水工钢结构课程设计

1、水工钢结构课程设计题目：露顶式平面钢闸门设计专业：水利水电工程姓名：班级：学号：指导老师：二。年 月日2.2设计资料闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门；孔口净宽：0.00m；设计水头：4.40m；结构材料：q244钢；焊条：e44;止水橡皮：侧止水用p形橡皮；行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为 mcs-2;混凝土强度等级：c20o2.2闸门结构的形式及布置图闸门主要尺寸图（单位；m）（2）闸门尺寸的确定（图2）2）闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m,故闸门高度 =4.4+0.2=4.7m；2）闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：l1=9m；4）闸门计算跨度：l = l0 + 2d =9 +

2、 2m0.2 = 9.40m ;（2）主梁的形式。主梁的形式应根据水头的大小和跨度大小而定，本闸门属 于中等跨度，为了方便制造和维护，决定采用实腹式组合梁。（4）主梁的布置。根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。为使两个主梁设计 本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 = 1.83m （图2）并要求下悬臂a0.22h和a>0.4m、上悬臂c00.44h 且不大于4.6m,今取a =0.65 : 0.12 h = 0.66m主梁间距2b =2(y-a) = 2.35m贝 uc = h 2ba =5.5 2.35 0.65 =2.5 % 0.45h (满足

3、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，使面横向隔板206523650边梁i水平次梁顶梁1胶木滑块n主梁1rm1w水平次梁1v主梁vi底梁50860760730550123502350235023509400500 0 i图2,梁格布置尺寸图(4)连接系的布置和形式。2)横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置 4道横隔板，具间距为2.44m, 横隔板兼做竖直梁。2)纵向连接系，设在两个主梁下翼缘的竖直平面内，采用斜杠式桁架(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。2.4面板设计

4、根据钢闸门设计规范(sl 74-04 )及2006修订送审稿，关于面板的计 算，先估算面板厚度，在主梁截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。t -akp: 0.9： t 1wjt = 0.068a kp 则 t = 0.07a kp(2)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区格a(mm)b(mm)b/ak2p(n/ mm )jkpt(mm)i244024402.420.4720.00660.0626.44n02024402.4410.4000.0204r 0.0086.241m77024404.040.4000.02870.2206.46iv60

5、024404.400.4000.04670.2446.44v62024404.8410.4000.04400.2486.441vi48024404.880.7400.04020.2046.42面板厚度的估算当 b/a04 时，ct=2.4, 当 b/a>4 时，u=2.4, 现列表2进行计算。表2注2 面板边长a、b都从面板与梁格的连接焊缝算起。2 区格i、vi中系数k由三边固定一边简支板查得。根据表2计算，选用面板厚度t=8mm(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 横向拉力 p按下式计算，已知t=8mm,并且近似地取板中最大弯曲应力二 max = &qu

6、ot;=160n /mm，则p = 0.07t；max = 0.07 8 160 =89，6n/mm面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为vs 333450 580 8 263t =191n/mm2 02 1064960000面板与主梁连接的焊缝厚度为22w22hf =vp +t /(0.7i f) = v89.6 +191 /(0.7父115) = 2.62mm面板与梁格连接焊缝取其最小厚度 hf = 6mm.。2.4 水平次梁、顶梁和底梁的设计(2)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平压力1.45 14.2 1.45q = p, 且 r=

7、21.63 =3.11kn/m列表2计算后得'、. q =240.22kn/m+4.22kn/m=242.42kn/m表2 水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算梁号梁轴线处水压力强度p（kn/mrri）梁间距（ma上+ a下2(m)a上+a下 q=p2(kn/m)2（顶梁）2.60224.22.42428.822.044 （上主梁）24.40.04424.400.86442.00.82026.640.76440.40.74440.200.746 （下主 梁）47.40.64040.400.447 （底 梁）42.00.47420.84根据上表计算，水平次梁计算荷载取 40.20kn/m,

8、水平次梁为4跨连续梁， 跨度为2.44m （图4）,水平次梁弯曲时的边跨弯距为： m次中= 0.077ql 2=0.077 x 40.2 x 2.44 2=22.8kn?m支座b处的弯距：m次b= 0.207ql 2=0.207 x 40.2 x 2.44 2=27.8kn?m(2)截面选择. mw=口17.8 1064-111250mm160考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选24b,由附录6.4表查得:4 ,面板参加水平次梁工作后的组合截面a=2242mm w x=87200m4ni x=6000000m4n b=60mm ; d=8mm 。面板参加次梁工作的有效宽度分别按式下式计算，然

