露顶式钢闸门设计举例word资料15页

一、设计资料：

1 潜孔式平面闸门设计：①潜孔式平面闸门

②孔口尺寸（宽×高）： 4.0m ×7.0m ③上游水位： 47m ④下游水位： 0m ⑤闸底高程：0m

⑥启闭方式：电动固定式启闭机

⑦材料 钢结构：Q235-A.F 焊条：E43型 行走支承：滚动支承或胶木滑道

止水橡皮：侧止水和顶止水用P型橡皮，底止水用

条形象皮

⑧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

⑨规范：《水利水电工程钢闸门设计规范SL 1974-2019》

2 拦污栅设计： ①拦污栅型式：固定式平面拦污栅

②尺寸（宽×高）：4.0m×7.0m ③水头：4m

二、闸门结构的型式及布置

1 闸门尺寸的确定：

闸门净高：7.0m 闸门高度：7.4m

闸门的荷载跨度为两侧止水之间的间距：L=4m

闸门的计算跨度：L= L0+2d = 4+2×0.2 = 4.4m

2 主梁的形式:

本闸门属于小跨度中水头闸门，所以主梁采用实腹式组合梁。 3 主梁的布置

因为闸门跨度L小于闸门高度H，所以采用主梁式。主梁根数采用5根。 由公式 yk=

2H3nK1.5K11.5得：

每根主梁距水面的距离：

图一 闸门主要尺寸图（单位：m）

4 梁格的布置和形式：

根据面板的计算结果，采用复式。详细布置见图二。 图二 梁格布置尺寸图（单位：m）

5 连接系的布置和形式：

（1） 横向连接系，根据主梁的跨度，布置4道横隔板，其间距为0.88m，横隔板

兼做竖直次梁。

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（2） 纵向连接系，由于面板尺寸较小，水平次梁较多，可以不必设置纵向连接系。 6 边梁和行走支承

边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。

三、面板设计

1 估算面板厚度：

计算面板厚度的公式：takp

0.9akp0.068akp；

0.91.5160kp0.07akp

0.91.4160 当ba3时，a1.5,则ta 当ba3时，a1.4,则ta 计算结果详见表一：

表一 面板厚度的估算 区格 a(mm) b(mm) b(mm) a2.5 2.3 2.2 2.3 2.2 2.2 2.5 2.2 2.3 2.3 2.5 k p(N0.46 0.47 0.47 0.48 0.48 0.48 0.49 0.49 0.50 0.50 0.51 mm2) kp 0.63 0.53 0.53 0.54 0.54 0.54 0.55 0.54 0.55 0.55 0.56 t(mm) 14.8 13.9 14.2 14.3 14.5 14.5 13.1 14.5 14.0 14.2 13.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 345 385 395 390 395 395 350 395 375 380 345 870 870 870 870 870 870 870 870 870 870 870 0.86 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 0.61 0.60 0.60 0.60 0.61 第 2 页

12 13 14 15 16 345 380 335 255 195 870 870 870 870 870 2.5 2.3 2.6 3.4 4.5 0.61 0.60 0.61 0.61 0.89 0.51 0.52 0.52 0.52 0.53 0.56 0.56 0.56 0.56 0.69 13.1 14.5 12.8 10.0 9.4 根据上表计算，选用面板厚度t=15mm 2 面板与梁格的连接计算

面板局部挠曲时产生的垂直与焊缝长度方向的横向拉应力P按式：P0.07tmax计

2算，面板厚度t=15mm,近似取板中最大弯应力max160Nmm，则

面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力： 面板与主梁焊缝厚度：

面板与梁格连接取焊缝厚度hf11mm

四、水平次梁、顶梁和底梁的设计

1 荷载与内力计算

水平次梁和顶梁、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的

a上a下水压力可按式：qp计算，计算结果见表二。

2 表二 水平次梁、顶梁和底梁均布荷载计算 梁号 梁轴线处水压强度p(N/mm2) 458 463 0.49 3 主梁 4 水平次梁 468 0.50 473 0.48 227.0 0．495 231．6 梁间距（m） a上a下2(m) 0．225 0．47 a下a下(kN/m) qp2 103．1 217．6 备注 1 顶梁 2 水平次梁 0.45 第 3 页

0.46 5 水平次梁 6 主梁 7水平次梁 8 水平次梁 9 主梁 10 水平次梁 11 水平次梁 12 主梁 13 水平次梁 14 水平次梁 15 主梁 16 水平次梁 477 0.50 482 0.50 487 0.42 491 0.50 496 0.48 501 0.45 505 0.45 509 0.45 514 0.45 518 0.44 523 0.36 526 0.30 17 底梁 529.2 q3556kN/m 水平次梁 q=230.7kN/m

