课程设计说明书
课 程 名 称: 水利水电工程钢结构课程计 课 程 代 码: 8203281 题 目: 潜孔式平面钢闸门设计 学 生 姓 名:
学 号: [**************]
年级/专业/班: 2011级水利水电1班 学院(直属系) : 能源与环境学院 指 导 教 师:徐良芳
目 录
1设计资料
2闸门结构的形式及布置 3面板设计
4水平次梁、顶梁和底梁的设计 5主梁设计
6 横隔板设计 7 纵向连接系 8 边梁设计
9 行走支撑设计 10滚轮滑道设计
11 闸门启闭力和吊耳计算
一、设计资料及有关规定
1，闸门形式：潜孔式焊接平面刚闸门。
2，孔的性质：深孔形式。孔口尺寸（宽×高）：10m×8m。上游水位：38m；下游水位：
0.1m；
闸底高程：0m。
3，材料：钢材Q235-A.F
焊条 E43;手工电弧焊；满足Ⅲ级焊缝质量检验标准。 止水：侧止水和顶止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮。 行走支承：滚轮支承。 砼的强度等级：C20。
启闭机械：卷扬式启闭机。 4，规范：《水利水电工程钢闸门设计规范SL1974-2005》。 二，闸门结构的形式及布局。
（一） 闸门尺寸的确定（图一示）
1， 闸门的孔口尺寸：
孔口净跨：10m。 孔口净高：8m。 闸门高度：8.4m。 闸门宽度：10.4m。 计算跨度：10.4m。 荷载跨度：10m
（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。因为闸门跨度为１０．４ｍ，高度为８．４ｍ。所以采用３根主梁，决定采用实腹式组合梁。 ２， 主梁的布局本闸门为高水头的深水闸门，孔口尺寸较大，所以主梁的位置俺上
疏下密布置。设计时按最下面的那根受力最大的主梁来设计，个主梁采用相同尺寸。
３， 梁格的布置及形式
梁格采用复式布置与打等高连接，水平次梁穿过横隔板所支承。水平梁伟连续梁，间距应上疏下密，使整个区格需要的厚度大致相等，布置如图２示。
4，连接系的布置和形式
1、横向连接系：
根据主梁的跨度，决定布置6道横隔板，其间距为1.486m，横隔板兼作竖直次梁。
2、纵向连接系：
设在四个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。
5边梁与行走支承
边梁采用双腹式，行走支承采用滚轮支承。
梁格布局尺寸图
k—四边固定矩形弹性薄板在支承长边中点的弯应力系数，第1和10区格按附录九表3查得，其余区格按附录九表2查得。
p—面板计算区格中心的水压强度（p=γhg=0.0098h N/mm²） γ—水的密度，一般淡水取10KN/㎥ h―区格中心的水头，单位m a、b―面板的短边和长边的长度
根据上表计算，选用面板厚度t=15mm。
2， 面板与梁格的连接计算已知面板厚度t=15mm，并且近似得饿取板中
最大弯应力σmax=[σ]=160N/mm2，则
P=0.07tσmax=0.07×15×160=168（N/mm ）
面板育主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力2550KN，I0=27059202cm4；S＝266×3.6×64.1＝61382㎝³
T＝VS／2I0＝5395.5×61382×100／（27059202×2）=611N/mm
面板与主梁连接的焊缝厚度： hf
=334.3／0.7×113=4.2mm
面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度hf=5mm
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
a上 a下
2
。
∑q＝2639.2kN/m
根据上表计算，水平次梁计算荷载取157.94 kN/m，水平次梁为8跨连续梁，跨度为1.3m（如图3）。水平次梁弯曲时的边跨中弯距为:
M次中＝0.078ql2=0.078х157.94х1.3²=20.8kN∙m
M次支=0.105ql2=0.105х157.94х1.3²=28.0kN∙
m
2.截面选择
W=28.0х1000000／160=175000mm3
考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选［18a,由附录三表四查得： A=2659mm2 ; Wx=141400mm3 ; Ix=12727000mm4 ; b1=68 mm ；d=tw=7mm 。 面板参加次梁工作的有效宽度分别按式7—11及式7—12计算，然后取其中较小值。
式：7—11 B≤b1+60t=68+60Х15=968mm ; 式：7—12 B=ζ1b (对跨间正弯距段) B=ζ2b （对支座负弯距段） 。 梁间距b=（400+445）／2=422.5 mm。
于第一跨中正弯距段l0=0.8l=0.8Х1300=1040mm ;对于支座负弯距段l0=0.4l＝0.4Х1300=520mm 。 根据l0/b查表7—1：
对于l0/b＝1040/422.5＝2.462得ζ1＝0.77，得B=ζ1b＝0.77×422.5＝325㎜
对于l0/b＝520/422.5＝1.231得ζ2＝0.40，得B=ζ2b＝0.40×422.5＝169㎜
对第一跨中选用B＝325mm,水平次梁组合截面面积（图4—1）:
A=2569＋325×16＝7769㎜² 槽钢的高为400㎜
组合截面形心到槽钢中心线得距离：
e=325×16×94／7769=63mm
支座处组合截面的惯性距及截面模量为：
I次B＝12727000＋2569×63²＋325×16×35²＝2920336㎜⁴ Wmin=2929336／149=196600m㎡
对支座段选用B＝169mm，则组合截面面积（图4—2）： A=2569＋169×16＝5273mm²
组合截面形心到槽钢中心线得距离：
e=169×16×94／5273=48mm
支座处组合截面的惯性距及截面模量为：
I次B＝12727000＋2569×48²＋169×16×49²＝25138280㎜⁴ Wmin=186209m㎡
3.水平次梁的强度验算
由于支座B处（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
σ次＝28.0×1000000／135=141.9N/mm≤160N/mm 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=125.17kN∙m,则边跨挠度可近似地按下式计算：
Mlw5ql3
=⨯-次Bl384EI次16EI次
5⨯529.74⨯[1486]3125.17⨯106⨯1486
-
384⨯2.06⨯105⨯[1**********]⨯2.06⨯105⨯423177593w1
=0.004 ＝0.000393≤[]=
l250
故水平次梁选用[18a满足强度和刚度要求。
5、顶梁和底梁
顶梁和底梁也采用[18a.
