水工钢闸门设计

工程概况：

闸门是用来关闭、开启或者局部开启水工建筑物中过水孔口的活动结构。其主要作用是控制水位、调节流量。闸门是水工建筑物的重要组成部分，它的安全与适用，在很大程度影响着整个水工建筑物的原行效果。

设计目录：

1. 水工刚结构潜孔式焊接平面钢闸门设计计算书。。。。。。。。1

（1）设计资料及有关规定。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1 （2）闸门结构的形式及布置。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1 <1>闸门尺寸的确定。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1 <2>主梁的布置。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1 （3）面板设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2 （4）水平次梁、顶梁和底梁地设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 （5）主梁设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 （6）横隔板设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 （7）边梁设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 （8）行走支承设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10 （9）胶木滑块轨道设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11 （10）闸门启闭力和吊座验算。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11

2. 水工刚结构潜孔式焊接平面钢闸门设计图。。。。。。。。。。（附图）

水工刚结构潜孔式焊接平面钢闸门设计计算书

一、设计资料及有关规定：

1. 闸门形式：

潜孔式焊接平面钢闸门。

2.孔的性质：

深孔形式。

3.材料：

钢材：Q235

焊条：E43；手工电焊；普通方法检查。

止水：侧止水用P型橡皮，底止水用条型橡皮。 行走支承：采用胶木滑道，压合胶布用MCS—2。 砼强度等级：C20。

启闭机械：卷扬式启闭机。

4.规范：

水利水电工程刚闸门设计规范（SL74-95），中国水利水电出版社1998.8

二、闸门结构的形式及布置

（一）闸门尺寸的确定（图1示）

1.闸门孔口尺寸：

孔口净跨：3.50m。 孔口净高：3.50m。 闸门高度：3.66m。 闸门宽度：4.20m。 荷载跨度：3.66m。 计算跨度：3.90m。

2.计算水头：50.00m。 （二）主梁的布置 1.主梁的数目及形式

主梁是闸门的主要受力构件，其数目主要取决于闸门的尺寸。因为闸门跨度L=3.50m,闸门高度h=3.66m,L本闸门为高水头的深孔闸门，孔口尺寸较小，门顶与门底的水压强度差值相对较小。所以，主梁的位置按等间距来布置。设计时按最下面的那根受力最大的主梁来设计，各主梁采用相同的截面尺寸。 3.梁格的布置及形式

梁格采用复式布置与等高连接，水平次梁穿过横隔板所支承。水平梁为连续梁，间距应上疏下密，使面板个区格需要的厚度大致相等，布置图2示

三、面板设计

根据《钢闸门设计规范SDJ—78（试行）》关于面板的设计，先估算面板厚度，在主梁截面选择以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

kp

0.9a[]kp=0.065akp

0.91.65160kp=0.067akp

0.91.55160 当b/a≤3时，a=1.65,则t=a

当b/a >3时，a=1.55,则t=a现列表1计算如下：

表1 区格 Ⅰ a(mm) 405 b(mm) 965 b/a 2.383 k 0.732 P[N/mm2] 0.49 kp 0.60 t(mm) 13.795 Ⅱ Ⅲ 345 345 965 965 2.80 2.80 0.50 0.74 0.49 0.49 0.50 0.60 11.2125 13.455 根据上表计算，选用面板厚度t=14mm 。 2.面板与梁格的连接计算

已知面板厚度t=14mm ,并且近似地取板中最大弯应力σmax=[σ]=160N/mm2,则

p=0.07х14х160=156.8.2N/mm ,

面板与主梁连接焊缝方向单位长度内地应力：

VS790103100014272398N/mm, T＝=

237767700002I0面板与主梁连接的焊缝厚度：

hfP2T2/0.7[tw]398/0.71135mm，

面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度hf6mm。

四、水平次梁，顶梁和底梁地设计

1.荷载与内力地验算

水平次梁和顶，底梁都时支承在横隔板上地连续梁，作用在它们上面的水压力可 按下式计算，即

q=p

现列表2计算如下：

表2 梁号 梁轴线处水压力强度P （kN/mm2） 4.13 459.13 0.45 3（水平次梁） 4（主梁） 5（水平次梁） 6（主梁） 7（水平次梁） 8（主梁） 9（底梁） 463. 0.45 467.95 0.45 472.36 476.47 0.45 481.18 0.45 485.59 0.45 490 0.225 110.25 0.45 218.51 0.45 216.53 0.45 0.45 214.41 0.45 212.56 0.45 210.58 0.45 208.59 梁间距（m） a上a下 2a上a下 2a上a下 2q=p1(顶梁) 2（主梁） 0.51 （m） 0.225 0.48 (kN/m) 115.80 220.38 ∑＝1727.61kN/m 根据上表计算，水平次梁计算荷载取216.53kN/m，水平次梁为4跨连续梁，跨度为0.90m，水平次梁弯曲时的边跨弯距为: M次中＝0.077ql2=0.077х216.53х0.9752=15.85kN∙m