水平次梁为五跨连续梁，跨度为0.88m。 水平次梁弯曲时的边梁中弯矩为： 支座B处的弯矩为：

图三 水平次梁计算简图和弯矩图 2 截面选择

0.15 79.4 0.33 173.7 0.40 209.1 0.445 230.7 0.45 231.3 0.45 229.3 0.45 227.3 0.465 233.0 0.49 243.0 0.46 225.9 0.46 224.0 0.50 241.0 0.48 229.0 19.1106119375mm3 初选 [18a由附录表得： W160M3mm04 A=2569mm2 Wx=141400mm Ix1272700 面板参加次梁工作有效宽度：

按14号梁计算，梁间距bb1b2450440445mm确定面板22第 4 页

的有效宽度系数ε时，需要知道梁弯矩之间的距离l0与梁间距b之比值。对于第一跨中正弯矩段取l00.8l0.8880704mm，对于支座负弯矩段l00.4l0.4880352mm 根据l0b查表7-1：

对于l0b7044451.58,查表得10.58 则B0.58445258mm

对于l0b3524450.79,查表得20.23 则B0.23445102mm 对于第一跨中选用B=258㎜，则水平次梁组合截面积为：

A=2569+258×15=6439mm2

组合截面形心到槽钢中心线的距离：

跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：

图四 面板参加水平次

梁工

作后的组合梁(单位：㎜)

对支座段选用B=102㎜，则组合截面面

2

积：A=2569+102×15=4099㎜ 结合截面形心到槽钢中心线距离： 支座处组合截面的惯性矩及截面模量：

3 水平次梁的强度验算：

次M次BWmin19.1106110.2Nmm2<160Nmm2 安全 173359 说明水平次梁选用[18a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

截面的弯距已经求得M次B=19.1kN·m，,则边跨挠度可近似地按下式计算： 所以水平次梁选用槽钢18a满足强度和刚度要求。 4 顶梁和底梁

顶梁和底梁受荷载较小，但由于其他偶然荷载的影响，也采用[18a。

五、主梁设计

（一）设计资料

1 主梁跨度：净跨（孔口宽度）L0=4.0m，计算宽度L=4.4m，荷载跨度L1=4.0m，

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119.815429.814722 2 主梁荷载：qPn2693.6kNm 5 3 横向隔板间距：880㎜ 4 主梁容许挠度wL600。 （二）主梁设计

1.截面选择

（1）弯距和剪力 弯距与剪力计算如下：

弯距： Mmax剪力： Vmax693.644.44()1665Nm 224ql1693.641387kN 22（2）需要的截面模量。 已知Q235钢的容许应力[σ]=160N/mm2 ,考虑钢闸门自

重引起附加应力的影响，取容许应力[σ]=0.9160144N/mm, 则需要的截面模量为；

W=

2Mmax166510011563cm3。 []1440.1 （3） 腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为： 经济梁高：hec3.1W253.11156325130.8cm

0.95cm 选用tw10mm

选择腹板高度h0110cm则 tw110 （5） 翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为：

因为h112.5h44cm22cm，所以选择b=35cm，

5则tA186.82.5cm b35上翼缘的部分截面积可以利用面板，选用t2.5cm b114cm 面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为

上翼缘截面面积:A1142.51041.5191cm

2第 6 页

图五 主梁跨中截面（单位：㎝）

（6）弯应力强度验算。主梁跨中截面（见图五）的几何特征性见表三。 表三 主梁跨中截面的几何特征

部位 截面尺寸截面面积（cm×cm） A（㎝2） 各形心离面板距离各形心离中和轴距离y(cm) 117 96 6490 10084 16787 -42.45 -40.45 15.8 72.05 Ay(cm) /3Ay2（cm） 281112 57267 27460 454230 820199 4y/(cm) 面板部分 上翼缘板 腹板 下翼缘板 合计 104×1.5 14×2.5 110×1.0 35×2.5 截面形心矩：y1156 35 110 87.5 388.5 0.75 2.75 59 115.25 'AyA1678743.2cm, 388.53twh01.011032Ay820069930986cm4, 截面惯性距：I1212 截面模量：

上翼缘顶边 WmaxI93098621551cm3, y143.2I93098612701cm3, y273.3 下翼缘底边 Wmin弯应力：

Mmax166510013.1kN/cm20.91614.4kN/cm2,安全 Wmin12701 （7） 整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体稳定

性，因梁高大于按高度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。

2 截面改变

因主梁跨度较大，为减小门槽宽度与支承边梁高度（节约钢材），有必要将主梁

s承端腹板高度减小为h00.8h088cm。（见图六）

梁开始改变的位置取在临近支承端的横向隔板下翼缘的外侧，离开支承端的距离为88－17.5=80.5㎝。

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剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支承边梁的腹板及翼缘

