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1、0金属结构及电气设计金属结构及电气设计1 1 金属结构金属结构本设计涉及的金属结构包括钢闸门及启闭机。1.11.1 平面钢闸门设计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。1.1.11.1.1 平面钢闸门结构型式及布置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 10.06.0m，确定闸门两侧止水间距为 L1=10.0m，计算跨度
2、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=6.0m。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（L1.5H）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，10.0/6.01.5，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：主梁的间距应尽量大些，以保证闸门的
3、竖向刚度。闸门的上悬臂 c 不易过长，通常要求 c0.45H，以保证门顶悬臂部分有足够1的刚度。悬臂 c 值也不宜超过 3.5m。主梁间距应满足滚轮行走支承布置的要求。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a0.12H 和 a0.4m，取：a=0.1260.7m，c=0.456=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2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
4、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。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。1.1.21.1.2 主梁设计主梁设计
5、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。3图 9-2 主梁荷载计算简图1、截面选择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 /qt m因此作用在主梁上的最大剪力和弯矩分别为：；1 max11.94 109.7022qLQttm。2 11 max26.9248qLLqLM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=0.9x1600kg/cm，则需要的截面抵抗矩为：。5 3max26.92 101869 0.9 1600MWcm腹板高度选择按刚度
6、要求的最小梁高（变截面梁）为：。min6 0.9 1600 10.55 1000.96 0.230.96 0.2395.8/ 2.1 101/600LhcmE fl（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：；18691.5651.0jWhkcm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：；33 1000771010001000hmm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 100cm。腹板厚度计算4按剪切强度要求：；3 max039.7 101.50.152 950 100Qcmh按
7、局部稳定要求：，选用 =1.0cm。001.0 0.72100140hhcm翼缘截面选择每个翼缘需要截面积为：；2 10 01186911.0 1002.0261006WAhcmh下翼缘选用 b1=30cm，在之间，需要，0040 202.55hhcm112.020.0730Atcmb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230 260cm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：；1601460 0.862Bbcm上翼缘截面积：A1 上。214 262 0.877.59cm弯应力强
8、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：；111578.2448.7237.6AyycmA 5截面惯性矩：I=444507cm4截面抵抗矩：上翼缘顶边；3 max 1444507912248.7IWcmy下翼缘底边；3 min 24445077928104.848.7IWcmy弯应力：80，故须设置横加劲肋，以保证腹板01001001.0fhh的局部稳定性。按照规范 TJ17-74 规定，横加劲肋间距 a 应满足：80020002500hah 从剪力最大的区格来考虑，该区格中点截面的腹板高度：，因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。1.
9、1.31.1.3 面板设计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。9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（=0.3）b/a验算点 1.001.101.201.301.401.501.60k0.3080.3480.3830.4120.4380.4540.468b/a验算点 1.701.801.9022.5k0.4790.4870.4930.49
10、70.5000.500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/cm) （kg/cm） （kg/cm） （cm）165.0217.01.50.450.0731.651600.01440.00.27101.0217.02.00.500.2131.650.4786.0217.02.50.500.3201.550.5877.0217.02.80.500.4091.550.6160217.03.10.500.4891.550.5653.0218.04.10.500.5641.55
11、0.43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 9-4：0.9 kpa 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；弹塑性调整系数；当 b/a3 时，=1.65，则；0.0205a kp10当 b/a3 时，=1.65，则；0.0212a kp根据上述计算，确定面板厚度 =0.8cm。2、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/cm，板跨 l=a=53cm，板厚 =0.8
12、cm，板条的弯曲刚度：kgcm。363222.1 100.898461.5412 112 1 0.3ED 板条在仅有 p 作用下的跨中挠度：；4050.59384pLcmD则： ；2 200.591331.620.8aa 由上式得出 0.62面板横拉力：；22213.58/DNkg cmL面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：；0422.58/QSTkg cmI面板与主梁连接的焊缝厚度：；2 2 20.370.7 fh lTN hcm面板与梁格连接焊缝取其最小厚度 hf=6mm。1.1.41.1.4 水平次梁、顶梁、底梁的设计水平次梁、顶梁、底梁的设计1、荷载与内力计算11水平次梁和顶、底梁
13、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/m）梁间距a(m)(a 上+a 下)/2q（t/m）备注1.621.131.04 3（上主梁） 1.6852.520.950.89542.2552.520.840.82552.0792.520.810.705 6（下主梁） 1.7772.520.600.47（底梁）1.008顶梁荷载按下式计算：21.571.57 23 1.72q =0.375t/m由表 9-5 得出，水平次梁计算荷载按 2.255t/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度
14、为 2.18m。水平次梁局部弯曲时的边跨中弯矩为：M次中= tm；20.0770.83ql 支座的负弯矩为：M次 B= tm；20.1071.15ql 2、截面选择截面模量为：；5 31.15 1071.9 1600MWcm考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选18a，查表得：A=25.69cm，Wx=141.4cm，Ix=1272.7cm4，b1=6.8cm，d=0.7cm12图 9-6 水平次梁计入部分面板的联合作用后的组合截面面板作为次梁翼缘计算宽度按下式计算，并取其中的最小值。Bb1+60=6.8+600.8=54.8cm；B=1b（对跨间正弯矩段） ；B=2b（对支座负弯矩段） ；按
15、 5 号梁计算，该梁间距。确定上式中面板的有效12848182.522bbbcm宽度系数 时，需要知道梁弯矩零点之间的距离 l0与梁间距 b 之比值。对于第一跨中正弯矩段取 l0=0.8l=0.8218=174.4cm，对于支座负弯矩段取l0=0.4l=0.4218=87.2cm。根据 l0/b 查表得出 值。对于 l0/b=174.4/82.5=2.114，查表得 1=0.718，则。0.718 82.559.2Bcm对于 l0/b=104/82.5=1.057，查表得 1=0.313，则。25.8Bcm对第一跨中选用 B=54.8cm，则水平次梁组合截面面积：A=25.69+54.80.8=653cm。组合截面形心到槽钢中心线的距离：。54.8 0.8 9.45.9369.53ecm跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：I次中=；42712.18cm。3 min2712.18182.0314.9Wcm
