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水工金属结构设计
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10.0X6.0m,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,闸门的高度为孔口咼^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(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CO.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3.5m。
3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=0.12X6MD.7m,c=0.45X6=2.7m;
主梁间距:
2b=H-c-a=6-2.7-0.7=2.6m;
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2180
II
水半欢梁
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2180
O
I■
£
]¥'・〕制I'
21肓十60匚
-I
乂下主梁
;■»,三]S',占匸*s=毒左左#
水平次梁
底梁
1
1
a
1
1
1
ipr
鬥
4
!
■
k
h
1
1
<1
3
li
1O5M
上游面
F游而
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。
时」丄巨吓弋:
乩」上;〕
1m
川门门门丨门I丨E
i
1(M
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:
q
1.94t/m;
因此作用在主梁上的最大剪力和弯矩分别为:
Qmax
qLi
11.94
22
109.70t;
Mmax
qLL1
4
26.92tm。
按刚度要求的最小梁高(变截面梁)为:
腹板厚度近似地估计为:
注:
翼缘截面不改变的焊接梁
95.8cmo
总7
1000
31000
1000
10mm;
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
②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[o]=0.9x1600kg/cm2,则需
要的截面抵抗矩为:
W仏26・921051869cm3o
[]0.91600
3腹板高度选择
k=1.5,
不小于hmin因此确定高度为100cmo
4腹板厚度计算
3Q97103
按剪切强度要求:
3虫1.59.7100.15cm;
2[]h)950100
按局部稳定要求:
丄0也1.0~0.72cm,选用S=1.0cm。
100140
5翼缘截面选择
每个翼缘需要截面积为:
W1186912
Ah01.01002.02cm;
h061006
下翼缘选用b1=30cm,在电〜匹40~20cm之间,需要tA么020.07cm,
2.55b130
选用t=2cm,符合钢板规格。
下翼缘截面积:
A1下30260cm2,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:
Bb16014600.862cm;
上翼缘截面积:
A1上142620.877.59cm2。
弯应力强度验算:
主梁跨中截面的几何特性图如下:
实用标准文案
1||
1||
1
—H
||
1
X
图9-3主梁跨中截面
截面形心矩:
%
Ay'11578.24
A237.6
48.7cm;
截面惯性矩:
I=444507cm4
截面抵抗矩:
上翼缘顶边Wmax
yi
竺竺9122cm3;
48.7
弯应力:
表9-1
截面长
部位
(cm)
F翼缘底边Wmin
Mmax
max
26.92
截面厚
(cm)
y2
105
7928
截面
面积
亠叱7928cm3;
104.848.7
2
340kg/cm<0.9[o]=1440kg/cm2。
主梁截面几何特性表
各形心离
各形心离
面板表面
距离
截面形
中和轴距
心距
Ay2(cm
Ay'(cm3)
yi
3)
A(cm2)
(cm)
y=y-yi
y'cm)
(cm)
面板
62
0.8
49.6
0.4
19.84
48.7
-48.3
115855
部分
上翼
缘板
14
2
28
1.8
5O.4
-46.9
61668
腹板
部分
100
1
1OO
52.8
528O
4.1
1657
下翼
缘板
30
2
6O
1O3.8
6228
55.1
181963
合计
237.6
11578.24
361142
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hod=O.6ho=O.6x1OO=6Ocm。
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:
Qmax9.71032
1.17等1.17189.2kg/cm2<[T=950kg/cm2;
ho601
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
截面
截面
截面
面积
各形心
离面板
Ay'
截面形
心距
各形心离
Ay2
部位
长
厚
A(cm
表面
(cm3)
y1
中和轴距离
(cm3)
(cm)
(cm)
2)
距离y'
(cm)
y=y-y1(cm)
(cm)
