水工金属结构设计.doc

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L1=10.0m，计算跨度为孔口宽度+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=6.0m2、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3.5m③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：；因此作用在主梁上的最大剪力和弯矩分别为：； t·m②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/cm²，则需要的截面抵抗矩为：③腹板高度选择按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为：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：；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：；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hj小，但不小于hmin因此确定高度为100cm④腹板厚度计算按剪切强度要求：；按局部稳定要求：，选用δ=1.0cm⑤翼缘截面选择每个翼缘需要截面积为：；下翼缘选用b1=30cm，在之间，需要，选用t=2cm，符合钢板规格。

下翼缘截面积：A1下，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，b1=14cm面板兼做主梁上翼缘的有效宽度取为：；上翼缘截面积：A1上弯应力强度验算：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：；截面惯性矩：I=444507cm4截面抵抗矩：上翼缘顶边；下翼缘底边；弯应力：<0.9[σ]=1440kg/cm²表9-1 主梁截面几何特性表部位截面长（cm）截面厚（cm）截面面积A(cm²)各形心离面板表面距离y´（cm）Ay´(cm³)截面形心距y1（cm）各形心离中和轴距离y=y´-y1（cm）Ay²(cm³)面板部分620.849.60.419.8448.7-48.3115855上翼缘板142281.850.4-46.961668腹板部分100110052.852804.11657下翼缘板30260103.8622855.1181963合计237.611578.24361142整体稳定性与挠度验算：因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按规范规定可不必验算整体稳定性，又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算2、截面优化因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度（节省钢材），有必要将主梁支承端腹板高度减小为h0d=0.6h0=0.6x100=60cm。

梁高开始改变的位置取在临近支承端的腹板及翼缘都分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，可按工字型截面来验算主梁支承端的剪切强度图9-4 主梁变截面位置图按照剪切强度验算：<[τ]=950kg/cm²；故支承端的腹板可不必加厚支承端截面的几何特性：表9-2 支承端截面的几何特性表部位截面长（cm）截面厚（cm）截面面积A(cm²)各形心离面板表面距离y´（cm）Ay´(cm³)截面形心距y1（cm）各形心离中和轴距离y=y´-y1（cm）Ay²(cm³)面板部分20.849.60.419.8429.7-29.342545上翼缘板42281.850.4-27.921776腹板部分016032.819683.1581下翼缘板026063.8382834.169820合计197.66.24134722图9-5 主梁支承端截面截面形心矩：y1= ；截面惯性矩：I=134722cm4；截面下半部对中和轴的面积矩：；剪应力：<[τ]=950kg/cm²3、翼缘焊缝翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算，最大剪力Qmax=9.7t，截面惯性矩I0=152754cm4上翼缘对中和轴的面积矩：；下翼缘对中和轴的面积矩：；需要；全梁上、下翼缘焊缝都采用hf=6mm。

4、腹板的加劲肋和局部稳定性验算加劲肋的布置：因为>80，故须设置横加劲肋，以保证腹板的局部稳定性按照规范TJ17-74规定，横加劲肋间距a应满足：从剪力最大的区格Ⅰ来考虑，该区格中点截面的腹板高度：，因<80，故在梁高减小的区格Ⅰ内可不另设加劲肋从梁高与弯矩都较大的区格Ⅱ来考虑：该区格左边截面的剪力：；该截面的弯矩：t·m；腹板平均剪应力：；腹板弯曲压应力：；查表得η=1.0；得出：上式中分母为负值，按TJ17-74规定，横加劲肋要按最大间距a=2h0=200cm布置实际上由于平面钢闸门有横向加劲肋，其间距为260cm，虽然大于2h0，但从上列计算可见，腹板中部区格的剪应力很小，主要受弯应力的作用，且h0/δ=100也不算大（同h0/δ<160相比），显然，腹板有足够的局部稳定性，故在横隔板之间可不再另设横加劲肋横加劲肋的尺寸：因横隔板兼做横加劲肋，其尺寸远较一般横加劲肋为大，显然能够满足当a>2h0时须相应增大加劲肋尺寸的要求，故不必计算加劲肋的尺寸9.1.1.3面板设计面板是闸门结构的重要构件，一般做成平面，钢面板的优点是不透水、经久耐用、面板与梁系连接在一起，使闸门具有很大的刚度。

根据《钢闸门设计规范SDJ13-78》关于面板的计算，先估算面板的厚度，在主梁截面选样之后再验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力1、估算面板厚度表9-3 四边固定矩形弹性薄板受均匀荷载的弯应力系数k（µ=0.3）验算点b/a1.001.101.201.301.401.501.60k0.3080.3480.3830.4120.4380.4540.468验算点b/a1.701.801.9022.5∞k0.4790.4870.4930.4970.5000.500表9-4 面板厚度计算表区格高度区格宽度b/a四边固定弯应力系数区格中心水压强弹塑性调整系数材料抗弯容许应力材料抗弯容许应力面板厚度a（cm）b（cm）KP（kg/cm²)α[σ]（kg/cm²）[σ]（kg/cm²）δ（cm）165.0217.01.50.450.0731.651600.01440.00.27101.0217.02.00.500.2131.650.4786.0217.02.50.500.3201.550.5877.0217.02.80.500.4091.550.6169.0217.03.10.500.4891.550.5653.0218.04.10.500.5641.550.43注：面板边长a、b都从面板与连接焊缝算起，主梁上翼缘宽度为14cm。

假定梁格布置的尺寸如图1所示面板厚度按下式计算,结果见表9-4：式中：k—四边固定的矩形薄板在支承长边中点的弯应力系数，可从表9-3查得；α—弹塑性调整系数；当b/a<3时，α=1.65，则；当b/a<3时，α=1.65，则；根据上述计算，确定面板厚度δ=0.8cm2、面板与梁格的连接计算面板挠曲时产生的横拉力N的计算：面板区格Ⅵ偏于安全的按两端铰接考虑，已知该区格的平均水压强度p=0.564kg/cm²，板跨l=a=53cm，板厚δ=0.8cm，板条的弯曲刚度：kg·cm²板条在仅有p作用下的跨中挠度：；则： ；由上式得出 面板横拉力：；面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：；面板与主梁连接的焊缝厚度：；面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=6mm9.1.1.4水平次梁、顶梁、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，作用在它们上面的水压力按下式计算：q=P（a上+a下）/2具体计算见表9-5表9-5 水平梁荷载计算表梁号梁轴线处水压强度p（t/m²）。