水利水电工程钢结构课程设计Y--某小型钢闸门设计及小型拦污栅的设计

1、 水利水电钢结构课程设计 课程设计说明书 课 程 名 称 : 水利水电工程钢结构课程设计 课 程 代 码 : 8203281 题 目 : 某小型钢闸门设计 及小型拦污栅的设计 学 生 姓 名 : 学 号 : 年级/专业/班: 学院(直属系): 能 源 与 环 境 学 院 指 导 教 师 : 徐 良 芳 实验总成绩: 水利水电钢闸门设计一、 设计资料：1、 露顶式平面钢闸门设计：闸门形式：露顶式平面钢闸门 孔口尺寸（宽×高）：7.5m×8.0m 上游水位：7.8m 下游水位：0.1m 闸底高程：0m 启闭方式：电动固定式启闭机 材料 钢结构：Q235-A.F； 焊条：E43型

2、； 行走支承：滚轮支承或胶木滑道 止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮 制造条件 金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足级焊缝强度质量检验标准 规范：水利水电工程钢结构闸门设计规范 SL 1974-20052、拦污栅设计： 拦污栅型式：固定式平面拦污栅尺寸（宽×高）：7.5m×8.0m水头：4m二、 闸门结构的型式及布置1闸门尺寸的确定： 上游水面高度7.8，考虑风浪因素闸门应高出0.2m，故闸门高度H=7.8+0.2=8m 闸门净高：8.0m 闸门高度：8.0m 闸门的荷载跨度为两侧止水之间的间距：L=7.5m闸门的计算跨度：L= L0+2d = 7.5+2

3、5;0.2 = 7.9m 2主梁的形式: 本闸门属于小跨度中水头闸门，所以主梁采用实腹式组合梁。 3主梁的布置 因为闸门跨度L小于闸门高度H，所以采用主梁式。根据闸门的高跨比，决定采用3主梁。水面至门底的距离为H，主梁个数为3，设第K根主梁至水面的距离为Yk则根据以下公式求得：露顶式闸门：计算结果及分布如下图所示： 1. 连接系的布置和形式（1）横线连接系，根据主梁的跨度，决定布置3道横隔板，其间距为中央三隔板间距2m，隔板与边梁间距1.95m，横隔板兼做竖直次梁。（2）纵向连接系，设在3个主梁下翼缘的竖平面内，采用实腹式组合梁。6边梁与行走支承边梁采用单腹式，行走支撑采用胶木滑道。三、面板设

4、计根据水利水电工程钢闸门设计规范SL1974-2005，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。1 估算面板厚度假定梁格布置尺寸如例图2所示。面板厚度计算按式：当时，1.5，则当时，1.4，则现列例表1计算如下：例表1 面板厚度的估算区格(mm)(mm)N/mm2 (mm)136520001.460.4390.0070.0555540.4590.0210.0988.65124520001.600.4680.0340.12610.68103520001.930.4940.0470.15210.7279520002.

5、510.5000.05770.1709.1959520003.360.5000.0660.1827.6263020003.170.5000.07390.1928.53 根据上表的计算，选用面板厚度=11mm 2 面板与梁格的连接计算已知面板厚度t=11mm ,并且近似地取板中最大弯应力,则面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：面板与主梁连接的焊缝厚度：面板与梁格连接焊缝厚度取其最小厚度：。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，即现列例表2计算如下：例表2

6、 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（kN/mm2）梁间距（m）（m）(kN/m)1（顶梁）1.552.891.552（水平次梁）13.721.47520.581.403（主梁）27.441.37537.731354（水平次梁）40.671.2550.831.155（主梁）53.901.02555.250.906（水平次梁）60.760.8048.610.707（主梁）68.600.7551.450.808（底梁）75.950.4030.38根据上表计算，水平次梁计算荷载取55.25kN/m，水平次梁为4跨连续梁，跨度为2m1.95m(例图3），水平次梁弯曲时的边跨弯距为

7、: 支座B处的负弯矩为q = 297.72KN/m2 截面选择考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选18a,由附录三表4查得：；。面板参加次梁工作的有效宽度分别按式711及式712计算，然后取其中较小值。 式：7-11 式：7-12 (对跨间正弯距段) （对支座负弯距段）按5号梁间距对于第一跨中正弯距段l0=0.8l=0.8×1950=1560mm ；对于支座负弯距段l0=0.4l0.4×1950780mm 。根据l0/b查表71： 对于l0/b1560/11501.36 得10.529，得B=1b0.529×1150608mm , 对于l0/b780/9000.

