水工钢闸门设计(课程设计)

露顶式平面钢闸门设计

一、设计资料

闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门； 孔口净宽：12.00m； 设计水头：6.00m； 结构材料：Q235； 焊条：E43；

止水橡皮：侧止水用P形橡皮，底止水用条形橡皮； 行走支撑：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2； 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（图 设-1）

闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m，故闸门高度=6+0.2=6.2（m）； 闸门的何在跨度为两侧止水的间距：L1=12m； 闸门的计算跨度：L=L0+2d=12+2×0.2=12.40 (m)。

2、主梁的形式

主梁的形式应根据水头和跨度大小而定，本闸门属中等跨度，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

根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。为使两个主梁在设计水位时所受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线

__y=H/3=2.0m(图 设-1)，并要求下悬臂a0.12H和a0.4m、上悬臂

c0.45H，今取

a0.7m0.12H0.72(m)

主梁间距： 2b2(ya)2(20.7)2.6(m)

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则 cH2ba62.60.72.7(m)0.45H（满足要求） 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预留孔并被横隔板所支撑。水平次梁为连续梁，其间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置的具体尺寸详见 图 设-2 5、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3道横隔板，其间距为3.1m，横隔板兼作竖直次梁。

（2）纵向连接系，设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。 6.边梁与行走支承

边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。

三、面板设计

根据SL 74—95《水利水电工程钢闸门设计规范》修订送审稿，关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁界面选择之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 设-2所示。面板厚度可按下式计算：

takp

0.9[]当b/a≤3时，1.5，则takp0.068akp

0.91.5160kp0.070akp

0.91.4160当b/a＞3时，1.4，则ta现列 表-1计算如下：

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表-1 面板厚度的估算

a (mm) 1650

面板b都与梁接焊主梁

区格 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ b (mm) 3090 b/a 1.87 k 0.656 P (N/mm2) 0.007 kp 0.068 t (mm) 7.63 990 3090 3.13 0.500 0.021 0.102 7.07 840 3090 3.68 0.500 0.031 0.125 7.35 注：1.变长a、从面板格的连缝算起，上翼缘

770 3090 4.01 0.500 0.040 0.142 7.65 670 3090 4.61 0.500 0.048 0.155 7.26 510 3090 6.06 0.750 0.055 0.203 7.25 宽度为180mm（详见于后）

2.区格Ⅰ、Ⅵ中系数k有三边定一边简支板查得。

根据上表计算，选用面板厚度t=8mm。

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续梁，作用在它们上面的水压力可按下式计算：

qpa上a下 2列表-2进行计算 梁轴线处· 水压强度 （kN/m2） 1（顶梁） 2 3（主梁） 4 5 6（下主梁） 7（底梁） 15.4 26.5 35.8 44.0 51.9 57.8 梁间距 （m） a上a下2 1.425 1.040 0.5 0.825 0.705 0.400 qpa上a下23.68 备注 1.72 1.13 0.95 0.84 0.81 0.60 顶梁荷载的计算 1.7515.41.57233.68 R11.7221.95 27.56 32.04 36.30 36.59 23.12 有表-2计算后得

q181.24KN/m

水平次梁的计算荷载取36.30KN/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度为3.1m（图 设-3）。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为

M次中0.077ql20.07736.33.1226.9(KNm)

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支座B出的负弯矩为

M次B0.107ql20.10736.33.1237.32(KNm)

图 设-3 水平次梁计算简图和弯矩图

2、截面选择

M37.32106W233250(mm3)