＝
五、主梁设计
（一)设计资料
1）主梁跨度（图5）：净跨（孔口净宽）l。=10.0m ；计算跨度l＝10.4m ；荷载跨度l₁＝10.0m 。 2）主梁荷载：q=P总/3=（9.81×38×38×0.5-9.81×28×28×0.5）/3=1079.1KN 3) 横向隔板间距：1.300m 。
4）主梁容许挠度： [W]=L/750 。
（二）主梁设计内容包括：①截面选择；②梁高改变；③翼缘焊缝；④腹板加劲肋；⑤面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。 1.截面选择
（1） 弯距和剪力 弯距与剪力计算如下：
弯距： M=1079.1×10×0.5（10.4×0.5-10×0.25）=15647kN∙m 剪力： V=0.5×1079.1×10=5395.5kN
2）需要的截面抵抗距 已知Q235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；
[ W]= M/[σ]=15647×1000/144=108660（cm3）
（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：h
ec
=3.1W=3.1⨯(108660)=320.47cm。
2/5
2/5
hmin
[σσ l0.22⨯144⨯10.4⨯104
=0.22==119.95cm, 7
E[w/l]2.06⨯10⨯﹙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，一般选择梁高比经济梁小10％～20％。根据以上选择腹板高度h0＝260cm 。
(4)腹板厚度选择
tw=h/11=260/11=1.47cm,选用tw＝6.0cm 。
(5)翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为:
A1=
Wth1086606⨯260
-w0=-=158cm2, h062606
下翼缘选用
b=1
A1
t1
=
t1＝2.0cm（符合钢板规格
）
158
=79cm
2
，需要
（在腹板高度的三分之一
到五分之一52—87cm之间）
上翼缘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＝50cm，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为B＝b1+60t＝50＋60×1.5＝140cm
2
上翼缘截面面积A1=50×2.0＋140×1.5＝310 cm
(6)弯应力强度验算。主梁跨中截面（图6—1）的几何特性
∑Ayy'==123.5cm, 截面形心距：
∑A
'
twh036.0⨯26032
截面惯性距：I=+∑Ay=+7295486=16083486cm4,
1212
截面抵抗距：上翼缘顶边 Wmax=
I16083486
==130231cm3, y1123.5
I16083486==113264cm3, y2142
下翼缘底边 Wmin=
弯应力：σ=
Mmax15647⨯100
==13.8kN/cm2
主梁跨中截面的几何特性
（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板高度减小为h0s＝0.6h0＝0.6×260＝156cm（图7—1）。
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，离开支承端的距离为130-10=120cm
twh036.0⨯15632
I=+∑Ay=+2873226=4771434cm4,
1212
y1=
102050
=72.7cm
1404
86.8
=36475cm3, 2
S=158×87.8+86.8⨯6⨯τ=
VmaxS5395.5×36475
==6.9kN/cm2
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。Vmax＝5395.5kN。I0=4771434cm4，
上翼缘对中和轴的面积距：S1=210×71.95＋50×2×70.4＝22149.5cm3 下翼缘对中和轴的面积距：S2=160.5×87.8＝14091.9cm3＜S1 需要hf=
VS15395.5⨯22149.5
==2.6cm, f
1.4I0[τw]1.4⨯4771434⨯11.3
角焊缝最小，hf≥1.5t=1.520=6.7mm。 全梁的上下翼缘焊缝都采用hf＝10mm 。 4. 腹板加劲肋 因
h0260==43.3＜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tw6.0
劲肋，其间距a＝1.3m 。腹板区格划分见图2。
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，直接与主梁相连的面板区格，只有区格10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10按下式验算长边中点的折算应力：
σ=
my
0.5⨯0.385⨯445×4452
=±157.5N/mm, 2
15
2
my
σ=Vσ=±0.3⨯157.5=±47.3N/mm,
mx
面板区格Ⅲ的长边中点的主梁弯距和弯应力
101079.1⨯4.352
M=1079.1⨯⨯4.55-=14340kN⋅m
22M14340⨯1062
σ0x===110N/mm
W130231⨯103
该区格长边中点的折算应力
2
σzh=my+(σmx+σ0x)2-σmy(σmx+σ0x)=157.4＜1.55×160=248N/mm2
﹙上式中σmx,σmy,σox的取值均以拉应力为正，压应力为负﹚ 故面板厚度选用15mm满足强度要求 。
六、横隔板设计
1.荷载和内力计算
横隔板同时兼作竖直次梁，它主要承受水平次梁、顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替，并且把横隔板作为支承在主梁上的双悬臂梁。
