目录
一、设计资料 (2)
二、闸门结构的形式及布置 (2)
三、面板设计 (4)
四、水平次梁、顶梁和底梁的设计 (5)
五、主梁设计 (10)
六、横隔板设计 (16)
七、纵向连接系设计 (17)
八、边梁设计 (18)
九、行走支承设计 (20)
十、滚轮轨道设计 (21)
十一、闸门启闭力和吊耳计算 (22)
十二、液压式启闭机 (23)
水工刚结构露顶式焊接平面钢闸门设计计算书
一、设计资料
1、闸门形式：露顶式平面钢闸门；
2、孔口尺寸（宽*高）：18m*15m；
3、上游水位：14.8m；
4、下游水位：0.2m；
5、闸底高程：0m；
6、启闭方式：液压式启闭机；
7、材料：钢结构：Q235-A.F；
焊条：E43型；
行走支承：滚轮支承；
止水橡皮：侧止水用p型橡皮，底止水用条形橡皮；
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：《水利水电工程闸门设计规范SL 1947-2005》
二、闸门结构的形式及布置
1、闸门尺寸的确定（如下图）
闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m,故闸门高度=14.8+0.2=15m；闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=15m；
闸门的计算跨度：L=L0+2×0.2=18+0.4=18.4m。
2、主梁的形式
主梁的形式根据水头合跨度大小而定，本闸门属中等跨度为了便于制造和维护，决定采用实腹式组合梁。
3.主梁的布置
因为L=18.00<1.5H=1.5X15=22.5
所以是选取7跟主梁。
根据公式计算每一根主梁距水面的距离，K及第K跟主梁，得：
y1=3.78m; y2=6.91m; y3=8.95; y4=10.60m; y5=12.02m; y6=13.29m;
y7=14.45m 具体布置见下图：
4梁格的布置和形式
梁格采用复式布置和等高连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支承。水平次梁为连续梁，其间距应上疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁格的布置具体尺寸见下页图。
5.连接系的布置和形式
（1）横向连接系，根据主梁的跨度决定布置8道横隔板，其间距为2m，横隔板兼做竖直次梁。
（2）纵向连接系，设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。
单位（mm）
6.边梁与行走支承。
边梁采用单复试，行走支承采用滚轮支承。 三、面板设计
根据SL1974-1995《水利水电工程钢闸门设计规范》修订送审稿，关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁界面选择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
假定梁格布置尺寸如图2所示，面板厚度按下式计算：
t=a
[]
σα92.0kp
当b/a ≤3时，α=1.65，则t=a 160
*65.1*9.0kp
=0.065a kp
当b/a ≥3时，α=1.55,则t=a 160*55.1*09kp
=0.067a kp 现列表如下：
根据上表计算，选用面板厚度t=12mm 。 2、面板与梁格的连接计算
面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力P ，已知面板厚度t=12mm 并且近似地取板中最大弯应力σ
max =[]σ=1602
mm N 则
P=0.07t σ
max =0.0712×160=134.4N/mm
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：
T=02I VS
==（N/mm ）
计算面板与主梁连接的焊缝厚度：
h
f
====(mm )
面板与梁格连接焊缝最小厚度h f 四、水平次梁、顶梁和底梁的设计 1.荷载与内力的计算
水平次梁和顶底梁都是支承在隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力按
q=P 2
下上a a +
现列表计算如下：
q =1284kN/m
16 120.54 0.500 60.27
0.500
17(主梁) 125.44 0.495 62.09
0.490
18 130.24 0.490 63.82
0.490
19 135.04 0.485 65.49
0.480
20(主梁) 139.75 0.480 67.08
0.480
21 144.45 0.480 69.34
0.480
22 149.16 0.440 65.63
0.400
23(主梁) 153.07 0.475 72.71
0.550
24(底梁) 158.47 0.275 43.57
根据上表计算，水平次梁计算荷载取66.65KN/m, 水平次梁为9跨连续梁，跨度为2m.如下图所示。水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为：
次中M =24.24（KN.m ） 支座B 处的负弯矩为： B M 次=25.90(KN.m)
2.截面选择
W= []
σ M ==161875(3mm )
考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选
，由附录三表4表查得：
A=2883(2mm )； X W =1780000 (3mm ); X I =17804000(4mm )；1b =73(mm); d=7(mm)
面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取其中最小值。 B ≤1b +60t=73+60×12=793(mm) B=ξ1b( 对跨间正弯矩段）； B=ξ2b(对支座负弯矩段）；