支座B处的负弯距：

M次B＝0.107ql2=0.107х216.53х0.9752=22.0248kN∙m

2.截面选择

M22.0248106W=mm3 137655[]160考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选［18b,由附录三表四查得：

A=2929mm2 ; Wx=152200mm3 ; Ix=13699000mm4 ; b1=70mm ; d=9mm 。

面板参加次梁工作的有效宽度分别按式6—11及式6—12计算，然后取其中较小值。 式：6—11 B≤b1+60t=70+60Х14=910mm ; 式：6—12 B=ζ1b (对跨间正弯距段) B=ζ2b （对支座负弯距段） 。 梁间距b=

b1b2900900900mm 。 对于第一跨中正弯距段22l0=0.8l=0.8Х975=780mm ;对于支座负弯距段l0=0.4l＝0.4Х975＝390mm 。 根据l0/b查表6—1：

对于l0/b＝780/900＝0.867 得ζ1＝0.40 ，得B=ζ1b＝0.40Х900＝360mm , 对于l0/b＝390/900＝0.430 得ζ2＝0.16 ，得B=ζ2b＝0.16Х900＝144mm , 对第一跨中选用B＝360mm,则水平次梁组合截面面积（例图4）:

A=2929+360Х14=6961mm2 ;

组合截面形心到槽钢中心线得距离：

3601498e==65mm ;

86跨中组合截面的惯性距及截面模量为： I次中＝13699000+2929Х652+360Х14Х

352＝29662171mm4 33130025203165.6mm2 Wmin=

155对支座段选用B＝144mm，则组合截面面积：A=2929+144Х14=4592mm2 ;

组合截面形心到槽钢中心线得距离：

118.81498e==35mm

4592.2支座初组合截面的惯性距及截面模量为：

I次B＝13699000+2929Х432+144Х14Х

352＝23680365.8mm4 23680365.81442.9mm2 Wmin=

125 3.水平次梁的强度验算

由于支座B处（例图3）处弯距最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即

22.0248106116.24N/mm2[]160N/mm2, σ次＝

1442.9说明水平次梁选用[18b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，最大挠度发生在便跨，由于水平次梁在B支座处截面的弯距已经求得M次B=22.0248kN∙m,则边跨挠度可近似地按下式计算：

M次Blw5ql3 l384EI次16EI次5216.53[975]322.0248106975 ＝ 553842.061029662171162.061029662171w10.004 ＝0.0002≤[]l250 故水平次梁选用[18b满足强度和刚度要求。

五、主梁设计 (一)设计资料

1）主梁跨度：净跨（孔口净宽）l0＝3.5m ；计算跨度l＝3.9m ；荷载跨度l1＝3.66m 。

q2）主梁荷载：

P总4＝(9.8505046.349.846.34)/4431.9kN3) 横向隔板间距： 220.975m 。

4）主梁容许挠度： [W]=L/750 。 （二）主梁设计 1.截面选择

（1） 弯距和剪力 弯距与剪力计算如下：

431.93.663.93.66()818kNm 弯距： Mmax224剪力： Vmaxql1431.93.66790kN 22需要的截面抵抗距 已知A3钢的容许应力[σ]=160N/mm2 ,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力[σ]=0.9160144N/mm2, 则需要的截面抵抗矩为；

Mmax818106[ W]= 5681cm3。[]144（3）腹板高度选择 按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为： 经济梁高：hec3.1 W2/53.1(5681.833)2/598.43cm。hminfl0.162153.91030.20842.5cm,

E[w/l]2.061051/750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hec为小，但

不小于hmin。现选用腹板厚度h0＝90cm 。 (4)腹板厚度选择

twh/1190/110.86cm,选用tw＝1.0cm 。 (5)翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为

A1Wtwh05681.83319058cm2, h06906A15829cm,取B1＝30cm,上翼缘t12下翼缘选用t1＝2.0cm（符合钢板规格），需要b1的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的翼缘板同面板相连，选用t1＝2.0cm，b1

＝16cm，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为B＝b1+60t＝16+60Х1.4＝100cm 。