9、后取其中较小值。b< bt+2c =60 + 608 = 540mmb= （2b （对跨中正弯距段）b= （ 2b（对支座负弯距段）。梁间距b=b11b2 = 760 +730 = 745mm 0对于第一跨中正弯距段22l 0=0.81= 0.8 x2440=2880mm 对于支座负弯距段 l 0=0.41 =0.4 x 2440= 040mm。 根据l 0/b查表62:对于 1 jb =2880/744 = 2.424 得1 2 = 0.78 ,得 b=1 2b = 482mm ,对于 1 0/b =040/744 = 2.262 得（2=0.464 ,得 b=（ 2b = 272mm

10、 ,对第一跨中选用b= 440mm则水平次梁组合截面面积（图 4）: _2a=2242+440k 8=6442mrn组合截面形心到槽钢中心线得距离：=40mm ;540 8 74 e=6451跨中组合截面的惯性距及截面模量为：i 次中=6000000+2242x 402+440x 8 x 242 = 24004820m4nwmin=139058201202二 115882 mm107对支座段选用b= 272mm则组合截面面积：a=2242+272k 8=4200mm； 组合截面形心到槽钢中心线得距离：e=271 8 744299=47mm支座初组合截面的惯性距及截面模量为：i 次 b= 600

11、0000+2242x 472+272x 8 x 472 = 22074442m4nwmin =119753312=111919mm(4)水平次梁的强度验算由于支座b处(图4)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17.8 1062 一 ，2er 次=159n / mm <ct = 160n / mm ,111919说明水平次梁选用24b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，最大挠度发生在边跨，由于水平次梁在b支座处截面的弯距已经求得m次b=27.8kn?m,则边跨挠度可近似地按下式计 算：u = 5 父

12、 ql3 _ m 次b1 l -384 ei次 -16ei次5 30.1 235031 7.8 1 06 2 3 50=-_ 5 _ _ 5 384 2.06 10 13905820 16 2.06 1013905820=0.000860 u = =0.004 l 250故水平次梁选用24b满足强度和刚度要求。(4)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, 必须加强顶梁的刚度，所以也采用24b 02.4主梁设计(2)设计资料2)主梁跨度：净跨(孔口7宽)l0 = 0m ;计算跨度l = 0.4m ;荷载跨度l10m o2) 主梁荷载：q = p/2=74.1kn4)横向隔

13、板间距：2.44m 。4)主梁容许挠度：u=l/600 。(2)主梁设计。2)截面选择弯距和剪力弯距与剪力计算如下：、74 1 9 9 4 9弯距：mmax =741(丝-m) =817kn m224剪力：vmax=业 =74.1 9 =333.45kn需要的截面模量 自重引起附加应力的影响， 面模量为；na/_m max817 106vw= 已知q244钢的容许应力(t =260n/mm2，考虑钢闸门取容许应力«= 0.9x160 = 144n/mm2,则需要的截=5674cm3。二144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 =3.1w2/5 =3.1

14、(5674)2/5 = 98.38cm。l l144 9.4 104hmin = 0.96 0.23 = 0.96 0.237 = 87.05cm,eu/l2.06 10 1/600由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增加，故主梁高度直选得比 hec为小，但不小于hmin。现选用腹板厚度 = 005。腹板厚度选择tw =<h/11 =<90/11 = 0.86cm,选用 tw= 2.0cm 。翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为八 wtw%a =-h06905674 1 90248.04cm ,，需要匕=a1 = 24.0cm,取 b2 = 24cm,卜翼缘选用12 = 2.0cm

15、 (符合钢板规格)t1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b= b2+606 =20+60xt2= 2.0cm, b2=20cm，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为 0.8 = 48cm。上翼缘截面面积 a=20x 2.0+48 x0.8=66.4cm2。弯应力强度验算 ' ay 9046.56截面形 j l> 距： y = = = 43.8cm,'、a 206.4截面惯tt距：i 二也 a ay2 = 1.0 90249117 = 309867cm4,1212截面模量：上翼缘顶边 wmin =- = 309867 = 7074.59cm3,

16、y143.8下翼缘底边 wmin =，= 3°9867 _ 6075.8cm3, y251弯应力：a =mmx =817"00 =13.446kn /cm2 < 0.9父 16 = 14.4kn /cm2,安全 wmin6075.8表4主梁跨中截面的几何性质部位截面 尺寸(cm xcm截面面积a(cm2)各型 心离间板 表面距离 y' (cm)ay' (cm4)各型 心离中和 轴距离y=y'-y 2(cm)ay2 (cm4)面 板部分48x0.846.40.428.46-44.4874707.28上 翼缘20x 2.0202.846-42442

