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横向隔板
水压力面板主梁边梁联接焊缝
设计形式如下图所示:
(三)面板设计
根据钢闸门设计规范DL/T5013-95,验算面板厚度及面板与梁隔的连接计算。
1、估算面板厚度
作用在闷头上的水压力强度由上而下逐渐加大,计算时可近似的取面板区格中心的水压强作为该面板区格的均布载荷。
区格Ⅳ所收的压力最大,把区格Ⅳ等似成正方形,计算出区格Ⅳ的面板厚度为最大。
面板厚度计算公式:
t=akp
0.9α[σ]
其中:
a为区格短边;
a/b≤3,取α=1.5(α为弹塑性调整系数);
16Mn抗弯容许应力为220N/mm2(选用钢板厚度>16~25mm为第2组);
K为支撑长边弯应力系数,区格Ⅳ为四边固定,查的K=0.308;
区格中心压强:
PO=ρgHO=1×
(106.945+0.675)=1.0762×
106Pa;
考虑到水压试验,设计压力为实际压力的1.5倍,P为1.6143×
106Pa计算出面板厚度为t=18.4mm。
选用面板厚度为22mm。
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=0.07tσmax=0.07×
22×
198=304.9N/mm
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内剪力:
VS649750×
405×
125
T===695.8N/mm
2I02×
520000000
(V、S和I0数值详见主梁设计)
计算面板与主梁连接的焊缝厚度:
hf=P2+T2/0.7×
[τht]
=304.92+695.82/0.7×
147=7.4mm
([τht]为16Mn钢焊缝的容许应力,选用第2组147N/mm2)
面板与梁格连接焊缝取hf=10mm。
(四)主梁的设计
1、截面选择
(1)荷载
作用在主梁上的水压力:
a上+a上
q=p
2
a上=450mm,a下=450mm
(2)弯距和剪力:
3号主梁
压强P=ρgH=1×
(106.945+0.45)=1.0740×
106Pa,考虑到水压试验,设计压强为实际压强的1.5倍,P为1.6110MPa。
计算出q=724.95kN/m
Mmax=ql2/8=724.95×
1.562/8=220.53kN.m
Vmax=ql/2=724.95×
1.56/2=565.46KN
2号主梁
压强P=1.0695×
106Pa,考虑到水压试验,设计压强为实际压强的1.5倍,P为1.6043MPa。
计算出q=721.94kN/m
Mmax=ql2/8=721.94×
1.82/8=292.39kN.m
Vmax=ql/2=721.94×
1.8/2=649.75KN
选用2号主梁进行验算,计算出的梁截面为最大。
(3)需要截面模量:
16Mn抗弯容许应力为220N/mm2(选用钢板厚度>16~25mm为第2组),考虑到闷头自重引起的应力影响,取容许弯应力为[σ]=0.9×
220=198N/mm2,则需要截面抗弯距为:
W=Mmax/[σ]=292.39×
106/198=1476.72cm3
(4)腹板高度选择:
按刚度要求的最小梁高为:
[σ]L19.8×
180
hmin=0.208=0.208×
=27cm
E[ω/L]2.06×
104×
(1/750)
按船闸工作闸门和输水阀门的主梁取[ω/L]=1/750
经济梁高hec=3.1W2/5=3.1×
1476.722/5=57.4cm
选用主梁梁高应比hec为小,而不小于hmin,先选用腹板高度h0=40cm。
(5)腹板厚度的选择:
按经验公式计算:
tw=h0/11=0.6cm,选用
tw=1.6cm。
(6)翼缘截面选择:
上下翼缘需要截面积为:
A1=W/h0-twh0/6=26.25cm2
下翼缘选用t1=2.0cm。
需要b1=A1/t1=26.25/2.0=13.12cm,选用b1=13cm(在h0/2.5~h0/5=7~14cm之间)
上翼缘的部分截面积可利用面板,故只需要设置较小的翼缘,选用t1=2.0cm,b1=11cm。
面板兼作主梁上翼缘的有效宽度:
B=b1+50t=11+50×
2.2=121cm。
B≤ξ1b(对跨间正弯距)
b=(b1+b2)/2=(45+45)/2=45cm。
取l0=l=180cm,l0/b=180/45=4查得ξ1=0.9,则B=ξ1b=0.9×
45=40.5cm。
(7)弯应力强度验算:
主梁跨中截面的几何特性如下:
部位
截面尺寸
(cm×
cm)
截面面积
A(cm2)
各形心离面板表面距离y/(cm)
Ay/
(cm3)
各形心离中和轴距离y(cm)
Ay2
(cm4)
面板
40.5×
2.2
89.1
1.1
98
12.5
13922
上翼缘
11×
2.0
22
3.2
70.4
10.4
2380
腹板
38×