如图9示水平次梁为7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=1.143×157.94×1.3＝234.7KN 取q＝q次
1111
M=ql02+Rl0=⨯157.94⨯1.042+⨯234.7⨯1.04=81.55kN⋅m
8484
2.横隔板的截面选择和强度验算
腹板选用与主梁腹板同高，采用2600mmХ60mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mmХ8mm的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式B＝ζ1b确定。b=1300mm，
l0/b=1040/1300=0.8查表得ζ1＝0.32 。B=0.32×1300=416mm，取B＝420mm 。
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： e=
420⨯15⨯1307.5-200⨯8⨯1307.5
=37mm
420⨯15+2600⨯60+200⨯8
截面惯性距：
60⨯26003
I=+2600⨯60⨯372+8⨯200⨯13412
12
+420⨯15⨯12712=101000⨯106mm4Wmin=
验算应力：
I
=75203042mm3 ， 1345
M81.55⨯106
σ===1.08N/mm2
Wmin75203042
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＝10mm 。
七、纵向连接系设计
1.荷载和内力计算
纵向连接系受闸门自重。潜孔式平面滚轮闸门G按下式计算： 由附录十一查得，其中
A—孔口面积，m² K₁－闸门工作性质系数，工作与事故闸门K₁＝1.0
K₂－孔口高宽比修正系数H／B＝1,K₂＝1.0 K₃－水头修正系数 ，Hs＜60m , K₃＝1.0
G=0.073KK2KH0.79A0.93⨯9.8KN
=0.073⨯1.0⨯1.0⨯1.0×380.79⨯1000.93⨯9.8
=916.3kN
下游纵向连接系承受 0.4G=0.4×916.3=366.5KN
纵向连接系是做简支的平面桁架。其桁架腹杆布置如图9点荷载为
366.5
=45.81kN 8
杆件内力计算结果如下图：
2.斜杆截面计算
利用三角形的边长之比与两边的力之比相同的方法计算得
斜杆承受最大拉力N=290.97KN，同时考虑闸门偶然扭曲是可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即λ≤[λ]=200。 选用单角钢∟100×12，表查得： 截面面积A=2280㎜2回转半径iy0=19.5mm
222
0.4×3.3﹚=2.54mu 斜杆计算长度 l0=0.92+1.486+﹙
长细比 λ=验算拉杆强度：
l02540
==130.1＜[λ]＝200 iy019.5
136⨯103
σ==59.6N/mm2＜0.85[σ]=133N/mm2
2280
考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。 八、边梁设计
边梁的截面形式采用双腹式（如图 ），边梁的截面尺按照构造要求确定，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，为了便于安装滚轮，两个下翼缘为用宽度为400mm的扁钢做成。
边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计师将容许应力值降低
15%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两个滚轮。其布置尺寸可见下图
（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。每个主梁作用于边梁的荷载为R=5395.5KN。
（2）竖向荷载。有闸门自重、滚轮摩擦阻力、止水摩阻力、起吊力等。
上滚轮所受的压力R1=4811kN 下滚轮所受的压力R2
=5980kN
最大弯矩 Mmax=1564kN.m 最大剪力 Vmax=4811kN
最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为2000kN（详细计算见后）。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滚轮的摩阻力，该轴向力
N=2000-0.12⨯f=2200-0.12⨯4811=1423kN
2.边梁的强度验算
截面面积 A=1560×60＋2×900×15＝120600mm
15×900＋780×390×60＝28883250mm³ 面积矩 Smax=787.5×
2
截面惯性矩 I=[1**********]0mm4 截面模量 W=
[1**********]0
=136264168mm3
1026
截面边缘最大应力验算:
σ
max
=
NMmax
+=76.5N/mm2＜0.8[σ]=0.8×157＝120N/mm2腹板最大AW
剪应力验算：
τ=
VmaxSmax
=61N/mm2＜0.8[τ]=0.8⨯95=76N/mm2 2Itw
腹板与下翼缘连接处应力验算：
σ=
NMmaxy'+=75.3N/mm2 AWy
τ=
VmaxSi
=22.5N/mm2 2Itw
2
2
2
2
2
2
σ=+3τ=.3+3⨯22.5=84.8N/mm＜0.8[σ]=0.8⨯160=128N/mm
2h
以上的验算满足强度要求。
九．行走支承设计
滚轮计算： 轮子的主要尺寸是轮径D和轮缘宽度b，这些尺寸是根据轮缘与轨道之间的接触应力的强度条件来确定的，对于圆柱形滚轮与平面轨道的接触情况是线接触，其接触应力可按下式计算，其中下滚轮受力最大，其值为5980kN。设滚轮轮缘宽度b=300mm，轮径D＝600mm。
σ
max
.1PlE1.1⨯5980⨯2.06⨯105
