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漏顶式平面钢闸门设计
漏顶式平面钢闸门设计
一、设计资料
闸门形式:
溢洪道漏顶式平面钢闸门
孔口净宽:
10m
设计龙头:
5.8m
结构资料:
3号钢(Q235)
焊条:
E43型
止水橡皮:
侧止水为P型橡皮,底止水为条形橡皮
行走支承:
采用双滚轮式,采用压合胶木定轮轴套,滚轮采用国家定型产品
钢筋混凝土强度等级:
C20
二、闸门结构的形式及布置
1、闸门尺寸的确定
闸门高度:
不考虑风浪所产生的水位超高,H=5.8m;
闸门的荷载跨度为两侧止水的间距:
L1=10m;
闸门的计算跨度:
L=L0+2d=10+2×0.2=10.4m,其中,d为行走支承中心线到闸墩侧壁的距离。
2、主梁的形式
主梁的形式应根据木头和跨度大小而定,本闸门属于中等跨度,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
由于L>1.5H,所以采用双主梁式。
为使两个主梁在合计水位时所受的水压力相等,两个主梁的位置应对称与水压力合力的作用线y'=H/3=1.93m,并要求下悬臂a≥0.12H,且a≥0.4m,同时满足于上悬臂c≤0.45H,且a≤3.6m,今取a=0.7m≈0.12H=0.696m;
主梁间距:
2b=2(y'-a)=2×(1.93-0.7)=2.46m;
则c=H-2b-a=5.8-2.46-0.7=2.64m≈0.45H=2.61m,且c<3.6m,满足要求;
闸门的主要尺寸如图所示.
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小孔并被横隔板所支承,水平次梁为连续梁,其间距上疏下密,使面板各区格需要的厚度大致相等,梁格布置的具体尺寸见图2所示。
5、联结系的布置和形式
(1)横向联结系
根据主梁的跨度,决定布置三道横隔板,其间距为10.4/4=2.6m,横隔板兼做竖直次梁。
(2)纵向联结系
设在两个主梁下翼缘的竖平面内,采用斜杠式桁架。
6、边梁采用双复板式,行走支承采用双滚轮式;滚轮安装于边梁双腹板中间,为减小滚动摩擦力,采用压合胶木定轮轴套;滚轮采用国家定型产品。
三、面板设计
根据《水利水电工程钢闸门设计规范》(DL/T5039-95)关于面板的计算,先估算面板的厚
度,在主梁截面选择之后再验算面板的局部弯曲和主梁整体弯曲的折算应力。
1、估算面板厚度
假设梁格如上图所示,面板厚度按式:
t=a(kp/0.9α[σ])^(1/2)计算.α=1.65,则t=a(kp/(0.9×1.65×160))^(1/2)=0.065a(kp)^(1/2);当b/a>3时,α=1.55,则t=a(kp/(0.9×1.55×160))^(1/2)=0.067a(kp)^(1/2).现列表计算如表1:
表1
区格
a(mm)
b(mm)
b/a
k
P(N/mm2)
kp^(1/2)
t(mm)
I
1410
2590
1.84
0.65
0.008
0.072
6.60
II
1010
2590
2.56
0.50
0.020
0.101
6.63
III
820
2590
3.16
0.50
0.030
0.123
6.76
IV
710
2590
3.65
0.50
0.039
0.139
6.61
V
650
2590
3.98
0.50
0.046
0.152
6.63
VI
460
2590
5.08
0.75
0.053
0.199
6.14
注:
1、面板边长a、b都从面板与梁格的连接焊缝算起,主梁上翼宽度为140mm;
2、区格I、IV中系数k由三边固定一边简支板查得。
根据表1计算,选用面板厚度t=8mm。
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按式P=0.07tσmax计算,已知面板厚度t=8mm,并且近似地取板中最大弯应力σmax=[σ]=160N/mm2,则:
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力:
T=VS/2I0=412000×620×4×300/2×1572850000=195N/mm
由式(2-7)计算面板与主梁的焊缝度:
hf=((p/1.22)2+T2)^(1/2)/(0.7[τth)=((89.6/1.22)2+1952)^(1/2)/0.7×113=2.6mm
面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=6mm
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、底梁都是支承在横隔板上的连接梁,作用在它们上面的水压力课塞纳式(2-8)计算,即q=p(a上+a下)/2
现列表计算如表2:
εq=164.28KN/m
表2
1(顶梁)
0.3
0.03
0.755
0.23
2
14.8
1.48
1.305
19.31
3(上主梁)
25.9
1.13
1.02
26.42
4
34.8
0.91
0.845
29.4
5
42.4
0.78
0.775
32.89
6(下主梁)
50
0.77
0.675
33.75
7(底梁)
55.7
0.58
0.4
22.28
根据上表计算,水平次梁计算荷载取32.89KN/m,水平次梁为四跨连续梁,跨度为2.6m,(如图)。
水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为:
M次中=0.077ql2=0.077*32.89*2.62=17.12kNm,支座B处的负弯矩为:
M次B=
0.107ql2=0.107*32.89*2.62=23.79kNm