1.6
60.8
23.2
1410.6
-9.6
5603
下翼缘
13×
26
43.2
1123.2
29.6
22780
合计
198
2702
44685
截面形心距:
y1=ΣAy//ΣA
=2702/198=13.6cm。
截面惯性距:
I=twh03/12+ΣAy2
=1.6×
383/12+44685
=52000cm4
截面抗弯距:
上翼缘顶边Wmax=I/y1=52000/13.6=3824cm3
下翼缘底边Wmin=I/y2=52000/30.6=1699cm3
弯应力σ=Mmax/Wmin=292.39×
106/1699000=172N/mm2
<[σ]=0.9×
220=198N/mm2,满足要求。
(8)整体稳定性和挠度验算:
因为主梁上翼缘直接同面板连接,不必验算整体稳定性。
又因为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、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Vmax=649.75KN,截面惯性距I0=52000cm4。
上翼缘对中和轴的面积距S1=89.1×
12.5+22×
10.4=1342.6cm3
下翼缘对中和轴的面积距S2=26×
29.6=769.8cm3<S1
需要hf=VS1/(1.4I0[τwf])=649.75×
1342.6/(1.4×
52000×
14.7)
=0.8cm
其中[τwf]为16Mn钢焊缝的容许应力,选用第2组147N/mm2)
角焊缝最小厚度hf≥1.5t=1.5×
22=7.0mm
因此主梁上下翼缘焊缝都采用hf=10mm。
(五)横隔板设计
1、荷载和内力计算
横隔板同时兼作竖直次梁,它主要承受面板传来的分布荷栽,计算时可把这些荷栽用三角形分布的水压来代替。
单元格Ⅳ中横隔板受力最大,中心压强P=1.0762×
106Pa,考虑到水压试验,设计压强为实际压强的1.5倍,P为1.6143×
106Pa。
则隔板上的最大负弯距为:
1.6143×
450450
M=×
450×
=24.52kN.m
23
2、横隔板截面选择和强度计算
选用腹板与主梁腹板同高,采用400×
16mm,上翼缘利用面板,下翼缘采用100×
20mm的钢板。
上翼缘可利用面板的宽度B=ξ2b。
b=450mm,按l0/b=2×
450/450=2查得有效宽度系数ξ=0.51则B=ξ2b=0.51×
450=230mm。
隔板截面的几何特性如下:
23×
50.6
55.7
16.2
13280
40×
64
22.2
1420.8
-4.9
1537
20
864
25.9
13416
135
2341
28233
y1=ΣAy//ΣA=2341/135=17.3cm。
I=twh03/12+ΣAy2=1.6×
403/12+28233=36766cm4
截面抗弯距
Wmin=36766/26.9=1367cm3
验算弯应力
弯应力σ=M/Wmin=24.52×
106/1367000=17.9<[σ]=0.9×
由于横隔板截面高度较大,剪切强度不必验算。
横隔板翼缘焊缝采用采用hf=10mm。
(六)边梁设计
边梁的截面形式采用钢管式,截面高度与主梁高度相同;
腹板厚度与主梁腹板厚度相同。
边梁与面板的连接焊缝为对接焊缝。
(七)闷头与钢管连接焊缝计算
初步设计闷头与钢管连接焊缝为对接焊缝,对接焊缝受轴心力F=1.5×
2.72×
106=4.08×
106N(拉)作用,验算强度如下:
F
σ=≤fwt
ιwt
ιw为焊缝计算长度,ιw=5699mm
t为焊缝的计算厚度,t=14mm
fwt为对接焊缝的抗拉强度,fwt=300N/mm2
则
F4.08×
106
σ===51.1N/mm2≤fwt
ιwt5699×
14
此外,水压闷头与钢管连接焊角不小于8mm。
同时在闷头外缘与钢管管壁用16块86×
86的筋板连接,筋板焊角不小于8mm。
(八)闷头设计图见水压闷头设计图(LDML-SYSY-01)。
●下水压闷头设计
下水压闷头安装在进厂蝶阀前,与管节C3连接,安装桩号:
引水
0+214.465m。
(一)正常工作情况下N点内水压力计算。
N点水头:
HN=1765.7-1622=143.7m
N点压强:
PN=ρgHN=1×
143.7=1.4370×
F下=(πD02×
1.4370×
106)/4=3.65×
同上水压闷头设计。
区格Ⅳ所收的压力最大,把区格Ⅳ等似成正方形,取面板区格中心的水压强作为该面板区格的均布载荷,计算出区格Ⅳ的面板厚度为最大。
K=0.308;
(143.7+0.675)=1.4438×
考虑到水压试验,设计压力为实际压力的1.5倍,P为2.1657×
106Pa计算出面板厚度为t=21.3mm。
选用面板厚度为24mm。
24×
198=332.6N/mm
VS872980×
158
T===796N/mm
842190000
