某露頂式直支臂弧形鋼閘門的設(shè)計(jì)計(jì)算分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24348某露頂式直支臂弧形鋼閘門的設(shè)計(jì)計(jì)算分析案例 1322591.1閘門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和資料 1269981.2荷載計(jì)算 2242821.3弧形閘門布置 3263441.4面板計(jì)算 4101791.5水平次梁計(jì)算 5258711.5.1、水平次梁設(shè)計(jì)計(jì)算 5196491.5.2、水平底主梁設(shè)計(jì)計(jì)算 564891.6中部垂直次梁（隔板）設(shè)計(jì)計(jì)算 8166951.6.1、彎矩和剪力 857891.6.2、截面特性 934801.7主框架設(shè)計(jì)計(jì)算 12267751.7.1、荷載計(jì)算 12264891.7.2、框架內(nèi)力 1231081.7.3、框架內(nèi)力驗(yàn)算 1518861.8弧形閘門啟閉力計(jì)算 19129091.8.1、閘門閉門力計(jì)算 1945351.8.2、閘門啟門力計(jì)算 19282631.9弧形閘門的支鉸設(shè)計(jì) 19217271.10弧形閘門啟閉機(jī)械的選擇 20100621.11弧形閘門吊耳的設(shè)置 211.1閘門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和資料本露頂式直支臂弧形鋼閘門要求的設(shè)計(jì)條件如下：孔口寬度：6.90m；底坎高程：130.07；設(shè)計(jì)水位：139.0m；面板曲率半徑：13.5m；支鉸高度：139.77m；面板弧長：10.332m；面板總高度：9.21m；根據(jù)長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司發(fā)的南水北調(diào)沙河節(jié)制閘進(jìn)口工作閘門圖紙，確定了設(shè)計(jì)的閘門支臂結(jié)構(gòu)主要采取直支臂式，確定閘門的材料選取，基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，鉸鏈支座的位置、設(shè)計(jì)水頭高度、閘門門寬以及底坎高程等計(jì)算數(shù)據(jù)。參考相關(guān)的水工鋼閘門設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)，進(jìn)行閘門組成結(jié)構(gòu)校核計(jì)算。本閘門門葉結(jié)構(gòu)材料采用Q345鋼。材料容許應(yīng)力調(diào)整系數(shù)取0.9。當(dāng)板厚當(dāng)板厚當(dāng)板厚：抗拉、抗壓和抗彎：抗剪：局部承壓：局部焊接承壓1.2荷載計(jì)算露頂式弧形閘門靜水壓力計(jì)算簡圖如下圖1.1所示。圖1.1露頂式弧形閘門靜水壓力計(jì)算簡圖水平水壓力：（1.1）垂直水壓力：（1.2）總水壓力：（1.3）總水壓力與水平線夾角：（1.4）總水壓力距底坎弧長：1.3弧形閘門布置梁格布置：主橫梁采用雙懸臂式，懸臂段長1.38m（0.2l）。兩主橫梁間布置7根水平橫梁。整個(gè)閘門橫向分為7格，縱向分為16格，梁格與梁格之間的距離根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行調(diào)整并合理布置，梁格長邊方向與主橫梁軸線方向保持水平。為了增強(qiáng)閘門門體剛度和完整性，擬采用實(shí)腹式齊平聯(lián)接。按等載荷布置兩根主橫梁，主梁間的夾角為。圖1.2為露頂式弧形閘門側(cè)面示意圖。圖1.2露頂式弧形閘門側(cè)面示意圖作用在上、下主梁上的靜水荷載：（1.5）（1.6）1.4面板計(jì)算由結(jié)構(gòu)布置圖上面板區(qū)格的長度，根據(jù)公式計(jì)算不同部位的初選面板厚度，計(jì)算結(jié)果如下表。分別為弧形面板梁格的短邊和長邊的長度；彈塑性調(diào)整系數(shù)。當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，；為面板計(jì)算區(qū)格中心承受的水壓強(qiáng)度；為鋼材的抗彎容許應(yīng)力。