面板
2
0.8
49.6
0.4
19.84
-29.3
42545
部分
上翼
4
2
28
1.8
50.4
-27.9
21776
缘板
腹板
0
1
60
32.8
1968
29.7
3.1
581
部分
下翼
0
2
60
63.8
3828
34.1
69820
缘板
合计
197.6
6.24
134722
图9-5主梁支承端截面
截面形心矩:
yi=5866.2429.7cm;
197.6
截面惯性矩:
l=134722cm4;
截面下半部对中和轴的面积矩:
S2595cm3;
剪应力:
QmaxS165kg/cm<[T=950kg/cm2。
I0
3、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b=152754cm4。
上翼缘对中和轴的面积矩:
S1
3
49.629.32827.92334cm;
F翼缘对中和轴的面积矩:
3
S26034.12047cm;
需主Iif
QS1
1.41。
[门
9.71032334
1.41527541150
0.03cm;
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hf
乜罟100>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:
2000h0
9h°,—2500
从剪力最大的区格I来考虑,
该区格中点截面的腹板高度:
13015
h0x60106079.6cm,因
25015
hox
空79.6<80,故在梁高减小的区格
1.0
I内可不另设加劲肋。
从梁高与弯矩都较大的区格U来考虑:
该区格左边截面的剪力:
Q9.71.94
52.184.22t;
该截面的弯矩:
M
9.72.181.94—
2.182
亍gm;
腹板平均剪应力:
ho
2
42.3kg/cm;
腹板弯曲压应力:
My。
I
2
144.14kg/cm;
ho
100
2
144.14
100
1001.0
2
144.14查表得n=1.0;
得出:
a
2000100200000
10015302500
——x:
'1.023425002500
1.0
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=2OOcm
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h0/8=100也
不算大(同ho/X160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(卩=0.3)
验算点
b/a
1.00
1.10
1.20
1.30
1.40
1.50
1.60
k
0.308
0.348
0.383
0.412
0.438
0.454
0.468
验算点
b/a
1.70
1.80
1.90
2
2.5
oo
k
0.479
0.487
0.493
0.497
0.500
0.500
表9-4面板厚度计算表
区格
区格
b/a
四边固定弯
区格中心
弹塑性调
材料抗弯
材料抗弯
面板
高度
宽度
应力系数
水压强
整系数
容许应力
容许应力
厚度
a
b
K
P
a
[可
[司
(cm
(cm)
(kg/cm
(kg/cm
(kg/cm
(cm)
)
2)
2)
2)
165.0
217.0
1.5
0.45
0.073
1.65
1600.0
1440.0
0.27
101.0
217.0
2.0
0.50
0.213
1.65
0.47
86.0
217.0
2.5
0.50
0.320
1.55
0.58
77.0
217.0
2.8
0.50
0.409
1.55
0.61
69.0
217.0
3.1
0.50
0.489
1.55
0.56
53.0
218.0
4.1
0.50
0.564
1.55
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:
apC
0.9[]
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;
a—弹塑性调整系数;
当b/a<3时,a=1.65,贝U0.0205a,"kp;
当b/a<3时,a=1.65,则0.0212a.、kp;
根据上述计算,确定面板厚度S=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:
面板区格切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S=0.8cm,板条
的弯曲刚度:
D匕
1212
21106083
298461.54kg•m2。
0.3
121
5
0
384
L4
詈0.59cm;
则:
0.59
1.62;
0.8
由上式得出
0.62
面板横拉力:
2D
NV
213.58kg/cm;
板条在仅有p作用下的跨中挠度:
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力:
QS422.58kg/cm;
I0
面板与主梁连接的焊缝厚度:
2
N2T
hf
2
0.7[ih]
0.37cm;
面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=6mm。
9.1.1.4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
梁号
梁轴线处水压
强度p(t/m2)
梁间距
a(m)
(a上+a下)/2
1.62
1.13
1.04
2.52
0.95
0.895