=0.418=0.418=51.3N/mm2＜2.5⨯235=587.5N/mm2
bR300⨯300
为了减少滚轮转动时的摩擦阻力，在滚轮的轴孔内还要设滑动轴承，选用钢
对10-1铸铁铝磷青铜。
轴和轴套间压力传递也是接触应力的形式，可按下式验算：
σcg=
1.1Pl
≤σcg db1
[]
取轴的直径d=500mm，轴套的工作长度b1=600mm，
2
滑动轴套容许应σcg=50N/mm
[]
1.1Pl1.1⨯5980⨯103
σcg===21.9N/mm2＜[σcg]=50N/mm2
db1500⨯600
轮轴选用45号优质碳素钢，取轮轴直径d=450mm，其工作长度为b=600mm，对其进行弯曲应力和剪应力验算：
Mmax=782KN∙m
d33.14⨯4503
W===23844375mm3
1212
Mmax782⨯106
σ===32.8N/mm2＜0.8[σ]=0.8×145＝116N/mm2
W23844375
Vmax=Pl=2990KN 2
Vmax2990⨯103τ==18.8N/mm2＜0.8[σ]=0.8×95＝76N/mm2
2= 158962.5
4
轴在轴承板的连接处还应按下式验算轮轴与轴承板之间的紧密接触局部承压应力：σcj=N
dt≤σcj []
轴承板所受的压力N=
取轴承板叠总厚度∑tPl=2990KN =60mm N2990⨯103
22[]σ===110.7N/mm＜0.8σ=0.8×160＝128N/mmcjcj故 d∑t450⨯60
十、滚轮轨道设计
1.确定轨道钢板宽度
轨道钢板宽度按钢板承压强度决定。根据Q235钢的容许承压应力为
[σ]=100N/mm2，则所需要的轨道底板宽度为
Pl5980⨯103q===19933N/mm b300
B=q
σ=19933=199.3mm，取B=220mm 100
故轨道地面压应力：
σ=c19933=90.6N/mm2 220
2.确定轨道底板厚度
轨道底板厚度б按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力：
c2
σ=3σc2≤[σ] t
式中轨道底板的悬臂长度c=40mm，对于Q235由表查得[σ]=100N/mm。 2
故需要轨道底板厚度： t=3σcc2σ3⨯90.6⨯402
==66mm，取值t=70mm。 100
十一．闸门启闭力和吊耳计算
1、启闭力按下式计算：
T启=1.1G+1.2(T+Px Zd+TZs）
其中闸门自重 G=997.5kN
滑道摩阻力：Tzd=fp=0.12⨯70756=8491kN,
止水摩阻力：Tzs=2fbhp=2⨯0.65⨯0.06⨯10.0⨯850.4=530.6kN.
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＝10.0m ，侧止水平均压强：
P=7075.6⨯10.0=850.4kN/m2, 8⨯10.4
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10.4m，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⨯10.4⨯0.016=3.328kN
故闸门启门力：T启=1.1⨯997.5+1.2⨯(8491+850.4)+3.328=12310.3kN.
2.闭门力：T闭＝1.（2Tzd+TzS)-0.9G=1.2⨯(8491+850.4)-0.9⨯997.5=10311.9kN
显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。为此，我考虑采用一个重量3000kN的加载梁，在闭门时可以依次对需要关闭的闸门加载下压关闭。
3.吊轴和吊耳板验算（图11）
图11吊轴和吊耳板
（1） 吊轴
采用Q235号钢，由第二章表2—8查得[τ]=65N/mm2,采用双吊点，每边启吊力为：
P=1.2⨯T启12310.3P7386=1.2⨯=7386kN,吊轴每边剪力：V===3693kN, 2222
V3693⨯103πd2
2==56817mm由A==0.785d2,有： 需吊轴截面积：A=4[τ]65
d≥A56817==269mm,取d＝320mm， 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2—8得Q235得[σcj]=80N/mm,
P7386⨯103
==289mm,固在边梁腹板上端部的两侧各焊一块为∴t=d[σcj]320⨯80
40mm的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为3d＝3Х120＝360mm， R2+Y2
≤0.8[σK] 吊耳孔壁拉应力计算：σk=2R-Y2
P7386⨯103
σcj===71N/mm2，吊耳板直径R=140mm,轴孔半径Y=40mm，由表1td289⨯360
—9查得：[σk]=120N/mm2，故孔壁拉应力：
1402+402
22σk=71.0⨯=83.6N/mm
根据启闭力，可以确定用液压式的启闭机。靠自重是不能关闭闸门的，所以采用双向液压启闭机。启闭机的型号为XZ,厂家为：河北新钻公司启闭机厂。
课程设计说明书
课 程 名 称: 水利水电工程钢结构课程计 课 程 代 码: 8203281 题 目: 潜孔式平面钢闸门设计 学 生 姓 名:
学 号: [**************]
年级/专业/班: 2011级水利水电1班 学院(直属系) : 能源与环境学院 指 导 教 师:徐良芳
目 录
1设计资料
2闸门结构的形式及布置 3面板设计
4水平次梁、顶梁和底梁的设计 5主梁设计
6 横隔板设计 7 纵向连接系 8 边梁设计
9 行走支撑设计 10滚轮滑道设计
11 闸门启闭力和吊耳计算
一、设计资料及有关规定
1，闸门形式：潜孔式焊接平面刚闸门。
2，孔的性质：深孔形式。孔口尺寸（宽×高）：10m×8m。上游水位：38m；下游水位：
0.1m；
闸底高程：0m。
3，材料：钢材Q235-A.F