表1.1露頂式弧形閘門厚度計(jì)算區(qū)格a(mm)b(mm)q(mm)17009851.410.4360.04011.651975.12618.759851.590.4680.08111.651976.6934509851.190.4970.08441.651975.1142509853.940.5000.08611.551971.9752009854.930.5000.08821.551971.4062007853.9250.5000.08821.551971.40根據(jù)以上計(jì)算數(shù)值，考慮鋼板的銹蝕和閘門制造的方便，擬造用鋼板厚度一律為10mm,計(jì)算厚度為10mm。1.5水平次梁計(jì)算1.5.1、水平次梁設(shè)計(jì)計(jì)算上主梁與下主梁之間共設(shè)7根水平次梁。彎矩圖M，剪力圖Q如下表。由于水平梁采用相同梁截面，故選取單位載荷值最大的一根次梁荷載計(jì)算。整個(gè)弧形閘門的水平次梁單位長度所承受的載荷值從上至下依次為：表1.2弧形閘門水平次梁單位長度所受的水壓力水平次梁分布與上面次梁角度差承載弧長單位載荷值上邊梁1.1900.2011.970.00690.74.8321.970.01360.79.5231.970.02040.714.2841.970.02700.718.9051.970.03360.723.52頂主梁1.990.04010.728.0711.6250.04620.6187528.5921.6250.05160.6187531.9331.6250.05650.6187534.9641.6250.06180.6187538.2451.6250.06680.6187541.3361.6250.07180.6187544.4371.6250.07650.6187547.33底主梁1.6250.08110.6187550.1811.910.08450.4538.02521.060.08610.2521.52530.850.08660.2020.235從上表計(jì)算所得數(shù)據(jù)，該弧形閘門的水平底主梁在單位長度上所受的荷載最大，假設(shè)整個(gè)弧形閘門的水平次梁采用相同的截面，按水平底主梁所受荷載計(jì)算。1.5.2、水平底主梁設(shè)計(jì)計(jì)算水平底主梁參數(shù)為：。圖1.3為水平底主梁計(jì)算簡圖圖1.3水平底主梁計(jì)算簡圖圖1.4為水平底主梁彎矩圖；圖1.5為水平底主梁剪力圖圖1.4水平底主梁彎矩圖圖1.5水平底主梁剪力圖由上述水平低主梁彎矩圖、剪力圖可知：水平低主梁最大支座彎矩：（梁的尺寸初步選擇槽鋼16b）重量為（取絕對(duì)值即可）最大跨中彎矩：最大剪力：應(yīng)力核算：面板有效寬度：根據(jù)差得則水平次梁如圖1.6：圖1.6水平次梁截面特性其截面特性為：（1.7）（1.8）（1.9）（1.10）（1.11）（1.12）（1.13）正應(yīng)力：（1.14）（1.15）剪應(yīng)力：經(jīng)校核計(jì)算，當(dāng)水平次梁使用該槽鋼滿足設(shè)計(jì)要求。1.6中部垂直次梁（隔板）設(shè)計(jì)計(jì)算1.6.1、彎矩和剪力圖1.7為垂直次梁計(jì)算簡圖：圖1.7垂直次梁計(jì)算簡圖圖1.8為水平底主梁彎矩圖；圖1.9為水平底主梁剪力圖圖1.8垂直次梁彎矩圖圖1.9垂直次梁剪力圖由垂直次梁彎矩圖、剪力圖可知：選擇重量為最大支座彎矩：最大跨中彎矩：最大剪力：1.6.2、截面特性面板有效寬度：根據(jù)差得則由于則根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果選取面板有效厚度為圖1.10為垂直次梁截面特性圖1.10垂直次梁截面特性正應(yīng)力：剪應(yīng)力：經(jīng)校核計(jì)算，當(dāng)水平次梁使用該工字梁、，不滿足設(shè)計(jì)要求。重新選取中部垂直次梁截面特性：面板有效厚度依舊定為50mm。圖1.11為垂直次梁截面特性（修改）圖1.11垂直次梁截面特性正應(yīng)力：剪應(yīng)力：經(jīng)校核計(jì)算，該水平次梁使用該工字梁滿足設(shè)計(jì)要求。1.7主框架設(shè)計(jì)計(jì)算1.7.1、荷載計(jì)算已知閘門布置兩根主橫梁，其荷載基本相同。式中1.1為動(dòng)載系數(shù)。主梁上的均布載荷為：下框架還承受啟閉機(jī)的啟門拉力，由于拉力相對(duì)比較小，在此先忽略不計(jì)。1.7.2、框架內(nèi)力主梁截面初選：面板參與主梁作用的有效寬度（上下水平主梁）根據(jù)差表得則又所以面板有效寬度取圖1.12為主梁跨中截面特性圖1.12主梁跨中截面特性截面特性如下：圖1.13為支臂截面特性（初選）圖1.13支臂截面特性（初選）支臂截面特性為：（1.16）（1.17）（1.18）圖1.14為大支臂與水平主梁受力計(jì)算簡圖圖1.14大支臂與水平主梁受力計(jì)算簡圖（1.19）（1.20）（1.21）圖1.15為大支臂與水平主梁彎矩圖；圖1.16為大支臂與水平主梁剪力圖圖1.15大支臂與水平主梁彎矩圖圖1.16大支臂與水平主梁剪力圖由大支臂與水平主梁彎矩圖、剪力圖可知：最大彎矩：最大剪力：1.7.3、框架內(nèi)力驗(yàn)算主橫梁應(yīng)力驗(yàn)算：正應(yīng)力：剪應(yīng)力：支臂截面特性：面板參與主梁作用的有效寬度根據(jù)差表得則又所以面板有效寬度取圖1.17為支座截面特性（與大支臂相連的水平主梁）；圖1.17支座截面特性（與大支臂相連的水平主梁）截面特性如下：支座截面應(yīng)力：正應(yīng)力：（1.22）剪應(yīng)力：正應(yīng)力：（1.23）主梁局部穩(wěn)定性計(jì)算：支座處：，所以，主梁支座處可以不配置橫向加勁肋板。