2、截面选择
W=M/[σ]=23.79*106/160=148688mm3
考虑利用面板作为次梁截面的一部分,初选[18a,由附录一表4查得:
A=2569mm2,Wx=141400mm3,Ix=12727000mm4,b1=68mm,d=7mm.。
面板参加次梁工作有效宽度分别按式(6-11)和(6-12)计算,然后取其中较小的值。
式(6-11)B≤b1+60t=68=60*8=548mm
式(6-12)B=ε1b(对于跨间正弯矩段);
B=ε2b(对于跨间正弯矩段)
按5号梁计算,设梁间距b=(b1+b2)/2=(770+780)/2=775mm。
确定上式中面板的有效宽度系数ε时,需要知道梁弯矩零点之间的距离和梁间的距离I0与梁间距b之比值。
对于第一跨中正弯矩段,I0=0.81=0.8*2600=2080mm;对于支座伏弯矩段,取I0=0.41=0.4*2600=1040mm。
根据I0/b查表2-1:
对于I0/b=2080/775=2.684,得ε=0.802,则B=ε1b=0.802*775=622mm;
对于I0/b=1040/775=1.342,得ε=0.382,则B=ε2b=0.382*775=296mm;
对于第一跨中选用B=548mm,则水平次量组合截面面积(如图):
A=2569+548*8=6953mm2
组合截面形心到槽钢中心线的距离:
E=548*8*94/6953=59mm
跨中组合截面的惯性矩及截面的模量为:
I次中=12727000+2569*592+548*8*352=27040000mm4Wmin=12727000/149=181500mm2
对于支座段选用B=296mm,则
组合截面面积:
A=2569=296*8=4937mm2
组合截面形心到槽钢中心线的距离:
E=296*8*94/4937=45mm
支座处组合截面的惯性矩用截面模量;
I次B=12727000+2569×452+296×8×492=23614793mm4
Wmin=23614793/135=174924mm2
3、水平次梁的强度验算
由于支座B处弯矩最大,而截面模量较小,故只需要验算支座B处截面的抗弯强度,即:
σ次=M次B/Wmin=23.79×106/174924=136N/mm2<[σ]=160N/mm2
说明水平次梁选用[18a满足要求。
轧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=23.79kN.m,则边跨挠度可近似地按下式计算:
w/L=5/384×ql3/EI次-M次Bl/16EI次=5×32.89×(2.6×103)3/384×2.06×105×2704×104-23.79×106×2.6×103/16×2.06×105×2704×104=0.000725<[W/L]=1/250=0.004
故水平次梁选用[18a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[18a。
底梁也采用[18a。
五、主梁设计
(一)设计资料
1)主梁跨度(如图所示):
净跨(孔口宽度)L0=10m,计算跨度L=10.4m,荷载跨度L1=10m;
2)主梁荷载:
q=82.42kN/m;
3)横向隔板间距:
2.6m;
4)主梁容许挠度:
[w]=L/600。
(二)主梁设计
主梁设计内容:
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
Mmax=82.42×10/2×(10.4/2-10/4)=1113kN.m
Vmax=qL1/2=82.42×10/2=412KN
(2)需要的截面抵抗矩
已知Q235号钢的容许应力[σ]=160N/mm2,考虑钢闸门自重引起的附加应力作用,取容许应力为[σ]=0.9×160N/mm2=144N/mm2,则所需要的截面抵抗矩为:
W=Mmax/[σ]=1113×100/144×0.1=7729cm2
(3)腹板高度选择
按刚度要求的最小梁高(变截面梁)由式(2-14)为:
hmin=1.1×5/24×[σ]L/E[w/L]=1.1×5/24×144×100×10.4×100/2.06×107×(1/600)=100cm
对于变截面梁的经济梁高,由式(2-16)有,he=2.8W2/5=2.8×77292/5=101cm
由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增加,故主梁高度宜选得比he为小,但不小于hmin。
现选用腹板高度h0=100cm。
(4)腹板厚度选择
按经验公式计算:
tw=
/11=
/11=0.91cm,选用tw=1.0cm=10mm。
(5)翼缘截面选择
每个翼缘需要截面为:
A1=T/h0-twh0/6=7729/100-1.0×100/6=61cm2
根据钢板标准规格,下翼缘选用t1=2.0cm。
需要b1=A1/t1=61/2.0=30.5,选用b1=32cm(满足在h/5~h/2.5=20~40cm之间)。
上翼缘的部分截面面积可利用面板,故只需设置较小的上翼缘板同面板
相连,选用t1=2.0cm,b1=14cm。
面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为B=b1+60t=14+60×0.8=62cm;
上翼缘截面面积A1=14×2.0+62×0.8=77.6cm2。
(6)弯应力强度验算
主梁跨中截面(如图)的几何特征如表3:
表三
部位
截面尺寸
(cm×cm)
截面面积
(cm2)
各形心离面板y'(cm)
Ay'
(cm3)
各行心离中和轴距离y=y'-y1(cm)
Ay2
(cm2)
面板部分
62×0.8
49.6