17、80腹 板00 x 2.000.047.8440242440下24 x 2.04004.8460040224000翼缘合 计206.40046.46240227整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体稳定性，因梁高大于按刚度度要求的最小梁高，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 h0 =0.64=54cm。（图6）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（图7）,离开支承端的距离为244-20=224cmb图6,主梁支承端截面剪切强度验算：考虑到主梁端部腹板及翼缘相焊接

18、， 故可按工字截面梁验算应力剪力强度。尺寸表4所示:表4主梁端部截面的几何性质部位截面 尺寸（cm xcm截面面积a（cm2）各型 心离间板 表面距离 y' （cm）ay' (cm4)各型 心离中和 轴距离y=y'-y 2（cm）ay2 (cm4)面 板部分48x0.846.40.428.46-26.442004.426上 翼缘20x 2.020.02.846-24.022400.2腹 板44 x 2.044.020.82600.24.2428.04下 翼缘24 x 2.040.047.8280042.248460.4合 计270.44444.760447431 544

19、10 = 93374 = 106496 cmy1 = 26.7cm1230.1qs =50 31.1 30.1 1 =2008cm3, 2vmaxs 333.45 2008t =10tw106496 1.0= 6.29kn /cm2 <t =9.5kn / cm2,因误差未超过 20%,安全4）翼缘焊缝翼缘焊缝厚度hf接受力最大的支承端截面计算。vmax= 444.44kn。 i 0=206406cmi,上翼缘对中和轴的面积距：&=46.4 x 26.4+20 x24.0=2728.42cm4,下翼缘对中和轴的面积距：&=40x 42.2 =2444cn4<s,33

20、3.45 1718.321.4i0w1.4 106496 11.5=0.334cm,角焊缝最小，hf >1.5<t =1.520 =6.7mm0全梁的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 皿=毁=90>80,故 tw 1.0需设置横向加劲肋，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 横加劲肋，其间距a = 244cm 0腹板区格划分见图7。区格n左边及右边截面的剪力分别为vn左=333.45-74.1 父（9/2-2.35）=174.135kn ；y右=0；区格n截面的平均剪应力为2-42= 0.967kn/cm2

21、=9.67n/mm290 1v n 左 4v 口右）/2（174.135 +0）/2区格n左边及右边截面上的弯矩分别为mn左2= 333.45 2.35-74.1 （ . 一 . ）=612.34kn .m,，m 口 右=m max = 817kn.m区格n的平均弯矩为m n=（m 口右+m 口左）/2=714.67kn.m区格ii的平均弯曲应力为=mry0 =94.56n/mm2计算二cr cr_h0/twf-0.508 , 0.85 235b 177ct crlt t60n/mm2计算ecr，由于区格长短边之比为 2.44/0.0=2.6>2,则h0/twi41.5.34 4（h。a

22、）='工±=0.9因为 0.8<0.0<2.22 - 235所以七 =10.59（九0.8）% = 89.4n/mm2灯 =0crsc故（旦）2 +（）2 +三上 94.56）2 +（115）2 + 0 =0.366 <1（这里无局部压应力）二 crcr 二 c.cr 收 89.4满足稳定性要求，故在横隔板之间（区格r）不必增设横向加劲肋。再从剪力最大的区格i来考虑：该区格的腹板平均高度 h0 =（90 +54）/2 = 72cm,用h0/tw = 72 <80,故不必验 算。所以在梁高减小的区格i内也不必另设横向加劲肋。4）面板的局部弯曲与主梁整体弯

23、曲的折算应力的验算。从上述的面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，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应力也较大，所以选取区格iv （图2）取验算其长边点的折算应力mymx.2 _ 2_ kpa 0.5 0.03665 6902t2t82=口二-何=40.89n/mm ,=136.3n/mm2,对应于面板区格iv在长边中点的主梁弯距和弯应力274.1 3.5252m =74.1 4.5 3.525 = 765.8kn m,2m 765.8 1062二0x =108.25n/mm ,w 7074590该区格长边中点的折算应力二 zh 二/：温.(二 mx : 0x)2 -二

24、my(二 mx 二 0x).136.32 (136.3 108.25)2 -136.3(40.89 108.25) =240.9n/mm2 ：二 1.1 二=246.4n /mm2上式中拉应力为正号压应力为负号。故面板厚度选用8mmf足强度要求2.6横隔板设计（2）荷载和内力计算。横隔板同时兼做竖直次梁，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，计算式可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替（图2）,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负弯矩为1q2.47m = - 2.47 1 03 0.0098 2.47 2.35 =57.84k

25、n m23（2）横隔板和截面选择和强度验算。其腹板选用与主梁腹板同高，采用 000x8mm上翼缘利用面板，下翼缘采用200mme8mmi勺扁钢，上翼缘可利用面板的 宽度公式按式 b= "b 确定。l0/b = 2m2470/2350= 2.1,查表得（2=0.44 ,b=0.44>2440=2246mm取b= 2200mm。计算如图8所示截面几何特性。截面形心到腹板中心线的距离:1200 8 900 8 200 81200 8 454 - 200 8 454e 二二207mm截面惯性距： 38900222i = 8 900 1972 8 200 6512 8 1200 2572