相焊，故可按工字形截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何特征见表四。 图六 主梁支承端截面（单位：㎝）

表四 主梁端部截面的几何特征

部位 截面尺寸截面面积（cm×cm） A（㎝2） 各形心离面板距离Ay(cm) /3各形心离中和轴距离y(cm) Ay2（cm） 182998 36402 14872 296893 531165 4y/(cm) 面板部分 上翼缘板 腹板 下翼缘板 合计 104×1.5 14×2.5 88×1.0 35×2.5 156 35 88 87.5 366.5 0.75 2.75 48 93.25 117 96.25 4224 8159 12796 －34.25 －32.25 13 58.25 截面形心矩：y11279635cm

366.51.0883531165587954cm4 惯性矩：I012 截面下半部对中和轴的面积矩：S87.558.25571.0 剪应力 3 翼缘焊缝

翼缘焊缝厚度按受力最大的支承端截面计算。 Vmax1387kN

4 面惯性矩：I0587954cm

576721cm3 2VmaxS138767218.6kNcm29.5kNcm2，安全。 I0tw5879541.0 翼缘对中和轴的面积矩：S115634.253532.256472cm 翼缘对中和轴的面积矩：S287.558.255097S1 需要 hf3VS1138764720.95cm, f1.4I0[w]1.458795411.5 角焊缝最小，hf1.5t1.5257.5mm

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的上下翼缘焊缝都采用hf11mm。

5板的加劲肋和局部稳定性验算。 加劲肋的布置：因为

h011011080,故需设置加劲肋，以保证腹板的局部稳tw1.02定性。因闸门上已布置横向隔板兼可作横向隔板，其间距a88cm。梁格与弯矩都较大的

1验算。 区格Ⅲ可按式c,crcrcr 区格Ⅲ左边及右边的剪力为：

区格Ⅲ的平均剪应力：

弯矩分别为：M左1387(20.44) 区格Ⅲ的平均弯矩：

21693.6(20.44)21319.7kNm 2My0149255010688.1Nmm2 平均弯应力： 4I93098610 计算cr：

算cr，由于区格长短边之比为0.881.01.0

88.127.7 代入数据：00.391 满足局部要求。所以不需要再

16095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验算：

从表一的面板计算可见，区格1需要的板厚较大，所以选用区格1验算其长

边的中点的折算应力。

面板区格1在长边中点的局部弯曲应力： 对于面板区格1在长边中点的主梁弯矩和弯矩力为：

22 面板区格1的长边中点的折算应力：

所以面板厚度为15㎜满足强度。

六、横隔板设计

1 荷载和内力计算

横向隔板兼做竖直次梁，每片横向隔板在上悬臂梁的最大负弯矩为： 2 横隔板截面选择和强度计算

其腹板选用与主梁腹板同高，采用1100×10，上翼缘利用面板，下翼缘采用200×10的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度公式按式B＝ζ1b确定。得ζ1＝0.51.则

B=0.51×880=448.8㎜，取B=450㎜ 计算如图七所示的截面几何特征。

l0/b0.942/0.882.1,查表

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截面形心到腹板中心线的距离：

图七 横隔板截面（单位：mm） 截面惯性矩：

1011003I0110010134220010689245015423.5234.6108mm412 截面模量：Wmin34.61084995320mm3

694M179.2106 验算应力：35.8N/mm2[] 安全

Wmin4995320 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hf6mm。

七、边梁设计

边梁的截面形式采用单腹式，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，故在设计时将容许应力值降低20％作为考虑受扭影响的安全储备。

图八 边梁截面和边梁计算图（单位：㎜） 1 荷载和内力计算

在闸门每侧边梁上各设置三个胶木滑块，其布置见上图八。 （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

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化起见，可假定这些荷载由主梁传给边梁，每个边梁作用于边梁荷载为R＝1387kN （2）竖向荷载

有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，起吊力等。因为五根主梁间距比较接近，为了简化计算，所以可以近似的把边梁受的荷载处理为均布荷载。 每个滑块所受压力：R1R2R3 最大弯矩：Mmax1351kNm 最大剪力：Vmax925kN

最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为1500kN。在最大弯矩作用截

上的轴向力，等于起吊力减去滑块的摩擦力，该轴向力为：

2 边梁的强度计算

截面面积：A2500308801038800mm

3 面积矩：Smax30500455440102207643000mm

138752312kN 3210880325003045526778643333mm4 惯性矩：I12 截面模量：WI677864333314422645mm3 y470 截面边缘最大应力验算：