上翼缘截面面积A1=18Х2.0+100Х1.4=172cm2 。 (6)弯应力强度验算

Ay截面形心距：y'A'9926.831.82cm, 3123twh01.09032Ay335010377677cm4, 截面惯性距：I1212截面抵抗距：上翼缘顶边 WmaxI37767711869.17cm3, y131.82I3776776568cm3, y257.5 下翼缘底边 Wmin弯应力：Mmax81810012.45kN/cm20.91614.4kN/cm2,安全 Wmin6568表3 截面尺寸 截面面积各型心离面Ay′ 各型心离中和Ay2 部位 （cmХcm） A(cm2) 板表面距离（cm3） 轴距离 (cm4) y′（cm） y=y′-y1(cm) 面板部分 100Х1.4 140.0 0.7 980 -27.21 103578 上翼缘 16Х2.0 32.0 2.4 76.8 -25.5 20808 腹板 90Х1.0 90.0 43.4 3906 15.5 19220 下翼缘 30Х2.0 60.0 84.4 50 56.5 191405 合计 312 9926.8 335011 （7）因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体稳定性，因梁高大于按高度要求 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，为减小门槽宽度与支承边梁高度（节约钢材），有必要将主梁承端腹

s板高度减小为h00.6h0cm。考虑到主梁端部腹板及翼缘相焊接，故可按工字截面

梁验算应力剪力强度。尺寸表4所示：

表4 截面尺寸 截面面积各型心离面Ay′ 各型心离中和Ay2 部位 （cmХcm） A(cm2) 板表面距离（cm3） 轴距离 (cm4) y′（cm） y=y′-y1(cm) 面板部分 100Х1.4 140.0 0.7 980 -27.21 103578 上翼缘 16Х2.0 32.0 2.4 76.8 -25.5 20808 腹板 Х1.0 .0 43.4 2343.6 15.5 19220 下翼缘 30Х2.0 60.0 50. 3038.4 56.5 191405 合计 286 8710.8 335011 87101330.45cm I013122cm4 y128612S62.558.9560.21.660.26584cm3, 2VmaxS790658410kN/cm2[]9.5kN/cm2,因误差未超过10％，安全

I0tw131221.03.翼缘焊缝

翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。Vmax＝790kN。I0=13122cm4， 上翼缘对中和轴的面积距：S1=32.0Х25.5+140Х27.2=4624cm3， 下翼缘对中和轴的面积距：S2=60Х56.5＝3390cm3h08080,不需设置横向加劲肋。闸门上已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距tw1.0a＝0.975m 。腹板区格划分见图2。

5.取面板区格Ⅲ验算其长边点的折算应力

my0.50.009849.91530022110N/mm, 216a=450-80-90=280mm,

mxVmy0.311033N/mm2,

面板区格Ⅲ的长边中点的主梁弯距和弯应力

3431.9(0.9750.15)23.6632M431.90.975784kNm, 2220xM78410658N/mm2, 3W1353710该区格长边中点的折算应力

2zhmy(mx0x)2my(mx0x)

＝1102(3358)2110(3358)100.8N/mm2[]1.651602N/mm2

故面板厚度选用14mm满足强度要求 。

六、横隔板设计 1.荷载和内力计算

如图所示水平次梁为4跨均布连续梁，R可看作它所受的最大剪力，由规范表查知：作用于竖直次梁上由水平荷载传递的集中荷载：

R(0.6070.536)q次ln 1.143216.530.975241kN; 取q＝q次

1111Mql02Rl0216.530.922410.976.15kNm

84842.横隔板和截面选择和强度验算

腹板选用与主梁腹板同高，采用800Х10mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mmХ800mm的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式B＝ζ1b确定。

l0/b900/9750.923,查表得ζ1＝0.369 ， B=0.369×975=360mm，取B＝360mm 。计算如下图所示截面几何特性截面型心到腹板 中心线距离：

360104052008405e36010200880010＝61mm截面惯性距：

108003I800106128200465212103603442122840104mm4I2619190mm3 ， 469验算应力：

WminM76.15106 29N/mm2[,]

Wmin2619190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hf

＝6mm 。 七、边梁设计

边梁的截面形式采用单腹式，如下图，边梁的截面尺寸按构造要求确定，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，为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不宜小于300mm 。 边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时将容许应力值降低20％作为考虑受扭影响的安全储备。 1.荷载和内力计算在闸门每侧边梁上各设4个胶木滑块，其布置如下图： （1）水平荷载

主要是主梁传来的水平荷载，还有水平次梁和顶，底梁传来的水平荷载，为了简化起见，可假定这些荷载由主梁传给边梁，每个边梁作用于边梁荷载为R＝790kN （2） 竖向荷载

