弧形钢闸门设计计算实例分析

弧形钢闸门设计计算实例分析

摘要：本文主要根据某面板堆石坝工程弧形钢闸门的实例数据，就其结构布置和结构设计中一些重要参数进行了实际的计算验证分析。

关键词：弧形钢闸门；设计；计算；实例

Abstract: In this paper, according to the instance data of CFRD tainter gate, it analyzed the actual calculation and verification on some important parameters of the structural layout and structure design.

Keywords: tainter gate design; calculation; examples

中图分类号: TV663.2

本文将以工程实例为据通过具体的计算就弧形钢闸门工程设计进行分析。重点对结构的稳定、强度及应力计算进行分析。本文设计计算的内容主要包括框架内力分析、框架结构计算及启闭力计算。

一、水库工程概况说明

大坝坝型为面板堆石坝，主堆石区以中下部强风化或弱风化岩体作为基础持力层，次堆石区以强风化岩体为基础持力层。趾板应放在弱风化岩体中下部。

1）水库特性指标

正常蓄水位：500.00m

正常蓄水位以下库容：1492万m3

设计洪水位：500.44m

校核洪水位：501.70m

总库容：1629万m3（校核洪水对应库容）

死水位：474.00m

死库容：327万m3

调节库容：1165万m3

2） 材料容重

混凝土：24kN/m3

钢筋混凝土：25kN/m3

钢材容重：78.5kN/m3

浆砌石：23kN/m3

水：10kN/m3

3) 设计安全系数

抗剪断公式：基本荷载组合 K′≥3.00

特殊荷载组合 K′≥2.50

闸门采用斜支臂双主横梁式焊接结构，其结构布置图见图1。弧门半径R=9.0m，支铰高度H2=4.2m。垂直向设置三道实腹板式隔板及两道边梁，区格间距为2.25m，边梁距闸门面板边线为0.3m；水平向除上、下主梁及顶、底次梁外，还设置了5根水平次梁，其中上主梁以上布置1根，两主梁之间布置4根。支铰采用圆柱铰，侧水封为“L”行橡皮水封，底水封为“刀”形橡皮水封。在闸门底主梁靠近边梁的位置设置两个吊耳，与启闭机吊具通过吊轴相连接。采用2×160kN固定式卷扬机操作。

二、结构布置

1、荷载计算分析

闸门在关闭位置的静水压力，由水平水压力和垂直水压力组成，如图2所示。

水平水压力： (kN)

垂直水压力：

图1主横梁式弧形闸门结构简图（单位：mm）

其中：=(6.44-4.2)/9=0.249,所以=14.412°

=4.2/9=0.467,所以=27.818°

=42.23°

=0.737°

=sin55.636°=0.825

=-sin13.406°=-0.232

=sin42.23°=0.672

=-sin6.703°=-0.117

故=457.82(kN)

总水压力：

=1921.6(kN)

总水压力作用方向：

=457.8/1866.3=0.2453

所以=13.783°

2、面板弧长

闸门门叶垂直高度为6.5m，支铰中心水平线以上弧形面板包角为

=14.807°

总水压力作用线上、下的弧长L上、L下分别为

L上=0.01745 = 0.01745×9.0×（14.807+13.783）= 4.490（m）

L下=0.01745 = 0.01745×9.0×（27.818-13.783）= 2.204（m）

面板总弧长L总为

L总= L上+ L下 = 4.49+2.204 = 6.694（m）

3、主框架位置

根据等荷载原则，闸门上、下主梁与支臂组成的主框架平面布置应与总水压力作用线对称，使两框架受力均匀。两主梁之间的弧长为3.925m，上、下主框架之间的夹角为，即

=180×3.925/28.274=24.987°

所以 =12.494°

上、下框架与水平线的夹角（负号表示位于水平线的上方）为

=13.783-12.494=1.2°

=13.783+12.494=26.277°

三、结构计算

1、面板

面板厚度按下列公式初选，并按表1计算。

式中：为弹塑性薄板支承长边中点弯曲应力系数；为弹塑性调整系数（b/a＞3时，=1.4；b/a≤3时，=1.5）；为面板计算区格中心的压力强度，N/mm2；a、b为面板计算区格的短边和长边长度，mm，从面板与主（次）梁的连接焊缝算起；[σ]为钢材的抗弯容许应力。

表1面板厚度计算表

注：主梁前翼缘宽度取100mm，次梁前翼缘宽度取70mm。

根据表1的计算结果，面板厚度选定为δ=10mm。

2、水平次梁

（1）荷载及内力

水平次梁荷载按“近似取相邻间距和之半法”计算单位宽度荷载，见表2。

表2 水平次梁荷载计算表

全部次梁及顶、底次梁采用同一截面，按其中最大荷载的一根次梁（次梁5）进行计算。水平次梁按受均布荷载的六跨连续梁计算，其计算简图见图3。

图3水平次梁计算简图（单位：m）

水平次梁参数为： =43.5kN/m， =2.25m。

最大支座弯矩：

=0.106×43.5×2.252 =23.3（kN·m）

最大跨中弯矩：

=0.078×43.5×2.252 =17.2（kN·m）

最大剪力：

=0.606×43.5×2.25=59.3（kN）

（2）应力计算

弯曲应力：

(MPa)＜

(MPa) ＜

剪应力：

(MPa) ＜

最大跨中挠度：

(mm)