0.4
19.8
-49.2
120064
上翼缘
14×2.0
28.0
1.8
50.3
-47.8
63976
腹板
100×1.0
100.0
52.8
5280
3.2
1024
下翼缘
32×2.0
64.0
103.8
6643
54.2
188009
合计
241.6
11993
373073
截面形心距:
y1=∑Ay'/∑A=11993/241.6=49.6cm;
截面惯性矩:
I=twh03/12+∑Ay2=1×1003/12+373073=456406cm4;
截面抵抗矩:
上翼缘顶边Wmax=I/y1=456406/49.6=9202cm4;
下翼缘底边Wmiin=I/y2=456406/55.2=8268cm2;
弯应力:
σ=Mmax/Wmin=1113×100/8268=13.46kN/cm2<0.9×16=14.4kN/cm2,安全。
2、截面改变
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。
图主梁跨度较大,为减少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少为h0s=0.6h=60cm,如图7所示。
梁高开始改变的位置取在邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧,离开之承端的距离为260-10=250cm.。
剪切强度验算:
考虑到主梁端部的腹板及翼缘部分别同支承边梁的副板及翼缘相焊接,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性如表4。
表4
部位
截面尺寸
(cm×cm)
截面面积
A(cm2)
各形心离面板距离
Ay(cm3)
各形心离中和轴距离
Y=y-y1(cm)
Ay2(cm2)
面部部分
62×0.8
49.6
0.4
19.8
-30.0
44640
上翼缘
14×2.0
28.0
1.8
50.3
-28.6
22903
腹板
60×1.0
60.0
32.8
1968
2.4
346
下翼缘
32×2.0
64.0
63.8
4083
33.4
71396
合计
201.6
6121
139285
截面形心矩:
y1=6121/201.6=157285cm
截面惯性矩:
I0=1×60/12+139285=157285cm4
截面下半部分对中和轴的面积矩:
S=64×33.4+32.4×1.0×32.4/2=2662cm3
剪应力:
τ=VmaxS/I0tω=412×2882/157285×1.0=6.97KN/cm2<[τ]=9.5KN/cm2,安全。
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Vmax=412KN,截面惯性矩I=157285cm4。
上翼缘对中和轴的面积矩:
S1=49.6×30.0+28×28.6=2289cm3;
下翼缘对中和轴的面积矩:
S2=64×33.4=2138cm3 需要hf=VS1/1.4I0[τωf]=412×2289/1.4/157285×11.5=0.372m 角焊缝最小厚度: hf≥1.5t0.5=1.5200.5=6.7mm 全梁的上、下翼缘焊缝都采用hf=8mm.。 4、腹板的加劲肋和局部稳定验算 加劲肋的布置: 因为h0/tω=100/1.0=100>80,故须设置横向加劲肋,以保证腹板的局部稳定性。 因闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋。 其间距a=260cm.。 腹板区格划分见图8。 梁高与弯矩都较大的区格可按式(2-25)验算: τ=V/h0tω≤φ·ε[σ] 区格左边截面的剪力V=412-82.42×(5-2.6)=214KN; 该截面的弯矩M=412×2.6-82.42×(5-2.6)2/2=833KN.m 腹板弯曲压应力σ=My0/I=833×100×46.8/456406=8.5KN/cm2=85N/mm2; σ(h0/100tw)2=85×(100/100*1.0)2,查表2-4得ε=0.985 由a/b=260/100=2.6查表2-3得φ20=0.655,φ2=0.655(100/100×1.0)2=0.655;所以 τ=214/100×1.0=2.14KN/cm2<φ2×ε[σ]=0.655×0.985×16=10.3KN/cm2,安全。 故在横隔板之间(区段II)不必增设横向加劲肋。 再从剪力最大的区格I来考虑; 该区格的腹板平均高度h0=1/2(100+60)=80cm;因h0/tw=80.不必验算,故在梁高减小的区格I内也不必另设横向加劲肋。 5、面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算 从上述的面板计算可见,直接与主梁相邻的面板区格,只有区格IV所需要的板厚较大,这意味着该区格的长边中点应力也较大,所以选取区格IV按式(2-4)验算其长边中点的折算应力。 面板区格IV在长边中点的局部弯曲应力; σmax=kpa2/t2=0.5×0.039.7102/82=+154N/mm2 σmx=μσmy=+0.3×154=+46N/mm2; 对应于面板区格IV的边长中点的主梁弯矩(如图5所示)和弯应力: σ0x=M/W=1043×106/(9.202×106)=113N/mm2; 面板区格IV的长边中点的折算应力; σzh=(σmy2+(σmx-σ0x)2-σmy(σmx-σ0x))1/2=(1542+(46-113)2-154×(46-113))1/2
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