[]160考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选［22a，由槽钢表查得

A=3184mm2 Wx=217600mm3 Ix=23939000mm4 b1=77mm d=7mm

面板参加次梁工作的有效宽度可由公式Bb12c及Bb计算，然后取其中的较小值。

Bb160t77608557(mm) B1b（对跨间正弯矩段） B2b（对支座负弯矩段）

按5号量计算，设两间距bb1b2840810825(mm)。确定上式中面板22的有效宽度系数时，需要知道梁弯矩零点之间的距离l0与梁间距b之比值。对于第一跨中正弯矩取l00.8l0.831002480(mm)，对于支座负弯矩段取

l00.4l0.431001240(mm)。根据l0/b查面板有效宽度系数表：

对于l0/b=2480/825=3.006，得1=0.84，则B=0.84×825=693（mm） 对于l0/b=1240/825=1.503，得2=0.42，则B=0.42×825=347（mm） 对第一跨中选用B=557mm，则水平次梁组合界面面积（图 设-4）为

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A3184557870(mm2)

组合截面形心到槽钢中心线距离为

5578114e66(mm)

70跨中组合截面的惯性矩及截面模量为

I次中2393900031846625578482

48075128（mm4)

48075128273154(mm3)

176对支座段选用B=347mm，则组合截面面积： Wmin A318483475960(mm2)

组合截面形心到槽钢中心线距离：

3478114e53(mm)

5960支座处组合截面的惯性矩及截面模量：

I次B239390003184532347861243212352(mm4)

Wmin43212352265106(mm3)

1633、水平次梁的强度验算

由于支座B(图 设-3)处弯矩最大，而截面模量较小故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即

M次B37.32106次140.7(N/mm2)[]160N/mm2

Wmin265106说明水平次梁选择［22a满足要求

扎成梁的剪应力很小，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=37.32KN·m，则边跨挠度可近似计算：

Ml5ql3次Bl384EI次16EI次3536.3（3.1103）37.321063.1103 553842.061048075128162.06104807512810.000692[]0.004l250 故水平次梁选用［22a满足强度要求和刚度要求。

5、顶梁和底梁

顶梁所受的荷载较小，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［22a。

底梁也采用［22a。

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五、主梁设计

（一）设计资料

（1）主梁跨度（图 设-5）：净跨（孔口宽度）L0=12m，计算跨度L=12.4m，

荷载跨度L1=12m；

（2）主梁荷载：q88.2kN/m； （3）横向隔板间距：3.1m； （4）主梁容许挠度[]L/600.。

（二）主梁设计

主梁设计内容包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板局部稳定验算；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。弯矩与剪力计算如下：

88.21212.412Mmax()1693(kN/m)

224ql1Vmax188.212529(kN)

22

（2）需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力[]160kN/mm2，考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力为[]0.9160144kN/mm2，则需要的截面模量为

WMmax169310011757(cm3) []1440.1（3）腹板高度的选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为

hmin[]L14410212.41020.960.230.960.23114.8(cm) 7E[/L]2.0610(1/600) 经济梁高 hec3.1W2/53.1117572/5131.67(cm)

由于钢闸门中的横行隔板重量将随主梁的增高而增加，故主梁高度宜选得比

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hec小，但是不小于hmin，现选用腹板高度h0=120cm。

（4）腹板厚度的选择。按经验公式计算twh/11120/111.00(cm)，选用tw1.00cm。

（5）翼缘截面的选择。每个翼缘需要的截面为

A1Wtwh0117571.012078(cm2) h061206下翼缘选用 t1=2.0cm （符合钢板规格） 需要b1A178/2.039cm ，选用b140cm（在h/2.5~h/5=48~24cm之间）。 t1上翼缘的部分截面可以利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用t1=2.0cm，b1=18.0cm。

面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为

Bb16018600.866(cm)

上翼缘截面面积

A1182.0660.888.8(cm2)

（6）弯应力强度验算。主梁跨中截面（图 设-6）的几何特性见表-3。 截面形心距：

y1Ay'1752660.7(cm) A2截面惯性矩：

3twh01.012032IAy635936 1212779936(cm4)截面模量： 上翼缘顶边 WmaxI77993612849(cm3) y160.7 下翼缘底边 WminI77993612849(cm3) y2.1 弯应力：