2.52
0.84
0.825
2.52
0.81
0.705
2.52
0.60
0.4
q(t/m2)
3(上主梁)
1.685
2.255
2.079
6(下主梁)
1.777
7(底梁)
1.008
备注
顶梁荷载按下式计算:
1.5721.57
q—21.723-
=0.375t/m
水平梁荷载计算表
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,跨度为2.18m。
水平次梁局部弯曲时的边跨中弯矩为:
M次中丄0.077ql20.83tm;
支座的负弯矩为:
2
M次b=0.107ql1.15tm;
2、截面选择
截面模量为:
5
71.9cm3;
WM1.1510
[]1600
考虑利用面板作为次梁截面的一部分,初选[18a,查表得:
A=25.69cm2,Wx=141.4cm3,lx=1272.7cm4,b1=6.8cm,d=0.7cm
1
§
1
—^3,
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。
B B=Zb(对跨间正弯矩段); B=Zb(对支座负弯矩段); 按5号梁计算,该梁间距b乩巴红8182.5cm。 确定上式中面板的有效宽 22 度系数Z时,需要知道梁弯矩零点之间的距离10与梁间距b之比值。 对于第一跨中正弯矩段取10=0.81=0.8X218=174.4cm,对于支座负弯矩段取10=0.41=0.4 218=87.2cm。 根据l°/b查表得出Z值。 对于l0/b=174.4/82.5=2.114,查表得Z1=0.718,则 B0.71882.559.2cm。 对于lo/b=1O4/82.5=1.O57,查表得Zi=0.313,则B25.8cm。 对第一跨中选用B=54.8cm,则水平次梁组合截面面积: A=25.69+54.8X0.8=69.53cm2。 组合截面形心到槽钢中心线的距离: 54.80.89.4… e5.93cm。 69.53 跨中组合截面的惯性矩及截面模量为: 4 I次中=2712.18cm; w2712.183 Wmin182.03cm。 14.9 对支座段选用B=30cm,则组合截面面积: A25.69300.849.71cm2; 组合截面形心到槽钢中心线的距离: e300.8竺4.54cm。 49.71 支座组合截面的惯性矩及截面模量: 4 I次b=2379.61cm; w2379.613 Wmin176.27cm。 13.5 3、水平次梁的强度验算 由于支座B弯矩最大,而截面模量较小,当不考虑水平次梁与主梁的整体弯曲时,只需要验算支座B截面的弯曲强度,即: 115105 0次=M次B‘/Wmin=652.41kg/cm2V[q|=1600kg/cm2; 176.27 说明水平次梁选用[18a满足要求。 如果考虑横向隔板的牵制使水平次梁与主梁共同工作而发生的整体弯曲,仅由整 体弯曲在水平次梁内引起的弯矩按下式计算: M"次=M主I次/(I主+n次I次/n主)。 B—B,这两个截 对应于水平次梁边跨中点及第二支座B处的主梁截面中一中及 面的惯性矩和弯矩分别为: I主中=289200cm4,M 1.9410 主中=一 2 1.09 1.940.8152 2 9.93tm; I主B=467980cm4,M 1.9410主B= 2 2.18 1.941.9052 17.631m; 根据梁格的布置,已知水平次梁数目n次=4,主梁数目n 主=2 ,计算得出: M"次中= M"次主二 2712.18 9.930.09 4 2892002712.18 2 2379.61 17.630.09 4 4445072379.61 2 水平次梁在第一跨中和第二支座B截面内的总弯矩分别为: M次中=M'次中+M"次中=0.83+0.09=0.92t M次b=M'次b+M"次b=1.15-0.09=1.06t 按M次再次验算截面强度与前次进行比较。 5 09210 跨中截面弯应力: c次中=M次中/Wmin=503.7kg/cm; 182.03 5 支座B截面弯应力: C次B=M次b/Wmin=601.4kg/cm2。 176.27 实用标准文案 q=l.9dt/m 2180 图9-7主梁的变截面梁段 从以上验算结果,其弯应力均小于前次未考虑水平次梁与主梁整体弯曲时的弯应力值652.4kg/cm2。 轧成梁的剪应力一般很小,可不必验算。 4、水平次梁局部弯曲的挠度验算 受均匀荷载的等跨连续梁,最大挠度发生在边跨,由于水平次梁在B支座截面内的弯矩已经计算出,即M次b=2.22tm,则边跨挠度可近似的按下式计算: f/l=5ql3/EI次一M次bI/16EI次 0.0028[f/l]1/2500.004; 故水平次梁选用[18a满足刚度和强度的要求。 9.1.1.5横隔板设计 横隔板兼做竖直次梁,主要承受水平次梁、顶梁、底梁传来的集中荷载和面板传 来的分布荷载,它支承在主梁上,计算时可作为承受三角形分布水压力而支承在主梁 上的双悬臂梁。 作用在每片横隔板悬臂段的最大负弯矩: 2.18 旦7.15tm。 3 横隔板的腹板选用与主梁腹板同高, 采用 1000X8mm,翼缘利用面板,后翼缘 采用扁钢200X8mm。 前翼缘可利用的面板宽度按下式计算: B=Zb 式中横隔板间距b=218cm,按lo/b=2X270/218=2.48查表确定有效宽度系数Z 2=0.58,故B=Zb=0.58X218=126cm。 图9-8横隔板截面 截面形心到腹板中心线的距离: 1300.850.4200.85°.422.18cm; 1300.8200.81000.8 截面惯性矩: 3 I0.
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