焊条 E43;手工电弧焊；满足Ⅲ级焊缝质量检验标准。 止水：侧止水和顶止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮。 行走支承：滚轮支承。 砼的强度等级：C20。
启闭机械：卷扬式启闭机。 4，规范：《水利水电工程钢闸门设计规范SL1974-2005》。 二，闸门结构的形式及布局。
（一） 闸门尺寸的确定（图一示）
1， 闸门的孔口尺寸：
孔口净跨：10m。 孔口净高：8m。 闸门高度：8.4m。 闸门宽度：10.4m。 计算跨度：10.4m。 荷载跨度：10m
（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。因为闸门跨度为１０．４ｍ，高度为８．４ｍ。所以采用３根主梁，决定采用实腹式组合梁。 ２， 主梁的布局本闸门为高水头的深水闸门，孔口尺寸较大，所以主梁的位置俺上
疏下密布置。设计时按最下面的那根受力最大的主梁来设计，个主梁采用相同尺寸。
３， 梁格的布置及形式
梁格采用复式布置与打等高连接，水平次梁穿过横隔板所支承。水平梁伟连续梁，间距应上疏下密，使整个区格需要的厚度大致相等，布置如图２示。
4，连接系的布置和形式
1、横向连接系：
根据主梁的跨度，决定布置6道横隔板，其间距为1.486m，横隔板兼作竖直次梁。
2、纵向连接系：
设在四个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。
5边梁与行走支承
边梁采用双腹式，行走支承采用滚轮支承。
梁格布局尺寸图
k—四边固定矩形弹性薄板在支承长边中点的弯应力系数，第1和10区格按附录九表3查得，其余区格按附录九表2查得。
p—面板计算区格中心的水压强度（p=γhg=0.0098h N/mm²） γ—水的密度，一般淡水取10KN/㎥ h―区格中心的水头，单位m a、b―面板的短边和长边的长度
根据上表计算，选用面板厚度t=15mm。
2， 面板与梁格的连接计算已知面板厚度t=15mm，并且近似得饿取板中
最大弯应力σmax=[σ]=160N/mm2，则
P=0.07tσmax=0.07×15×160=168（N/mm ）
面板育主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力2550KN，I0=27059202cm4；S＝266×3.6×64.1＝61382㎝³
T＝VS／2I0＝5395.5×61382×100／（27059202×2）=611N/mm
面板与主梁连接的焊缝厚度： hf
=334.3／0.7×113=4.2mm
面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度hf=5mm
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
a上 a下
2
。
∑q＝2639.2kN/m
根据上表计算，水平次梁计算荷载取157.94 kN/m，水平次梁为8跨连续梁，跨度为1.3m（如图3）。水平次梁弯曲时的边跨中弯距为:
M次中＝0.078ql2=0.078х157.94х1.3²=20.8kN∙m
M次支=0.105ql2=0.105х157.94х1.3²=28.0kN∙
m
2.截面选择
W=28.0х1000000／160=175000mm3
考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选［18a,由附录三表四查得： A=2659mm2 ; Wx=141400mm3 ; Ix=12727000mm4 ; b1=68 mm ；d=tw=7mm 。 面板参加次梁工作的有效宽度分别按式7—11及式7—12计算，然后取其中较小值。
式：7—11 B≤b1+60t=68+60Х15=968mm ; 式：7—12 B=ζ1b (对跨间正弯距段) B=ζ2b （对支座负弯距段） 。 梁间距b=（400+445）／2=422.5 mm。
于第一跨中正弯距段l0=0.8l=0.8Х1300=1040mm ;对于支座负弯距段l0=0.4l＝0.4Х1300=520mm 。 根据l0/b查表7—1：
对于l0/b＝1040/422.5＝2.462得ζ1＝0.77，得B=ζ1b＝0.77×422.5＝325㎜
对于l0/b＝520/422.5＝1.231得ζ2＝0.40，得B=ζ2b＝0.40×422.5＝169㎜
对第一跨中选用B＝325mm,水平次梁组合截面面积（图4—1）:
A=2569＋325×16＝7769㎜² 槽钢的高为400㎜
组合截面形心到槽钢中心线得距离：
e=325×16×94／7769=63mm
支座处组合截面的惯性距及截面模量为：
I次B＝12727000＋2569×63²＋325×16×35²＝2920336㎜⁴ Wmin=2929336／149=196600m㎡
对支座段选用B＝169mm，则组合截面面积（图4—2）： A=2569＋169×16＝5273mm²
组合截面形心到槽钢中心线得距离：
e=169×16×94／5273=48mm
支座处组合截面的惯性距及截面模量为：
I次B＝12727000＋2569×48²＋169×16×49²＝25138280㎜⁴ Wmin=186209m㎡
3.水平次梁的强度验算
由于支座B处（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
σ次＝28.0×1000000／135=141.9N/mm≤160N/mm 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=125.17kN∙m,则边跨挠度可近似地按下式计算：
Mlw5ql3
=⨯-次Bl384EI次16EI次
5⨯529.74⨯[1486]3125.17⨯106⨯1486
-
384⨯2.06⨯105⨯[1**********]⨯2.06⨯105⨯423177593w1
=0.004 ＝0.000393≤[]=
l250
故水平次梁选用[18a满足强度和刚度要求。
5、顶梁和底梁
顶梁和底梁也采用[18a.