Mmax169310013.9(kN/cm2)0.91614.4(kN/cm2)（安全） Wmin12167--完整版学习资料分享----

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表-3

主梁跨中截面的几何特性

截面尺寸 截面面积 (cm) 2各形心离面板 表面的距离y’(cm) Ay’ (cm) 3各形心离中和轴的 距离y=y’-y1 Ay2 部位 （cm×cm） 面板部分 (cm) 466×0.8 18×2.0 120×1.0 40×2.0 52.8 36.0 120.0 80.0 2 0.4 1.8 62.8 123.8 12.12 .8 7536 9904 17526 -60.3 -58.9 2.1 63.1 191986 1242 529 318529 635936 上翼缘板 腹 板 下 翼 缘 合 计 （7）整体稳定性与挠度验算。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。 2、截面改变

因主梁的跨度较大，为减小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小为h0s0.6h00.612072(cm)（图 设-7）。

梁高开始改变的位置取在邻近支承段的横向隔板下翼缘的外侧（图 设-8），离开支承端的距离为310-10=300cm。 剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，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见表-4.

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部位 截面尺寸 （cm×cm） 截面面积 (cm) 2各形心离面板 表面的距离y’(cm) Ay’ (cm) 3各形心离中和轴的 距离y=y’-y1 Ay2 (cm) 4面板部分 66×0.8 18×2.0 72×1.0 40×2.0 52.8 36.0 72.0 80.0 240.8 0.4 1.8 62.8 123.8 12.12 .8 2794 60 34.5 -36.6 -35.2 1.8 38.8 70729 44605 233.3 120435 236002 上翼缘板 腹 板 下 翼 缘 合 计 截面形心距： y134.537(cm) 240.81723236002267106(cm4) 截面惯性矩：I012截面下半部对中和轴的面积矩：

S8038.337.81.0剪应力：

37.83818(cm3) 2VmaxS52938187.56(kN/cm2)[]9.5kN/cm2（安全） I0tw2671061.03、翼缘焊缝

翼缘焊缝的厚度应按受力最大的支承端截面计算。最大剪力

Vmax529kN，截面惯性矩I0267106cm4。

上翼缘对中和轴的面积矩：S152.836.23635.23178.6(cm3) 下翼缘对中和轴的面积矩：S280*38.83104(cm3)S1 需要 hfVS15293178.60.398(cm)

1.4I0[w]1.426710611.3f角焊缝最小厚度 hf1.5t1.5206.7(mm) 全梁上、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

h012012080，故需要设置横向加劲肋，tw1.0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=310cm。腹板区格划分见图 设-8。

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梁高与弯矩都较大的区格Ⅱ可按式(2)()2c1验算： crcrc.cr 区格Ⅱ左边及右边截面的剪力分别为

VⅡ左52988.2(63.1)273(kN)；VⅡ右0

区格Ⅱ截面的平均剪应力为

（VⅡ左VⅡ右）/2273/21.14(kN/cm2)11.4N/mm2

h0tw1201.0区格Ⅱ左边及右边截面上的弯矩分别为

2MⅡ左5293.188.263.1）/21269（kN/m）

MⅡ右Mmax1693kN/m

区格Ⅱ的平均弯矩为

MⅡ126916931481(kNm) 2区格Ⅱ的平均弯应力为

MⅡy014815911062Ⅱ122.2(N/mm) 4I77993610 计算cr

bh0/twfy120/1.010.680.85

177235177cr[]160N/mm2

计算cr，由于区格长短边之比为3.1/1.0>1.0,故

sh0/tw415.344(h0/a)2fy235120/1.0415.344(120/310)211.2

则cr[10.59(s0.8)][][10.59(1.20.8)]9572.58(N/mm2)

c0

由以上数据得

122.2211.42()()0.580.020.601.00（满足局部要求） 16072.58故在横隔板之间（区格Ⅱ）不必增设横向加劲肋。 再从剪力最大的区格Ⅰ来考虑：

1该区格的腹板平均高度为h0(12072)96(cm)