有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，起吊力等。 上滑块所受压力：

R12790kN， 下滑块所受压力：

R227901580kN，

Mmax7900.9711kNm, Vmax790kN,

最大阻力为作用于一个边梁上的起吊力，估计为650kN，有N＝650kN进行强度验算，

N650R1f65015800.12460.4kN , 2.边梁强度验算

截面面积A2400208001628800mm2,

Smax20400410400162004560000mm3,

I1680038029206mm3 。 I24002041023372266667mm4,W42012截面边缘最大应力验算：

maxNMmax460.4103711106111N/mm20.8[]0.8157126N/mm2 AW802920628253腹板最大剪应力验算：

VmaxSmaz790103456000068N/mm20.8[]0.87576N/mm2,

ItwI16腹板与下翼缘连接处则算应力验算：

NMmaxy'460.4103711100084.4N/mm2,

AWy2880080292020VmaxS17901034002041048N/mm2，

Itw16I2h23284.423482119N/mm20.8[]0.8160128N/mm2 。 均满足强度要求 八、行走支承设计

胶木滑块计算：下滑块受力最大，起值为R＝1580kN，设滑块长度为350mm，则滑块单

15801034514N/mm,由表2查得轨顶弧面半径R=200mm，位长度承受压力q轨头设

350计宽度为b＝40mm，胶木滑块与规定弧面的接触应力验算：

max104q4514104494N/mm2[j]500N/mm2。 R200九、胶木滑块轨道设计

1. 确定轨道底板宽度

轨道底板宽度按砼承压强度确定，查表得：砼允许承压应力为[σ]＝7N/mm2 ，则所需轨道底板宽度为：

q[n]2257322mm.7

Bn 取Bh＝350mm， 故轨道底面压应力：

22576.4N/mm2 3502.确定轨道底版厚度 轨道底板厚度δ按其弯曲强度确定，轨道底版的最大弯应力：

hc23n2[]

t轨道底板悬臂长度C＝102.5mm，对于A3查表

得[σ]＝100N/mm2 ，

3nc236.4102.5244.9mm，故t＝50mm 。 故：t[]100十、闸门启闭力和吊座验算

1.启门力：T启＝1.1G+1.2(T2d+T2s)+Px G=0.022K1K2K3A1.34Hs0.63Х9.8

其中，A=3.5Х3.5=12.25mm2 ,可查知：系数K1,K2,K3，均取为1.0 ，

∴G=0.022Х1.0Х1.0Х1.0Х12.251.34Х500.63Х9.8=80.1kN ， 滑道摩阻力：T2dfp0.124431.93.66760kN,

止水摩阻力：T2s2fbhp20.650.063.66411.3117.4kN.

因橡皮止水与钢板间摩擦系数f＝0.65， 橡皮止水受压宽度取为b＝0.06m， 每边侧止水受压长度H＝3.66m ，侧止水平均压强：

4431.93.66P411.3kN/m2,

3.664.2下吸力Px底止水橡皮采用I110—16型，其规格为宽16mm，长110mm，底止水沿门跨长3.9m，根据规范SDJ13—78，启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m2计算，则下

吸力：Px203.90.0161.248kN

故闸门启门力：T启1.180.11.2(760117.4)1.2481142kN.

2.闭门力：T闭＝1.（2T2dT2S)0.9G1.2(760117.4)0.980.1980.79kN, 3.吊轴和吊耳板验算 （1） 吊轴

采用3号钢，由第一章表1—9查得[τ]=65n/mm2,采用双吊点，每边启吊力为：

P1.2T启21.21142685.2kN,2吊

轴每边剪力：P685.2V342.6kN,

22需吊轴截面积：

V342.6103A5270mm2[]65由Ad240.785d2,有：d≥

A527083mm,取d＝100mm， 0.7850.785（2） 吊耳板强度验算

按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按下式计算，查表1—9得A3得[σcj]=80N/mm,

685.2103∴t86mm,固在边梁腹板上端部的两侧各焊一块为45mm的轴承

d[cj]10080P板。轴承板采用圆形，其直径取为3d＝3Х100＝300mm，

R2Y20.8[K] 吊耳孔壁拉应力计算：k2RY2P685.2103cj76.1N/mm2，吊耳板直径R=150mm,轴孔半径Y=50mm，由表1—9

td90100查得：[σk]=120N/mm2，故孔壁拉应力：

1502502k76.195.1N/mm20.812096N/mm2，满足要求。 2215050