＝
五、主梁设计
（一)设计资料
1）主梁跨度（图5）：净跨（孔口净宽）l。=10.0m ；计算跨度l＝10.4m ；荷载跨度l₁＝10.0m 。 2）主梁荷载：q=P总/3=（9.81×38×38×0.5-9.81×28×28×0.5）/3=1079.1KN 3) 横向隔板间距：1.300m 。
4）主梁容许挠度： [W]=L/750 。
（二）主梁设计内容包括：①截面选择；②梁高改变；③翼缘焊缝；④腹板加劲肋；⑤面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。 1.截面选择
（1） 弯距和剪力 弯距与剪力计算如下：
弯距： M=1079.1×10×0.5（10.4×0.5-10×0.25）=15647kN∙m 剪力： V=0.5×1079.1×10=5395.5kN
2）需要的截面抵抗距 已知Q235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；
[ W]= M/[σ]=15647×1000/144=108660（cm3）
（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：h
ec
=3.1W=3.1⨯(108660)=320.47cm。
2/5
2/5
hmin
[σσ l0.22⨯144⨯10.4⨯104
=0.22==119.95cm, 7
E[w/l]2.06⨯10⨯﹙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，一般选择梁高比经济梁小10％～20％。根据以上选择腹板高度h0＝260cm 。
(4)腹板厚度选择
tw=h/11=260/11=1.47cm,选用tw＝6.0cm 。
(5)翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为:
A1=
Wth1086606⨯260
-w0=-=158cm2, h062606
下翼缘选用
b=1
A1
t1
=
t1＝2.0cm（符合钢板规格
）
158
=79cm
2
，需要
（在腹板高度的三分之一
到五分之一52—87cm之间）
上翼缘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＝50cm，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为B＝b1+60t＝50＋60×1.5＝140cm
2
上翼缘截面面积A1=50×2.0＋140×1.5＝310 cm
(6)弯应力强度验算。主梁跨中截面（图6—1）的几何特性
∑Ayy'==123.5cm, 截面形心距：
∑A
'
twh036.0⨯26032
截面惯性距：I=+∑Ay=+7295486=16083486cm4,
1212
截面抵抗距：上翼缘顶边 Wmax=
I16083486
==130231cm3, y1123.5
I16083486==113264cm3, y2142
下翼缘底边 Wmin=
弯应力：σ=
Mmax15647⨯100
==13.8kN/cm2
主梁跨中截面的几何特性
（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板高度减小为h0s＝0.6h0＝0.6×260＝156cm（图7—1）。
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，离开支承端的距离为130-10=120cm
twh036.0⨯15632
I=+∑Ay=+2873226=4771434cm4,
1212
y1=
102050
=72.7cm
1404
86.8
=36475cm3, 2
S=158×87.8+86.8⨯6⨯τ=
VmaxS5395.5×36475
==6.9kN/cm2
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。Vmax＝5395.5kN。I0=4771434cm4，
上翼缘对中和轴的面积距：S1=210×71.95＋50×2×70.4＝22149.5cm3 下翼缘对中和轴的面积距：S2=160.5×87.8＝14091.9cm3＜S1 需要hf=
VS15395.5⨯22149.5
==2.6cm, f
1.4I0[τw]1.4⨯4771434⨯11.3
角焊缝最小，hf≥1.5t=1.520=6.7mm。 全梁的上下翼缘焊缝都采用hf＝10mm 。 4. 腹板加劲肋 因
h0260==43.3＜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tw6.0
劲肋，其间距a＝1.3m 。腹板区格划分见图2。
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，直接与主梁相连的面板区格，只有区格10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10按下式验算长边中点的折算应力：
σ=
my
0.5⨯0.385⨯445×4452
=±157.5N/mm, 2
15
2
my
σ=Vσ=±0.3⨯157.5=±47.3N/mm,
mx
面板区格Ⅲ的长边中点的主梁弯距和弯应力
101079.1⨯4.352
M=1079.1⨯⨯4.55-=14340kN⋅m
22M14340⨯1062
σ0x===110N/mm
W130231⨯103
该区格长边中点的折算应力
2
σzh=my+(σmx+σ0x)2-σmy(σmx+σ0x)=157.4＜1.55×160=248N/mm2
