水工钢结构课程设计露顶式闸门大

1、 课 程 设 计 说 明 书课程设计说明书 课 程 名 称: 水工钢结构课程设计 课 程 代 码: 题 目: 露顶式闸门（大） 学 生 姓 名: 学 号: 年级/专业/班: 学院(直属系) : 能源与动力工程学院 指 导 教 师: 目录1设计资料- 3 -2闸门结构的形式及布置- 3 -2.1闸门尺寸的确定- 3 -2.2主梁的形式- 4 -2.3主梁的布置- 4 -2.4梁格的布置和形式- 4 -2.5连接系的布置和形式- 4 -2.6边梁与行走支承- 5 -3面板设计- 5 -3.1估算面板厚度- 5 -3.2面板与梁格的连接计算- 6 -4水平次梁，顶梁和底梁的设计- 6 -4.1荷载与

2、内力计算- 6 -4.2截面选择- 8 -4.3水平次梁的强度验算- 9 -4.4水平次梁的挠度验算- 9 -4.5顶梁和底梁- 10 -5主梁设计- 10 -5.1设计资料- 10 -5.2主梁设计- 10 -6横隔板设计- 14 -6.1荷载和内力计算- 14 -6.2横隔板截面选择和强度计算- 14 -7纵向连接设计- 15 -7.1荷载和内力的计算- 15 -7.2斜杆截面计算- 16 -8边梁设计- 16 -8.1荷载和内力的计算- 16 -8.2边梁的强度验算- 17 -9行走支承设计- 18 -10滚轮轨道的设计- 18 -10.1确定轨道底板厚度- 18 -10.2确定轨道底板

3、的厚度- 19 -10.3轨道底板混凝体承压应力：- 19 -10.4轨道局部承压应力：- 19 -11闸门启闭力和吊座计算- 20 -11.1启门力计算- 20 -11.2闭门力计算- 20 -11.3吊轴和吊耳板- 20 -1设计资料闸门形式：单孔露顶式平面钢闸门孔口净宽：12.00mm上游水位：9.80m 下游水位：0m启闭方式：液压式启闭机结构材料：平炉热轧碳素钢q235 焊条：e43止水橡皮：侧止水用p型橡皮，底止水用条形橡皮。行走支承：滚轮支承混凝土强度等级：c202闸门结构的形式及布置2.1闸门尺寸的确定闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m，故闸门高度=9.8+0.2=1

4、0.0m；闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：l1=12.0m；闸门的计算跨度：l=l0+2d=12+20.2=12.40用autocad画出图形如下图 1 闸门主要尺寸图（单位 m）2.2主梁的形式主梁的形式根据水头合跨度大小而定，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。2.3主梁的布置根据闸门的高跨比，决定采用5根主梁。根据公式。则可算的y1=2.98m y2 =5.45m y3 = 7.06m y4=8.35m y5=9.48m2.4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承。水平次梁为连续梁，其间应上疏下密，使面板各区格所需

5、要的厚度大致相等，梁布置的具体尺寸详见图2。图2 梁格布置尺寸图2.5连接系的布置和形式横向联接系：根据主梁的跨度决定布置四道隔板，其间距2.48m ，横隔板兼作竖直次梁。纵向联接系：设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。2.6边梁与行走支承边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。3面板设计3.1估算面板厚度假定梁格布置如图2所示。面板厚度按下式计算：当b/a3时， =1.5，则0.068a当b/a3时，=1.4，则0.07a列表计算，如表1表1 面板厚度的计算区格a(mm)b(mm)b/akp(n/mm2)t(mm)128521701.691.4780.0070.0605.216142

6、521701.521.4570.0220.1009.732130021701.670.4760.0360.13111.565110021701.970.4940.0480.15411.52776021702.860.5000.0580.1708.76578021702.780.5000.0650.1819.59464021703.390.5000.0730.1918.54458021703.740.5000.0790.1998.07361221703.550.5000.0850.2068.83945021704.820.5000.0910.2136.71142121705.150.7500.0

7、960.2687.900根究上表计算，选用面板厚度t=12mm3.2面板与梁格的连接计算面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力p=0.007tmax，已知面板厚度t=12mm，并且近似地取板中最大弯应力max=160n/mm2，则p=0.007tmax=0.0712160=134.4(n/mm)面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为计算面板与主梁连接的焊缝厚度：面板与梁格连接焊缝最小厚度 hf=6mm4水平次梁，顶梁和底梁的设计4.1荷载与内力计算水平次梁和顶底梁都是支承在隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力按 现列表计算如表格2：表2 水平次梁、顶梁共和底梁的计算梁号梁轴线处的水