按10号梁计算，设梁间距b=(b 1+b 2)/2=(750+650)/2=700(mm).确定上式中面板的有效宽度系数ξ时，需要知道梁弯矩零点之间的距离L 0与梁间距b 之比值。对于第一跨中正弯矩段取l 0=0.8l=0.8*2000=1600(mm);对于支座负弯矩段取l 0=0.4l=0.4*2000=800(mm)。根据l 0/b 查表7-1得：
对于l 0/b=1600/700=2.3得ξ1=0.70则B=ξ1b=0.7×700=490(mm) 对于l 0/b=800/700=1.143得ξ2=0.44则 B=ξ2b=0.44×700=308(mm)
对于第一跨中弯矩选用B=490(mm)，则水平次梁组合截面面积： A=2883+490×12=8763(mm 2) 组合截面形心到槽钢中心线的距离： e=(490×12×106)/8763=71(mm) 跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：
I 次中=17804000+2883×712+490×12×353=39540203(mm 4)
W min =
=231223(mm 2)
对支座段选用B=308(mm).则组合截面面积：A=2883+308×12=6579(mm 2) 组合截面形心到槽钢中心线的距离：e==59.5(mm)。
支座处组合截面的惯性矩及截面模量：
I 次B =17804000+2883×59.52+308×12×65.52=43867304(mm 4)
W min ==275030(mm 2)
3.水平次梁的强度验算
由于支座处B 弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座B 处截面的抗弯强度，即：
次 =min
W M B
次=
=112N/mm 2=160N/mm 2
说明水平次梁选用
槽钢满足要求。
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，截面的弯矩已经求得M 次B =28.53KNm,则边跨挠度可近似地按下式计算：
L w =3845*次EI qL 3-次
次EI L M B 16
=
-
=0.000538≤??
????L w =2501
=0.004
故水平次梁选用槽钢满足强度和刚度要求。
5.顶梁和底梁
顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度，所以也采用
槽钢。 底梁也采用。
五、主梁设计 （一）设计资料
1.设计如下图，主梁跨度净宽L 0=18.00m;计算跨度L=18.40m ；荷载跨度
L 1=18m.
2.主梁荷载q=15
3.328KN/m. 3.横向隔间距：2m ；
4.主梁容许挠度：[]w =L/600 。
（二）主梁设计
主梁设计内容包括：1.截面选择；2.梁高改变；3.翼缘焊缝；4.腹板局部稳定验算；5.面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。 1.截面选择
（1）弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下：
M max =×（ - ）=6485(kN.m)
V max ===1379.952(kN)
(2)需要的截面抵抗矩。已知Q235钢的容许应力[]σ=160KN/mm 2， 考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力[]σ=0.9×160=144N/mm 2，则需要的截面抵抗矩为 W=
[]
σmax
M = =45034cm 2.
(3)腹板高度选择按刚度要求的最小梁高（变截面梁）： H min =0.96×0.23×
[][]E
L w L /σ =0.96×0.23×=170.4（cm ）
对于变截面梁的经济梁高，h e =3.1w 2/5=3.1×450342/5=225.3(cm)。
现选用腹板高度h0=220cm.
(4)腹板厚度选择按经验公式计算：
t
w =11
/
h =/11=1.35cm,选用 t
w
=2.0cm.
(5)翼缘截面选择每个翼缘需要截面为：
A
1
=`-= - =131.3cm2
下翼缘选用 t1=2cm(符合钢板规格）
需要b1===65.65cm,选用b1=70cm，（在--=88—44cm之间）.
上翼缘的部分截面可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用
t 1=2.0cm,b
1
=32cm.面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为：
B=b
1
+60t=32+60×1.2=104cm.
上翼缘面积
A
1
=32×2+104×1.2=188.82
(6)弯应力强度验算主梁跨中截面（见下图)的几何特性如下表：
单位（mm）
截面形心矩：y1===100.7cm
截面惯性矩：+4075506=5850172（cm4）
截面抵抗矩：上翼缘顶边W mon===58095（cm3）
下翼缘底边： W min===46913（cm3）
弯应力：=13.82(kN/cm2)<0.9×16=14.4(kN/cm2) (安全)
（7）整体稳定性与挠度验算因主梁上翼缘直接同钢板相连，按规范规定可不必验算整体稳定性。又因梁高大于刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。
2.截面改变
因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度（节省钢材），有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小h0s=0.6h0=0.6×220=132cm.