腹板最大剪应力验算：

腹板与下翼缘连接处折算应力验算：

2h232119239.32120N/mm20.8[]0.8160128N/mm2 均满足强度要求。

八、行走支承设计

胶木滑块计算：滑块受力均匀，其值为R＝2312kN，设滑块长度为700mm，则滑块

23121033303N/mm,查表得轨顶弧面半径R=300mm，轨头设单位长度承受压力q700计宽度为b＝50mm，胶木滑块与规顶弧面的接触应力验算： 选定胶木高30㎜，宽120㎜，长700㎜。

九、胶木滑块轨道设计

1 确定轨道底板宽度

轨道底板宽度按混凝土压强度确定，根据C20混凝土由附表十查得混凝土的容

2许承压应力为h7Nmm，则所需要的轨道底板宽度为：

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Bhq[n]3303471.8mm 取Bh480mm 7q33036.8Nmm2Bh480 故轨道底面压应力：h

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：

轨道底板悬臂长度C＝215mm，对于Q235查表得[σ]＝100N/mm2 ， 故所需轨道底板厚度：

取厚度t＝100mm 图九 胶木滑块支承轨道截面（单位：㎜）

十、闸门启闭力和吊座计算

1 启门力计算：

1.340.63 其中闸门自重： G0.022K1K2K3AHs9.8

P=693.6×5×4=13872kN

滑道摩阻力：Tzdfp0.13138721803kN

止水摩阻力：Tzs2fbHp1fbL0p2

因橡皮止水与钢板间摩擦系数f＝0.65， 橡皮止水受压宽度取为b＝0.06m， 每边侧止水受压长度H＝7.2m

下吸力Px底止水橡皮采用I110—16型，其规格为宽16mm，长110mm，底止水沿门跨长4.4m，根据规范SL 74—95，启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m2计算，则下吸力： Px204.40.0161.4kN

故闸门启门力：T启1.1233.21.2(1803356)1.42849kN

2 闭门力计算

显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。需采用机械加压。 3 吊轴和吊耳板验算

（1） 吊轴 采用Q235钢，查表得65Nmm，由于水压力较大，所以采

2用4吊点，每边起吊力为：

吊轴每边剪力：Vp854.7427kN 22V4271036569mm2 需要吊轴截面积：A65 又 Ad240.785d2

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故吊轴直径：d≥

A0.785656991.5mm 取d＝140mm，

0.785 （2）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

表得Q235钢的

80Nmmcj2，故

854.7103t76mm,取t=80mm d[cj]14080P固在边梁腹板上端部的两侧各焊一块为40mm的轴承板。轴承板采用圆形，

其直径取为3d＝3×140＝420mm

R2r20.8[k] 吊耳孔壁拉应力计算：kcj22RrP854.7103cj76N/mm2，吊耳板半径R=210mm,轴孔半径

td80140r=50mm，由表得：[σk]=120N/mm2，故孔壁拉应力：

210270222k7695N/mm0.812096N/mm，满足要求。2221070

图十 吊轴和吊耳板（单位：㎜）

十一、拦污栅的设计

1 拦污栅的形式及构造

采用固定式拦污栅，放置方式采用垂直放置。拦污栅的形式见图十一。

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图十一 固定式拦污栅构造图

2 栅面结构

（1） 拦污栅的栅面由垂直放置的金属栅条互相连接而成，连接方式为焊接。每片栅条选用长2.4m，厚t=10㎜，高h=100㎜（见图十二左）。一共用三块拦污栅，三块拦污栅在竖直方向连接，每块拦污栅在竖直方向长2.4m，每块拦污栅的尺寸详图十二（右）。拦污栅栅条之间的空隙尺寸根据杂物及水轮机的导水机或喷嘴确定，图十二的拦污栅栅条的空隙为40㎜。

每块拦污栅用了89片栅条，2根主梁

图十二 栅条横截面尺寸（左）和一块拦污栅（右）（单位：㎜）

（2）主梁的选择

拦污栅上的水压强:pgh9.81439.24kNm 一块拦污栅受的水压力：

2P83.89.5kNm 2L24.41122 主梁的最大弯矩:Mmaxq主L9.54.491.96kNm

22 每根主梁承受的压力：q主 截面抵抗模量：WMmax91.96106574750mm457.5cm4

1603 查附录表三工字钢表选用工字钢Ⅰ12.6，其Wx77.4cm

3 栅栏整体稳定性验算

栅条单位长度荷载:q9.811040.010.39kNm0.39Nmm 受均布荷载的悬臂梁，其临界荷载：

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受均布荷载的简支梁，其临界荷载： 因为 kql20.3916001.210N 而 PL1kq i PL2kqi 所以该设计满足稳定性要求。

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