8、压强度p(kn/m2)梁间距（m）备注1（顶梁）3.321.47214.911.4721.841.463（主梁）29.231.4241.371.37442.671.2452.701.105(主梁)53.460.9751.590.83661.610.8149.590.787（主梁）69.260.7551.590.71876.220.6549.160.589（主梁）81.910.6351.160.681088.580.5750.050.4511（主梁）93.000.4945.100.5212（底梁）98.100.4544.15根据上表计算，水平次梁计算荷载取52.7kn/m， 水平次梁为五跨连续梁

9、，跨度为2.48m。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为m次中=0.080ql2=0.08052.72.482=21.92(knm)支座b处的负弯矩为m次b=0.107ql2=0.10752.72.482=29.31（knm）图 4 水平次梁计算简图和弯矩图4.2截面选择考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选18a由附录三查表4 得：a=2569mm2；wx=141400mm2；ix=1272700mm4;b=68mm;d=7mm.面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取最小值。bb1+60t=68+6012=788mm（对胯间正弯矩段）（对支座负弯矩段）按4号梁计算，设梁间距确定上式中面板的有效宽

10、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段取l0=0.8l=0.82480=1948（mm），对于支座负弯矩段取l0=0.4l=0.42480=992（mm）根据l0/b查表7-1：根据l0/b查表得对于l0/b=1948/1123.5=1.73得=0.61，b=0.611123.5=689.4(mm)对于l0/b=912/1123.5=0.88，得=0.25，则b=0.251123.5=281(mm)对于第一跨中弯矩选用b=660mm，作图（图3）则水平次梁组合截面面积：组合截面形心到槽钢中心线的距离：跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：对支座段选用b=3

11、85mm.则组合截面面积：组合截面形心到槽钢中心线的距离：图 3面板参加水平次梁工作后的截面（单位 mm）支座处组合截面的惯性矩及截面模量：4.3水平次梁的强度验算由于支座处b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：说明水平次梁选用槽钢18a满足要求。扎成梁的剪应力一般很小，可不必验算。4.4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则边跨挠度可近似地按下式计算：故水平次梁选用槽18a满足强度和刚度要求。4.5顶梁和底梁顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度，所以也采用槽钢18a,底

12、梁也采用槽钢18a。5主梁设计5.1设计资料1) 主梁跨度净宽l0=12.00m;计算跨度l=12.4m；荷载跨度l1=12m. 2) 主梁荷载q=98.1kn/m.3) 横向隔间距：2.48m。4) 主梁容许挠度： 5.2主梁设计2-1 截面选择 弯矩与剪力 弯矩与剪力计算如下： 图 4 平面钢闸门的主梁位置和计算简图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=0.9160=144n/mm2,则需要的截面抵抗矩为 腹板高度选择按刚度要求的最小梁高（变截面梁）：对于变截面梁的经济梁高现选用腹板高度h0=110cm腹板厚度选择。按经验公

13、式计算：选用 tw=1cm翼缘截面选择 :每个翼缘需要截面为：下翼缘选用 t1=2.0cm（符合钢板规格）需要选用b1=45cm（在h/2.5h/5=4824之间）上翼缘的部分截面可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用t1=2.0cm，b1=16cm。面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为：上翼缘的截面面积1) 弯应力强度验算 主梁跨中截面（见图5)的几何特性如表3： 图 5 主梁跨中截面（单位mm）表3 主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸 (cmcm)各形心离面板距离y，(cm2)ay，(cm3)各形心离中合轴距离y=y，-y1(cm)ay2(cm4)面板部分641.276.846.

14、1-51.8123462.4上翼缘板162.03283.2-49.8206024.6腹板1201.012064025.82181.9下翼缘板422.084932458.6320597.8合计302.815855.3652266.7截面形心矩：y1=ay1/a=15855.28/302.8=52.36(cm)截面惯性矩：i=h。/12+ay=1120/12+652266.7=796266.7（cm4）截面模量：上翼缘顶边: wmin=i/y1=796266.7/52.36=15207.5(cm3)下翼缘底边：wmin=i/y2=796266.7/62.84=12671.3(cm3)弯应力： =m

15、max/wmin=1883.52100/12671.3=14.1(kn/cm2)0.916=14.4(kn/cm2)(安全)2) 整体稳定性与挠度验算因主梁上翼缘直接同钢板相连，按规范规定可不必验算整体稳定性。又因梁高大于刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。2-2 截面改变因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度，有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小梁高开始改变的位置取在临近支承段的横向隔板下翼缘的外侧，离开支承段的距离为248-10=238cm见图6和图7图 6 主梁支撑端截面（单位mm）图 7 主梁两边截面位置图（单位mm）剪切强度验算：考虑到主梁段部的腹板及翼缘部分分别同支承边梁