=332.62+796.02/0.7×
147=8.4mm
(六)主梁的设计
(143.7+0.45)=1.4415×
106Pa,考虑到水压试验,设计压强为实际压强的1.5倍,P为2.1623MPa。
计算出q=973.04kN/m
Mmax=ql2/8=973.04×
1.562/8=296kN.m
Vmax=ql/2=973.04×
1.56/2=758.97KN
压强P=1.4370×
106Pa,考虑到水压试验,设计压强为实际压强的1.5倍,P为2.1555MPa。
计算出q=969.98kN/m
Mmax=ql2/8=969.98×
1.82/8=392.84kN.m
Vmax=ql/2=969.98×
1.8/2=872.98KN
16Mn抗弯容许应力为220N/mm2,考虑到闷头自重引起的应力影响,取容许弯应力为[σ]=0.9×
W=Mmax/[σ]=392.84×
106/198=1984.04cm3
1984.042/5=64.6cm
选用主梁梁高应比hec为小,而不小于hmin,先选用腹板高度h0=44cm。
tw=2.0cm。
A1=W/h0-twh0/6=30.4cm2
需要b1=A1/t1=30.4/2.0=15.2cm,选用b1=16cm(在h0/2.5~h0/5=16.8~8.4cm之间)
上翼缘的部分截面积可利用面板,故只需要设置较小的翼缘,选用t1=2.0cm,b1=12cm。
B=b1+50t=12+50×
2.4=132cm。
2.4
97
1.2
116
15.8
24215
12×
24
3.4
82
13.6
4439
44×
88
26.4
2323
-9.4
7776
16×
32
49.4
1581
32.4
33592
241
4102
70022
=4102/241=17cm。
=2.0×
443/12+70022
=84219cm4
上翼缘顶边Wmax=I/y1=84219/17=4954cm3
下翼缘底边Wmin=I/y2=84219/33.4=2522cm3
弯应力σ=Mmax/Wmin=392.84×
106/2522000=156N/mm2
最大剪力Vmax=872.98KN,截面惯性距I0=84219cm4。
上翼缘对中和轴的面积距S1=97×
15.8+24×
13.6=1859cm3
下翼缘对中和轴的面积距S2=32×
32.4=1037cm3<S1
需要hf=VS1/(1.4I0[τwf])=872.98×
1859/(1.4×
84219×
=0.94cm
24=7.3mm
(七)横隔板设计
单元格Ⅳ中横隔板受力最大,中心压强P=1.4438×
106Pa,考虑到水压试验,设计压强为实际压强的1.5倍,P为2.1657×
2.1657×
=32.89kN.m
选用腹板与主梁腹板同高,采用460×
55.2
66
18.4
18689
46×
73.6
25.4
1869
-5.8
2476
988
29.8
17761
148.8
2923
38926
y1=ΣAy//ΣA=2923/148.8=19.6cm。
463/12+38926=51904cm4
Wmin=51904/30.8=1685cm3
弯应力σ=M/Wmin=32.89×
106/1685000=19.5<[σ]=0.9×
(八)边梁设计
3.65×
106=5.48×
ιw为焊缝计算长度,ιw=5711mm
t为焊缝的计算厚度,t=18mm
F5.48×
σ===53.3N/mm2≤fwt
ιwt5711×
18
同时在闷头外缘与钢管管壁用24块82×
150的筋板连接,筋板焊角不小于8mm。
水压试验实施方案
●水压泵选择
引水压力钢管引0+034m~引0+214.465m,总长180.465m,钢管直径为φ1800mm,此段钢管水容量约为460m3。
用取水口蝶阀排污阀向钢管内充满水后,换成水压泵进行打压,
水压泵参数选择:
流量:
150m3/h
泵进出口直径:
φ150mm
最高工作压力≥1.6MPa
●水压表选择
水压表1安放在上闷头与压力钢管Z9管节连接处钢管顶部,其实际工作压力为1.25×
1.0605=1.3256MPa;
水压表2安放在蜗壳前蝶阀与压力钢管管节C3连接处钢管顶部,其实际工作压力为1.25×
1.4280=1.7850MPa
水压表参数选择:
最高工作压力:
2.0MPa(即20kg/cm2)
压力分度值:
≤0.02MPa
压力表接头直径:
精度等级:
不小于1.5级
●截止阀选择
在水压泵和1#镇墩处闷头之间设置一截止阀,当钢管水压达到设计压力时,关闭阀门,使钢管内水压保持稳定。
截止阀与水压泵的连接为法兰连接。
在1#镇墩处蝶阀排污阀上连接引水钢管,并串联截止阀,口径为108mm,发兰连接。
●水源
水压试验用水源,由取水口蝶阀排污阀引入,为保证取水安全
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