2--完整版学习资料分享----

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由于区格Ⅰ的梁高减小，故也不需要设加劲肋。 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的应力较大，所以选取区格Ⅳ（图 设-2）验算其长边中点的折算应力。

面板区格Ⅳ在长边的中点的局部弯曲应力：

mykpa20.50.0477022185(N/mm2) 2t8mxmy0.318556(N/mm2)

对应于区格Ⅳ在长边中点的主梁弯矩（图 设-5）和弯应力：

88.24.452M88.264.651587(kNm)

20xM1587106123.6(N/mm2) 6W12.8410面板区格Ⅳ的长边中点的折算应力

2zhmy(mx0x)2my(mx0x)1852(56123.6)2186(56123.6)226.6(N/mm2)[]1.5160240(N/mm2)

上式中my、mx和0x的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。 故面板的厚度选用8mm，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（图 设-1），并且把横隔板作为支承在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为

2.726.52.73.1023

99.8(kNm)M2、横隔板截面选择和强度计算

其腹板选用与主梁腹板同高，采用1200mm×8mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm×8mm的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度按B2b确定，其中

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b=3100mm，按

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l0227001.74，从“面板的有效宽度系数表”差得20.46，则B=0.46b3100×3100=1437（mm），取B=1300mm。

计算如图 设-9所示的截面几何特性。 截面形心到腹板中心线的距离：

130086042008604e246(mm)

13008200812008截面惯矩：

812003I812002462820085028130035824215104(mm4)12截面模量：

Wmin42151044940222(mm3)

854验算弯应力

M83.7110620.2(N/mm2)[]

Wmin4940222 由于横隔板截面的高度较大，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、纵向连接系的设计

1、荷载和内力计算

纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶自重G按下式计算：

GKzKcKgH1.43B0.889.80.811.00.136.01.43120.889.8119.1(kN)

下游纵向连接系承受 0.4G0.4119.147.6(kN)

纵向连接系视作简支梁的平面桁架，其桁架俯瞰布置如图 设-10所示：

47.611.91(kM) 4杆件内力计算结果如图 设-10所示。

2、斜杆截面的计算

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斜杆承受最大拉力N27.77kN，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受的压力，故长细比的值应与压杆相同，即[]200。 选用单角钢L100×8，由查表得： 截面面积 A=15.6cm2=1560mm2 回转半径 iy01.98cm19.8mm

斜杆计算长度l00.92.623.120.423.66(m)

l03.66103 长细比 168.2[]200

iy019.8 验算拉杆强度：

27.7710317.8(N/mm2)0.85[]133N/mm2

1560 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。 3、斜杆与结点板的连接计算

参照有关规范，在此不予详表。

八、边梁设计

边梁的截面形式采用单腹式（图 设-11），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，下翼缘宽度不易小于300mm

边梁是扎满的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力值降低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两个胶木滑块。其布置尺寸见图 设-12。

（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，可假定这些荷载有主梁传个边梁。每个主梁作用于边梁的荷载为R=529kN。

（2）竖向荷载。有闸门自重、滑到摩阻力、止水摩阻力、起吊力等。

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上滑块所受的压力 R15292.6417(kN) 3.3下滑块所受的压力 R210584171(kN) 最大弯矩 Mmax4170.7291.8(kN/m) 最大剪力 VmaxR1417(kN)

最大轴向里为作用在一个边梁上的起吊力，估计为200kN(详见于后)。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力N200R1f2004170.12149.96(kN)。

2、边梁的强度验算

截面面积 A7201023001415600(mm2)

面积矩 Smax143003671036018021400(mm3)

10720323001436721442427600(mm4) 截面惯性矩 I1214424276003856758(mm3)

374截面边缘最大应力验算：

截面模量 WNMmax149.96103298.2106max9.677.3 AW15600385675886.9(N/mm2)0.8[]0.8157126(N/mm2)腹板最大剪应力验算：