26、12-4= 2077576800 mm截面模量为验算应力：i3wmin =3171873 mm ,655m 57.84 1 062218.24n /mm :二 , = 160n/mmwmin3171873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。2.7纵向连接系设计(2)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-1.430.88g=kzkckgh b 9.81.430.88= 0.81x1.0x0.135 5 乂10 w9.8 = 89.6kn下游纵向连接系承受 0.4g=44.84kn0所示，其节点荷纵向连接系视

27、作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如图载为 44.84/4=8.06kn桁架内力计算结果如图0所示。_(2)斜杠截面计算。斜杠承受最大拉力n= (27.02-4.48 ) m&=20kn,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ij-200选用单角钢匚200x8,由附表6.4查得回转半径 i y截面面积 a=2460 mm2,= 19.8mm0斜杠计算长度l0 =0.9乂、；2.352 +2.352 m 0.42 = 3m长细比=-l0 = 下主梁作用力r2 , i 333.45kn 7272.24kn 图11边梁计算图 (2)荷载和内力计算在闸门每侧边梁上

28、各设 2个胶木滑块，具布置如图22: 2)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= 444.44kn 2)竖向荷载。有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，启吊力等。 1000 =151.5 i - 200v。 19.83验算拉杆强度为二- =i上滑块所受压力： =12.2n/mm2 ：二 0.85i - 133n/mm215602.边梁设计上主梁作用力333.45kn56 o53 2+-v边梁的截面形式采用单腹式，如图 20,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

29、，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 400mm。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。3004r1261.2kn4图10边梁截面图ri =333.45 2.353= 261.2kn ,下滑块所受压力:r2 =2r-r1 =4057kn , 最大弯矩mmax =261.2 0.65 =169.78kn m,最大剪力vmax =261.2kn,最大轴向力作用于一个边梁上的启吊力，估计为200kn (详细计算简后面)。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于启吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力为n

30、 =200-rf =200-261.2父 0.12 =168.66kn ,截面面积 面积矩 截面惯性矩(2)边梁强度验算a =2 300 14 540 10 = 13800mm2, smax =14 300 277 10 270 135 = 1527900mm3,310 540324 2 300 14 2772 = 775743600 mm4,12截面模量i3w =2731491.55mm 。 284截面边缘最大应力验算：n<i +maxammax 168.66 10313800169.78 10622 =74.4n/mm ：二0.8二= 0.8 160 = 128n/mm 273149

31、1.55腹板最大剪应力验算:vmaxsmaz一itw261.2 103 152790022 =51.45n / mm2 二 0.8= 0.8 95 = 76n / mm2, i 10腹板与下翼缘连接处则算应力验算：7 _ n mmax 1168.66 10313800169.78 106 270 一 271.3n/mm , 2731491.55 284vmaxsitw261.2 103 300 14 27710i2= 39.2n/mm2,=：71.32 3 39.22 =98.4n/mm2 ；0.8 .=0.8 160 =128n/mm2以上验算均满足强度要求r2 = 404.7kn。3- =

32、1248n / mm,2.0行走支承设计胶木滑块计算：滑块位置如图22下滑块受力最大，起值为 ,405 7 10设滑块长度为424mm则滑块单位长度承受压力为q = 325由表查得轨顶弧面半径 r=240mm轨头设计宽度为b = 44mmi胶木滑块与规 定弧面的接触应力验算：二 max=104佛=300n / mm2叵j = 500n /mm2。选定胶木高40mm宽220mm长424mm2.20胶木滑块轨道设计(图 22)(2)确定轨道底板宽度。rbzr弋0r=150-82.5 35 82.5bk= 200图12胶木滑块支承轨道截面图轨道底板宽度按碎承压强度确定，查表得：碎c20允许承压应力为(r=7n/mm2 ,则所需轨道底板宽度为：bn =-q-=1248 = 178.29mm.取 bh二 n7=200mm故轨道底面压应力：12482；入=6.24n/mm200(2)确定轨道底版厚度轨道底板厚度6按其弯曲强度确定，轨道底版的最大弯应力：2；二3二n卜十轨道底板悬臂长度 o 82.4mm对于a4查表得b=200n/mm2 ,人2人 -人 - 23二nc3 6.24 82.5故：t = j=个=35.7mm ,故 t =40mm。,二.1002.22闸门启闭力和吊座验算(2)启门力：t启=2.2g+2.2(t2d+t2s)+px