﹙上式中σmx,σmy,σox的取值均以拉应力为正，压应力为负﹚ 故面板厚度选用15mm满足强度要求 。
六、横隔板设计
1.荷载和内力计算
横隔板同时兼作竖直次梁，它主要承受水平次梁、顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替，并且把横隔板作为支承在主梁上的双悬臂梁。
如图9示水平次梁为7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=1.143×157.94×1.3＝234.7KN 取q＝q次
1111
M=ql02+Rl0=⨯157.94⨯1.042+⨯234.7⨯1.04=81.55kN⋅m
8484
2.横隔板的截面选择和强度验算
腹板选用与主梁腹板同高，采用2600mmХ60mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mmХ8mm的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式B＝ζ1b确定。b=1300mm，
l0/b=1040/1300=0.8查表得ζ1＝0.32 。B=0.32×1300=416mm，取B＝420mm 。
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： e=
420⨯15⨯1307.5-200⨯8⨯1307.5
=37mm
420⨯15+2600⨯60+200⨯8
截面惯性距：
60⨯26003
I=+2600⨯60⨯372+8⨯200⨯13412
12
+420⨯15⨯12712=101000⨯106mm4Wmin=
验算应力：
I
=75203042mm3 ， 1345
M81.55⨯106
σ===1.08N/mm2
Wmin75203042
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＝10mm 。
七、纵向连接系设计
1.荷载和内力计算
纵向连接系受闸门自重。潜孔式平面滚轮闸门G按下式计算： 由附录十一查得，其中
A—孔口面积，m² K₁－闸门工作性质系数，工作与事故闸门K₁＝1.0
K₂－孔口高宽比修正系数H／B＝1,K₂＝1.0 K₃－水头修正系数 ，Hs＜60m , K₃＝1.0
G=0.073KK2KH0.79A0.93⨯9.8KN
=0.073⨯1.0⨯1.0⨯1.0×380.79⨯1000.93⨯9.8
=916.3kN
下游纵向连接系承受 0.4G=0.4×916.3=366.5KN
纵向连接系是做简支的平面桁架。其桁架腹杆布置如图9点荷载为
366.5
=45.81kN 8
杆件内力计算结果如下图：
2.斜杆截面计算
利用三角形的边长之比与两边的力之比相同的方法计算得
斜杆承受最大拉力N=290.97KN，同时考虑闸门偶然扭曲是可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即λ≤[λ]=200。 选用单角钢∟100×12，表查得： 截面面积A=2280㎜2回转半径iy0=19.5mm
222
0.4×3.3﹚=2.54mu 斜杆计算长度 l0=0.92+1.486+﹙
长细比 λ=验算拉杆强度：
l02540
==130.1＜[λ]＝200 iy019.5
136⨯103
σ==59.6N/mm2＜0.85[σ]=133N/mm2
2280
考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。 八、边梁设计
边梁的截面形式采用双腹式（如图 ），边梁的截面尺按照构造要求确定，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，为了便于安装滚轮，两个下翼缘为用宽度为400mm的扁钢做成。
边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计师将容许应力值降低
15%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两个滚轮。其布置尺寸可见下图
（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。每个主梁作用于边梁的荷载为R=5395.5KN。
（2）竖向荷载。有闸门自重、滚轮摩擦阻力、止水摩阻力、起吊力等。
上滚轮所受的压力R1=4811kN 下滚轮所受的压力R2
=5980kN
最大弯矩 Mmax=1564kN.m 最大剪力 Vmax=4811kN
最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为2000kN（详细计算见后）。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滚轮的摩阻力，该轴向力
N=2000-0.12⨯f=2200-0.12⨯4811=1423kN
2.边梁的强度验算
截面面积 A=1560×60＋2×900×15＝120600mm
15×900＋780×390×60＝28883250mm³ 面积矩 Smax=787.5×
2
截面惯性矩 I=[1**********]0mm4 截面模量 W=
[1**********]0
=136264168mm3
1026
截面边缘最大应力验算:
σ
max
=
NMmax
+=76.5N/mm2＜0.8[σ]=0.8×157＝120N/mm2腹板最大AW
剪应力验算：
τ=
VmaxSmax
=61N/mm2＜0.8[τ]=0.8⨯95=76N/mm2 2Itw
腹板与下翼缘连接处应力验算：
σ=
NMmaxy'+=75.3N/mm2 AWy
τ=
VmaxSi
=22.5N/mm2 2Itw
2
2