梁高开始改变的位置取在临近支承段的横向隔板下翼缘的外侧，离开支承段的距离为
200-10=180cm
(单位：
剪切强度验算：考虑到主梁段部的腹板及翼缘部分分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字钢截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何特性如下表。
截面形心距：y1=63(cm)
截面惯性矩:+1482791=1866119(cm4)
截面下半部中和轴的面积矩：S=140×73.2+72.2×2×=15460cm3
剪应力：=5.71≤[]2
τ。(安全)。
=
5.9cm
KN
/
3.翼缘焊缝
翼缘焊缝厚度h f按受力最大的支承端截面计算。最大剪力V max=1379.392kN.截面惯性矩I0=1866119cm4。
上翼缘对中和轴的面积矩 S1=124.8×62.4+64×60.8=11678.72cm3。
下翼缘对中和轴的面积矩 S2=140×73.2=10248 ===6.16(mm) 需要h f >=1.5=1.5×=6.70(mm) 角焊缝最小厚度 h f =12mm. 所以全梁的上下翼缘焊缝都采用h f 4.腹板的加劲肋和局部稳定验算 加劲肋的布置：因为200/2=100>80,故需设置横向加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板兼作加劲肋，其间距a=200cm。腹板区格划分主梁变截面位置图 该区格的腹板平均高度是=1/2(220+132)=176cm /tw=176/2=88(cm),不必验算，故在梁高减小的区格内也不必设横加劲肋。 5.面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算 从上述的面板设计可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有6区格所需板厚度较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取区格6（图2），并验算其长边中点的折算应力。 面板区格6在长边中点的局部弯曲应力： my= ==2434.5(KN/) mx=u my=±0.3×2434.5=±730.35(KN/) 对应于面板区格6在长边中点的主梁弯矩（图5）和弯应力： M=153.328×9×9-=11745(KN*m) 0x===202.16(N/) 面板区格3的长边中点的折算应力 zx = = =221<1.55*160=248(N/) 上式中的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。 故面板厚度选用12mm，满足强度要求 六、横隔板设计 1.荷载和内力计算 横隔板同时兼做竖直次梁，它主要承受水平次梁、顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替（见下图），并且把横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为 M=×2.0×=50.49(KN*m) 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2200mm*12mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用500mm*12mm的扁钢，上翼缘利用面板的宽度按B=ξ2b确定，其中 =0.69，则 b=2000mm，按l0/b==3.78，查表可得有效宽度系数ξ 2 B=0.69*2000=1380mm，取B=1400mm (单位：mm) 如上图，截面形心到腹板中心线的距离： e==180（mm） 截面惯矩： I=+12×2200××12×500×+12×1400× =3.58317328× 截面模量：Wmin==2773554() 验算弯应力：=18.2(N/)< 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=12mm。 七、纵向连接系设计 1.载荷和内力计算 纵向连接系受闸门自重。露顶式平面钢闸门G按附录十一式计算： =0.012×1.0×1.0×××9.8=2154(KN) 下游纵向连接系承受 0.4G=0.4×2154=861(KN) 纵向连接系是做简支的平面桁架。因为为大跨度闸门，则验算其桁架腹杆布置 如图，其节点荷载为=95.7(KN) (单位：mm) 2.斜杆截面计算 斜杆承受最大拉力N=844.39KN ，同时考虑闸门偶然扭曲是可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即[]200=≤λλ。 选用双角钢∟200×18，表查得： 截面面积A=13860㎜2回转半径i y0=87.4mm 斜杆计算长度 长细比 验算拉杆强度： 考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。 八、边梁设计 边梁的截面形式采用双腹式（如图），边梁的截面尺按照构造要求确定，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，为了便于安装滚轮，两个下翼缘为用宽度为200mm 的扁钢做成。 边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计师将容许应力值降低15%作为考虑受扭影响的安全储备。 (单位：mm) 1.荷载和内力计算 在闸门每侧边梁上各设六个滚轮。其布置尺寸可见下图。 M图 V图 最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为7260kN（详细计算见后）。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滚轮的摩阻力，该轴向力 2.边梁的强度验算 截面面积 A=73880mm2 面积矩Smax=22635920() 截面惯性矩 截面模量 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应力验算： 以上的验算满足强度要求。 九、行走支承设计 滚轮计算：轮子的主要尺寸是轮径D和轮缘宽度b，这些尺寸是根据轮缘与轨道之间的接触应力的强度条件来确定的，对于圆柱形滚轮与平面轨道的接触情况是线接触，其接触应力可按下式计算，其中第五个滚轮受力最大，其值为2918kN。设滚轮轮缘宽度b=120mm，轮径D=400mm。 为了减少滚轮转动时的摩擦阻力，在滚轮的轴孔内还要设滑动轴承，选用钢对10-1铸铁铝磷青铜。
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