16、的腹板及翼缘相焊接，故可按工字钢截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何特性如下表。以及变截面后的尺寸。表4 主梁端部截面的几何特性部位截面尺寸 (cmcm)a(cm2)y，(cm)y=y，-y1(cm)ay2(cm4)面板部分641.276.80.646.08-31.877629上翼缘板162321.651.2-30.830343腹板7217236.22389.23.8946下翼缘板4228470.25896.837.8120067合计258.8 8383.3228985截面形心距：截面惯性矩： i。=172/12+228985=260089(cm4)截面下半部中和轴的面积矩：s=8437

17、.8+36.8136.8/2=3852(cm)剪应力：t=vmaxs/i。=588.63852/2600891=8.7(kn/cm)=9.5(kn/cm)安全2-3 翼缘焊缝翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。最大剪力 588.6kn 截面惯性矩上翼缘对中和轴的面积矩 s1=76.831.7+3230.1=3398（cm3）下翼缘对中和轴的面积矩 s2=8437.8=3175.2（cm）s1需要角焊缝最小厚度全梁的上下翼缘焊缝都采用8mm6横隔板设计6.1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

18、形分布的水压力来代替（如书上例图7-1），并且把横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬臂的最大弯矩为m=2.9829.23/22.482.98/3=98.64 knm6.2横隔板截面选择和强度计算其腹板选用和主梁同高度，采用1200mm8mm，上翼缘利用面板，上翼缘采用200mm8mm的扁钢。上翼缘可利用面板宽度按确定，其中b=2480mm,按/b= 22980/2480=2.4，从表查得有效宽度系数=0.57，则b=0.572480=1413.6mm,取b=1400mm。截面形心到腹板中心线的距离：e=（14008556-2008554）/（14008+2008+12008）=

19、238.4mm截面惯性矩=812003/12+81200238.4+8200853.5+81400256.5=360002104截面模量=360002/853.5=4217950验算弯应力=m/=98.64/4217950=23.8n/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6mm。 图 8 横隔板截面（单位mm）7纵向连接设计7.1荷载和内力的计算纵向连接系承受闸门自重，其中下游纵向连接系承受0.4g=0.4422.1=168.84kn纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如图9所示，其结点荷载为图 9 纵向连接系计算图（单位mm）7.2斜杆截面计算

20、斜杆承受的最大压力为240kn，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即200。选用单角钢l11010，由附录三表2查得：截面面积 a=21.3=2130回转半径 =2.17cm=21.7mm斜杆计算长度 长细比 =/=3.16/21.7=145.6=200验算拉杆强度 =240/2130=112.70.85=133 n/考虑到单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行计算。8边梁设计由于为大孔口，行走支承采用滚轮式，这里采用的双实腹组合边梁见图10，边梁的截面尺寸按构造要求确定，即梁高720mm，下翼缘用两个180mm20mm的扁钢做成。腹板厚度20mm，边梁

21、是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，做设计时将容许应力值降低20%作为 受扭影响的安全储备。8.1荷载和内力的计算滚轮采用等荷载布置，在每个边梁上分别布置5个大小相等的主论。每个主轮位于主梁后面。每个主轮受力为1080kn。具体计算根据结构力学求解器解得：最大弯矩 mmax=900kn/m 最大剪力vmax=731kn图 10 边梁截面（单位：mm）图11 弯矩图 剪力图最大轴向力作用在边梁上的一个起吊力，估为350kn。在最大弯矩作用截面上轴向力为：n=350-7310.1=227kn8.2边梁的强度验算截面面积a=60020+720202+180220=48000mm2面积矩smax=

22、20600340+720203602+180203402=16896000mm3截面惯性矩 i=2837400000mm4截面模量w=2837400000/360=7881667mm截面边界最大应力验算腹板最大应力验算腹板与下翼缘连接处折算应力验算以上验算均满足强度要求9行走支承设计采用滑动式滚轮支承，轴孔采用滑动轴承，轮径d=400mm,宽度b=100mm,轮轴直径d=120mm,轴套工作长度b1=200mm，；轮子材料用普通碳素铸钢滚轮验算圆柱形滚轮与平面轨道接触应力： 轴和轴套间接触应力：轮轴与轴承板间局部承压应力以上计算均满足强度要求10滚轮轨道的设计滚轮荷载r=731kn,混凝土为c25，其h=9n/mm2.轨道材料35mn2，轨道选i56c，由附录三表4得：wx=251400mm3；ix=714300000mm4;b=170mm；tw=16.5mm； h=560mm1