2
2
2
2
σ=+3τ=.3+3⨯22.5=84.8N/mm＜0.8[σ]=0.8⨯160=128N/mm
2h
以上的验算满足强度要求。
九．行走支承设计
滚轮计算： 轮子的主要尺寸是轮径D和轮缘宽度b，这些尺寸是根据轮缘与轨道之间的接触应力的强度条件来确定的，对于圆柱形滚轮与平面轨道的接触情况是线接触，其接触应力可按下式计算，其中下滚轮受力最大，其值为5980kN。设滚轮轮缘宽度b=300mm，轮径D＝600mm。
σ
max
.1PlE1.1⨯5980⨯2.06⨯105
=0.418=0.418=51.3N/mm2＜2.5⨯235=587.5N/mm2
bR300⨯300
为了减少滚轮转动时的摩擦阻力，在滚轮的轴孔内还要设滑动轴承，选用钢
对10-1铸铁铝磷青铜。
轴和轴套间压力传递也是接触应力的形式，可按下式验算：
σcg=
1.1Pl
≤σcg db1
[]
取轴的直径d=500mm，轴套的工作长度b1=600mm，
2
滑动轴套容许应σcg=50N/mm
[]
1.1Pl1.1⨯5980⨯103
σcg===21.9N/mm2＜[σcg]=50N/mm2
db1500⨯600
轮轴选用45号优质碳素钢，取轮轴直径d=450mm，其工作长度为b=600mm，对其进行弯曲应力和剪应力验算：
Mmax=782KN∙m
d33.14⨯4503
W===23844375mm3
1212
Mmax782⨯106
σ===32.8N/mm2＜0.8[σ]=0.8×145＝116N/mm2
W23844375
Vmax=Pl=2990KN 2
Vmax2990⨯103τ==18.8N/mm2＜0.8[σ]=0.8×95＝76N/mm2
2= 158962.5
4
轴在轴承板的连接处还应按下式验算轮轴与轴承板之间的紧密接触局部承压应力：σcj=N
dt≤σcj []
轴承板所受的压力N=
取轴承板叠总厚度∑tPl=2990KN =60mm N2990⨯103
22[]σ===110.7N/mm＜0.8σ=0.8×160＝128N/mmcjcj故 d∑t450⨯60
十、滚轮轨道设计
1.确定轨道钢板宽度
轨道钢板宽度按钢板承压强度决定。根据Q235钢的容许承压应力为
[σ]=100N/mm2，则所需要的轨道底板宽度为
Pl5980⨯103q===19933N/mm b300
B=q
σ=19933=199.3mm，取B=220mm 100
故轨道地面压应力：
σ=c19933=90.6N/mm2 220
2.确定轨道底板厚度
轨道底板厚度б按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力：
c2
σ=3σc2≤[σ] t
式中轨道底板的悬臂长度c=40mm，对于Q235由表查得[σ]=100N/mm。 2
故需要轨道底板厚度： t=3σcc2σ3⨯90.6⨯402
==66mm，取值t=70mm。 100
十一．闸门启闭力和吊耳计算
1、启闭力按下式计算：
T启=1.1G+1.2(T+Px Zd+TZs）
其中闸门自重 G=997.5kN
滑道摩阻力：Tzd=fp=0.12⨯70756=8491kN,
止水摩阻力：Tzs=2fbhp=2⨯0.65⨯0.06⨯10.0⨯850.4=530.6kN.
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＝10.0m ，侧止水平均压强：
P=7075.6⨯10.0=850.4kN/m2, 8⨯10.4
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10.4m，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⨯10.4⨯0.016=3.328kN
故闸门启门力：T启=1.1⨯997.5+1.2⨯(8491+850.4)+3.328=12310.3kN.
2.闭门力：T闭＝1.（2Tzd+TzS)-0.9G=1.2⨯(8491+850.4)-0.9⨯997.5=10311.9kN
显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。为此，我考虑采用一个重量3000kN的加载梁，在闭门时可以依次对需要关闭的闸门加载下压关闭。
3.吊轴和吊耳板验算（图11）
图11吊轴和吊耳板
（1） 吊轴
采用Q235号钢，由第二章表2—8查得[τ]=65N/mm2,采用双吊点，每边启吊力为：
P=1.2⨯T启12310.3P7386=1.2⨯=7386kN,吊轴每边剪力：V===3693kN, 2222
V3693⨯103πd2
2==56817mm由A==0.785d2,有： 需吊轴截面积：A=4[τ]65
d≥A56817==269mm,取d＝320mm， 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2—8得Q235得[σcj]=80N/mm,
P7386⨯103
==289mm,固在边梁腹板上端部的两侧各焊一块为∴t=d[σcj]320⨯80
40mm的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为3d＝3Х120＝360mm， R2+Y2
≤0.8[σK] 吊耳孔壁拉应力计算：σk=2R-Y2
P7386⨯103
σcj===71N/mm2，吊耳板直径R=140mm,轴孔半径Y=40mm，由表1td289⨯360
—9查得：[σk]=120N/mm2，故孔壁拉应力：
1402+402
22σk=71.0⨯=83.6N/mm
根据启闭力，可以确定用液压式的启闭机。靠自重是不能关闭闸门的，所以采用双向液压启闭机。启闭机的型号为XZ,厂家为：河北新钻公司启闭机厂。