：
[]22
zh 1.1246.4N/mm σασ≤= 故面板厚度选用6mm ，满足强度要求。

6.3.6 竖直次梁（隔板）
竖直次梁按支承在主梁上的双悬臂梁计算，受力简图如图6.6所示:
图6.6 竖直次梁计算简图
（1）内力计算
支座A 断面上的弯矩为：
3
7.54k 6
A A H M b N m γ=
=⋅
支座B 断面上的弯矩为：
2()
2.41k 4
B B B H H M
C b N m γ+=
=⋅
（2）截面选择
隔板的腹板选用与主梁腹板一致，采用380mm×10mm ，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm×10mm 的扁钢。

面板参加竖直次梁工作的有效宽度： b=2.1m ，l 0=0.7×1.4m=0.98m ，l 0/b=0.46，查表得ξ1=0.18。

故有效宽度为B=ξ1b=378mm 截面形心到腹板中心线的距离：
3786190-20010190
6.33786+38010+20010
e mm ⨯⨯⨯⨯=
=⨯⨯⨯
截面惯性矩：
322241
1383810.6337.80.618.6720120.137089712
I cm =
⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯= 截面模量为：
3min 70897
343720.63
W cm =
= 中和轴一侧静面矩：
2320119.60.5 1.0519582c S m =⨯⨯+⨯⨯=
（3）弯应力验算
[]6
23
min 7.5410= 2.19/343710
M N mm W σσ⨯==⨯＜ 故满足强度要求。

A
B
6.3.7 边梁设计
边梁的截面形式采用双腹板式，截面尺寸按构造要求确定，高度与主梁端部等高，腹板厚度与主梁腹板高度相同。

为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不宜小于300mm 。

双腹板的间距应根据滑块的尺寸确定。

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

边梁在水平方向承受主梁、水平次梁以及由面板传来的水压力和行走支承反力，为简化计算，边梁的水平荷载折算成主梁的集中荷载。

在竖直方向，还承受门重、水柱重、启闭闸门时的启门力、下吸力、上托力以及行走支承与止水上的摩擦阻力等荷载。

（1）内力计算
图6.7 边梁计算简图
每根主梁作用与边梁的集中荷载为R=66.15kN
如图所示，上滑块所受到的压力为R 1=46.31kN ，下滑块所受到的压力为R2=86kN 。

边梁最大弯矩为：M max =46.31×0.6=27.8kN·m 最大剪力为：V max =46.31kN
最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为180kN 。

在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去滑块的摩阻力，该轴向力为：
N=180- R 1f=180-46.31×0.17=172Kn （2）截面选择
选[40a 槽钢，查表得：
A=75.4cm 2；W x =879cm 3；I x =17600cm 4；b=100mm ；d=10.5mm 。

图6.8 边梁组合截面图
上主梁66.15kN
下主梁66.15kN
R1
R2
截面面积：A=75.4+30×1=105.4 cm 2 截面形心到腹板中心线的距离：
301
0.3105.4
e cm ⨯=
= 截面惯性矩：
2241760075.40.330120.329970I cm =+⨯+⨯⨯=
面积矩：
23
10 1.819.60.5 1.0518.5442.6c S m =⨯⨯+⨯⨯=
截面模量：
3min 29970
147620.3
W cm =
= （3）弯应力、剪应力验算：
[][]62
3
min 33
max 427.810=18.8/147610
46.3110442.610
=11.4a 29970106
M N mm W VS MP I σσττδ⨯==⨯⨯⨯⨯=
=⨯⨯＜＜
故满足要求。

6.3.8 行走支承设计
胶木滑块计算：
滑块位置如图所示，下滑块受力最大，其值为R2=86kN 。

设滑块长度为250mm ，则滑块单位长度的承压力为：q=0.344 kN/ mm 。

根据上述q 值查得轨头弧面半径R=100mm ，轨头宽度S=25mm 。

胶木滑道与轨头弧面的接触应力进行验算：
22max 104192/500/j N mm N mm σσ⎡⎤===≤=⎣⎦ 选定胶木高30mm ，宽100mm ，长250mm 。

6.3.9 胶木滑块的轨道设计
（1）确定轨道底板宽度
根据C25混凝土查得混凝土允许承压应力为[σn ]=9N/mm 2，则所需的轨道底板宽度为：[]h 344389
n q
B mm σ=== 取B h =120mm ，故轨道底面压应力为：
2n 5935/120
N mm 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为：
[]2
n 2=3c t
σσσ≤ 式中：轨道底板的悬臂长度c=85mm ，对于Q235钢，查得[σ]=100N/mm 2。

故所需轨道底板厚度为：
33t mm === 故取t=40mm 。

6.3.10 闸门启闭力和吊座计算
（1）启闭力计算
闸门启闭力按下式计算：
1.2() 1.1Q zd zs x T T T G P =+++
闸门自重为G=45kN
滑道摩阻力为：Tzd=fP=0.17×264.6=45kN
止水摩阻力为：Tzs=0.65×（2×4.5×0.07+4×0.07）×27=16kN
止水橡皮采用I110-16型，其规格为宽16mm 、长110mm 。

底止水沿门跨长6m 。

下吸力为：Px=20×0.016×6=1.92kN
故闸门的启闭力为：TQ=1.2×（45+16）+1.1×45+1.92=124.62kN
（2）闭门力计算
闭门力计算公式为： 1.2()0.9W zd zs t T T T G P =+-+
上托力为：Pt=9.8×2.5×0.16×6=23.52kN
故闭门力为：TW=1.2×（45+16）-0.9×45+23.52=56.22Kn
可见仅靠闸门自重是无法关闭闸门的。

（3）吊轴验算
吊轴采用Q235钢，查得[τ]=65N/mm 2。

采用双吊点，每边的起吊力为：
N=1.2×0.5×124.62=75kN
吊轴每边的剪力为：V=37.5kN
所需吊轴截面矩为：A=578mm2
吊轴直径为27.1d mm ≥=，故取d=30mm （4）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，查得Q235钢的
[σcj ]=80N/mm2，故
3
751031.253080
cj N t mm d σ⨯===⨯⎡⎤⎣⎦ 故取t=32mm 。

为调整吊耳孔位置，决定在边梁腹板上端部的两侧各焊一块轴承板，根据要求，两块轴承板的总厚度应不小于1.2t=38.4mm ，故每块轴承板取20mm 。

轴承板采用矩形，尺寸为150mm×180mm 。

吊耳孔壁拉应力按下式计算：
[]22322
2222227510903048.8/0.896/32609030k cj k R r N mm N mm R r σσσ+⨯+====-⨯-＜。