但為了支臂傳力均勻，一般均按照構(gòu)造要求安置有橫向肋板。跨中：所以，跨中截面應(yīng)設(shè)置橫向加勁肋板，但由于所處位置剪力較小，故考慮中部隔板作為橫向加勁肋板，間距，不必另外安置加勁肋板。支臂：彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定驗(yàn)算：（1.24）偏心率：（1.25）長細(xì)比：根據(jù)，查表的，則彎矩作用平面外的穩(wěn)定驗(yàn)算：（1.26）（1.27）長細(xì)比：，其中根據(jù)查表得：，則面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力：驗(yàn)算下主梁面板區(qū)格，其中，只需按照下式驗(yàn)算長邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力：（1.28）其中：其中為泊松比：（1.29）又因?yàn)楣?.8弧形閘門啟閉力計(jì)算鋼閘門自重：閘門：框架：總重：總水壓力：1.8.1、閘門閉門力計(jì)算（1.30）1.8.2、閘門啟門力計(jì)算1.9弧形閘門的支鉸設(shè)計(jì)支承鉸是閘門非常關(guān)鍵的組成部分，它要保持徑向的靈活性，確保閘門能繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)（在一定角度范圍內(nèi)），是弧形閘門繞固定支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，它的設(shè)計(jì)和安裝位置要保證一定的精度，所以需要特別引起注意。支承鉸的組成部分：支承鉸是由鉸鏈、鉸軸和底座三個(gè)重要部分組成。鉸鏈的一端用螺栓與支臂的低端端面相連，另一端具有鉸孔與鉸軸相連，并且要能夠繞鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)。鉸軸則固定在底座的支撐板上，底座的安置方向與閘門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)總水壓力的方向有關(guān)，為了保護(hù)支承鉸，延長使用壽命，一般要求與總水壓力方向垂直。鉸鏈和底座在工程上澆筑時(shí)，通常采用ZG230-450號(hào)鑄鋼，一體成型，要盡量避免組織中產(chǎn)生縮孔與索松，還要保證其纖維組織的緊密與排列方向，尤其是在底座與支臂處有拐角的地方，確保與施加力的方向處于最佳受力角度，避免使用過程中發(fā)生斷裂。當(dāng)載荷較小時(shí)也常采用厚度為20~30mm的鋼板焊接而成。鉸軸一般采用Q275號(hào)鋼或35號(hào)、45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼[11]。圖1.18為支鉸的組成結(jié)構(gòu)[6]。圖1.18支鉸的組成支鉸與支座的結(jié)構(gòu)型式，它們聯(lián)接通常采用圓柱形鉸軸，這種聯(lián)接固定方式使鉸鏈只能圍繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)造簡單易行，制造安裝均較為方便，當(dāng)閘門跨度不大時(shí)，適易用于直支臂式主框架門型。該閘門標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中，弧形閘門寬度為6.9m<12m，故選取比較合適。1.10弧形閘門啟閉機(jī)械的選擇工程實(shí)際中啟閉機(jī)械的種類繁多，啟閉機(jī)需要根據(jù)閘門吊耳的位置、啟閉力傳遞的方向等因素來選取，尤其在弧形閘門以及人字型閘門的啟閉中，力的傳遞方向隨著鋼絲的移動(dòng)而變化，也需要考慮。首先，選用啟閉機(jī)的啟閉力應(yīng)大于計(jì)算啟門力，但同時(shí)還應(yīng)符合啟閉機(jī)系列標(biāo)準(zhǔn)系列的規(guī)定，對(duì)于弧形閘門而言，考慮閘門施工位置、工作地域與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)條件，一般多選采用