(mm) ＜

3、中部垂直次梁（隔板）

中部隔板按两端悬臂简支梁计算，其计算简图见图4。

图4竖直次梁计算简图（单位：m）

（1）荷载及内力

荷载：

（kN /m）

（kN /m）

（kN /m）

（m），（m），（m），

（m)

支座反力：

（kN）

（kN）

剪力：

（kN）

（kN）

（kN）

（kN）

弯矩：

（kN·m）

（kN·m）

跨中最大弯矩位置：

解得 （m）

（kN/m）

（kN·m）

4、主框架

（1）荷载

上、下主框架对称于总水压力作业线布置，上、下主框架之间的夹角为（，见前面的计算），则每个框架上的静水荷载为

（kN）

式中的1.1为动载系数。

启门力在主框架上产生的力为

（kN/m）

式中：为每侧因钢丝绳拉力引起的压力；为每侧钢丝绳所受拉力，即每侧启门力；为钢丝绳在弧面上的包角。

主梁上的均布荷载为

（kN/m）

（2）框架内力

主梁断面初选。面板参与主梁作用的有效宽度（下主梁）为 ，

cm。

查表得：，则 （cm）

又 ≤（cm）

所以面板有效宽度取B=74cm。

主梁截面尺寸见图5，截面特性如下：

图5主梁跨中截面尺寸（单位：cm）

（cm2）

（cm3）

（cm）

（cm4）

（cm3）

（cm3）

框架计算：

所以

（mm）

（mm）

（mm）

（mm）

（mm）

框架内力：根据前面的计算，跨中均布荷载kN/m。

内力计算如下：

（kN）

=120.5（kN）

（kN）

（kN·m）

（kN·m）

（kN·m）

（kN·m）

（3）框架应力验算

主横梁：

（1跨中截面应力。跨中截面正应力按下式计算：

前翼缘：

(MPa)＜

后翼缘：

(MPa)＜

（2支座截面特性。面板参与主梁作用的有效宽度，，则

查表得：，则 （cm）

又 ≤（cm）

所以面板有效宽度取B=cm。

主梁截面尺寸见图6，截面特性如下：

图6主梁跨中截面尺寸（单位：cm）

（cm2）

（cm3）

（cm）

（cm4）

（cm3）

（cm3）

（cm3）

（3支座截面应力。正应力：

前翼缘：

(MPa)＜

后翼缘：

(MPa)＜

剪应力：

（kN）

(MPa)＜

（4主梁局部稳定性计算。支座处：

＜80

所以，主梁支座处可以不配置横向加劲肋板。但为了支臂传力均匀，一般均按构造要求设置有横向肋板。

支臂：

弯矩作用平面内的稳定验算：

偏心率：

长细比：

(cm)

(cm)

根据， 查表得，则

(MPa)＜

弯矩作用平面外的稳定验算：

其中近似地取

长细比：

其中=400cm。

(cm)

根据 ， 查表得 ，则

(MPa)＜

支臂与主横梁连接计算：

螺栓的最大拉力：

其中；；； ，螺栓每排数量为8；间距为0.1m，所以；；；；；；，代入上式，得：

（kN）

又螺栓选用M30，A=6.16cm2，则

(MPa)＜

抗剪板焊缝：

(MPa)＜

其中焊缝高度 =1.2cm，焊缝长度=30cm。

四、启闭力的计算

闸门采用前拉式起吊形式，启闭机采用固定卷扬式启闭机。

总水压力为 P=1921.6KN,轴套采用MGA，阻力系数为0.3，阻力臂=0.155m，弯矩为

=0.3×1921.6×0.155 =.4（kN·m）

侧止水采用L形弧形闸门橡皮止水，其摩擦系数为0.5，弯矩为

=0.5×10×（6.694×0.06×6.44/2）×2×9.03 =116.8（kN·m）

门叶重量及阻力臂参数如下：

面板=5000kg，力臂=9.0m；

主梁、水平次梁及隔板等=5000kg，力臂=8.4m；

支臂=6000kg，力臂=5.2m。

（1）闸门闭门力的计算

=1.2×（.4+116.8）-0.9×（50×9+50×8.4+60×5.2）

=-816.36（kN·m）

所以，闸门可以靠自重关闭。

（2）闸门启门力的计算

总的阻力矩为

=1.2×（.4+116.8）+0.9×（50×9+50×8.4+60×5.2）

=1311.24（kN·m）

=146（kN）

式中： 为启闭力轴线到支铰转动中心的垂直距离， = 9 m。

启闭机容量选择为2×100KN。

参考文献：

[1] 徐国宾,高仕赵.淤泥对弧形钢闸门启门力影响的计算方法[J].排灌机械工程学报,2012,30(3):304-308.DOI:10.3969/j.issn.1674-8530.2012.03.012.

[2] 郑小平,熊增生,彭琳等.班多水电站大型弧形钢闸门启升技术[J].施工技术,2011,40(12):65-66,72.

[3] 许凯.弧形钢闸门的结构布置及门架选型[J].北京电力高等专科学校学报(自然科学版),2010,27(11):147.