VmaxSmax41710321400Itw144242760010(N/mm2)0.8[]0.89576(N/mm2)腹板与下翼缘连接处折算应力验算：

NMmaxy'3609.677.384.0(N/mm2) AWy374VmaxSi4171033001436745.5(N/mm2)

Itw1442427600102h2328423452114.6(N/mm)0.8[]0.8160128(N/mm)22

以上验算均满足强度要求。

九、行走支承设计

胶木滑块计算：滑块位置如图 设-12所示，下滑块受力最大，其值为

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R2632kN。设滑块长度为350mm，则滑块单位长度的承压力为

632103q1805(N/mm)

350根据上述q值由表-2查得轨顶弧面半径R=150mm，轨头设计宽度为b=35mm。 胶木滑道与轨道顶弧面的接触应力按下式进行验算：

max104q1805104R150

361(N/mm2)[j]500N/mm2选定胶木高30mm，宽120mm，长350mm。

十、胶木滑块轨道设计（图 设-13）

1、确定轨道底板宽度

轨道底板宽度按混凝土承压强度决定。根据C20混凝土由轴套材料及混凝土承压容许应力表查得混凝土的容许承压应力为[h]100N/mm2，则所需要的轨道底板宽度为

Bhqh1805257(mm)，取 7Bh280mm

故轨道底面压应力：

h18056.4(N/mm2) 2802、确定轨道底板厚度

轨道底板厚度按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力：

c23h2[]

t式中轨道底板的悬臂长度c=122.5mm，对于Q235由机械应力容许应力表查得

[]100N/mm2。

故所需轨道底板厚度：

3hc236.4122.52t53.7(mm)，取t=55mm

[]100十一、闸门启闭力和吊座计算

1、启门力按下式计算

T启1.1G1.（2TzdTzs）Px

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其中闸门自重 G=119.1kN

滑道摩阻力 TzdfP0.122118255(kN) 止水摩阻力Tzs2fbHp

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

每边侧止水受水压长度H6.0m

侧止水平均压强

p29.4kN/m2

故 Tzs20.650.06629.413.8(kN)

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12.4m。根据SL 74—95修订稿：启门时闸门底缘平均下吸力强度一般按20kN/m2计算,则下吸力：

Px2012.40.0164.0(kN)

故闸门的启门力：

T启1.1119.11.2（25513.8）4.0458（kN）

2、闭门力按下式计算

T闭1.（2TzdTzs）0.9G1.2(25513.8)0.9119.1215.4(kN)

显然仅靠闸门自重是不能关闭闸

门的。由于该溢洪道闸门孔口较多，若把闸门行走支承改为滚轮，则边梁需由单腹式改为双腹式，加上增设滚轮等设备，则总造价增加较多。为此，宜考虑采用一个重量为200kN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。加载梁的设计参看有关规范，在此不予详表。 3.吊轴和吊耳板验算（图 设-14） （1）吊轴。采用Q235钢，由机械应

力容许应力表查得[]65N/mm2，采用双吊点，每边起吊力为

P1.2T启4581.2274.（8kN） 22吊轴每边剪力 VP274.8137.4(kN) 22V137.41032114(mm2) 需要吊轴截面积 A[]65--完整版学习资料分享----

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又 Ad240.785d2 A0.785211451.9(mm)，取d80mm 0.785故吊轴直径 d（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，且采用Q235钢，由机械应力容许应力表查得[cj]80N/mm2，故

274.8103t43(mm) （取吊耳的厚度为45mm） d[cj]8080p因此在边梁腹板上端部的两侧各焊一块厚度为20mm的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为3d380240(mm)。

吊耳孔壁拉应力按下式计算：

R2r2kcj220.8[k]

Rrp274.810376.3(N/mm2)，吊耳板半径R=120mm，轴孔半径式中cjtd4580r=40mm，由机械应力容许应力表查得[k]120N/mm2，所以孔壁拉应力：

120240222k76.395.3(N/mm)0.812096(N/mm) 2212040故满足要求。

注：本设计未尽事项，均参照钢闸门设计有关规范进行施工

2009-1-1

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