8、87 得20.348，得B=2b0.348×900313mm ,对第一跨中选用B608mm,则水平次梁组合截面面积（例图4）:A=2569+608×11=9257(mm2 ）；组合截面形心到槽钢中心线得距离： ；跨中组合截面的惯性距及截面模量为：对支座段选用B313mm，则组合截面面积：A=2569+313×11=6012mm2 ；组合截面形心到槽钢中心线得距离：支座初组合截面的惯性距及截面模量为： 3.水平次梁的强度验算由于支座B处（例图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，即说明水平次梁选用18a满足要求。 轧成梁的剪应力一般很小，

9、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，则边跨挠度可近似地按下式计算： 故水平次梁选用18a满足强度和刚度要求。五、主梁设计（一） 设计资料（1）主梁跨度(例图5)：净跨（孔口净宽）；计算跨度；荷载跨度；（2）主梁荷载：；（3）横向隔板间距： 2m；（4）主梁容许挠度： 。（二）主梁设计1.截面选择（1）弯距和剪力。弯距与剪力计算如下： 弯距： 剪力： （2）需要的截面抵抗距 已知Q235A.F钢的容许应力，考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力 则需要的截面抵抗模量为:(3）腹板高度选择。按刚度要求的最小

10、梁高（变截面梁）为：经济梁高： 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。现选用腹板厚度h090cm 。(4)腹板厚度选择。按经验公式计算：，选用(5)翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为:下翼缘选用t12.0cm（符合钢板规格）需要，取b130cm（在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t12.0cm，b114cm，面板兼作主梁上翼缘的有效宽度为:Bb1+6014+60×0.862cm 上翼缘截面面积:A1=14×2.0+62×1.1=96.2cm² (6)弯应力强度验算。

11、主梁跨中截面（例图6）的几何特性见例表3。截面形心距：截面惯性距：截面抵抗距：上翼缘顶边 下翼缘底边 弯应力：安全例表3 主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸（cm×cm）截面面积A(cm2)各型心离面板表面距离y（cm）Ay（cm3）各型心离中和轴距离y=y- y1(cm)Ay2(cm4)面板部分62×1.1 68.20.5537.5-40.35110900上翼缘14×2.028.02.158.8-38.842000腹板90×1.090.048.143297.24670下翼缘30×2.060.094.1564653.2170000合计246.2

12、10071327570（7）因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体稳定性，又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。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200-10=190cm考虑到主梁端部腹板及翼缘相焊接，故可按工字截面梁验算应力剪力强度。主梁支承端面的几何特性见例表4。例表4 主梁端部截面的几何特性部位截面尺寸（cm×cm）截面面积A(cm2)各型心离面板表面距离y（cm）Ay（cm3）各型心离中和轴距离y=y-y1(cm)

13、Ay2(cm4)面板部分621.168.20.5537.5-24.2540106上翼缘142.0282.158.8-22.714428腹板541.05430.11625.45.31517下翼缘302.06058.1348633.366533合计210.25208122584截面形心矩： 截面惯性矩： 截面下半部对中和轴的面积矩：剪应力（安全）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。VmaxkN。I0=135706cm4，上翼缘对中和轴的面积距：S1=68.2×24.25+28×22.7=2289cm3，下翼缘对中和轴的面积距：S2=60×33.31

14、998cm3<S1,需要角焊缝最小厚度，角焊缝最大厚度，全梁的上、下翼缘焊缝都采用。4.加劲肋验算加劲肋的布置：因为h0/tw=90/1.0=90>80, 故需设置横向加劲肋,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向加劲肋，其间距a=200cm。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，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格4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4（例图2）按式7-4验算其长边中点的折算应力。取面板区格验算其长边点的折算应力 面板区格的长边中点的主梁弯距和弯应力该区格长边中点的折算应力 上式中、和的

15、取值均以拉应力为正号，压应力为负号。故面板厚度选用11mm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，它的主要承受顶梁、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（下游水头太小0.2m忽略不计，见例图1），并且把隔板作为支承在主梁上的多悬臂梁，则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为：2.横隔板和截面选择和强度验算腹板选用与主梁腹板同高，采用900×8mm，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公式按式B2b确定。查表得20.63 ，B=0.63×2000=1

16、260mm，取B1300mm 。计算如例图9所示截面几何特性。截面型心到腹板中心线距离： 截面惯性距：截面模量： ，验算应力： 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。七、纵向连接系设计1、载荷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按附录十一式（附11-1）计算： 下游纵向连接系承受0.4G=0.4×118.9=47.56(kN）纵向连接系视作简支的平面桁架腹杆布置如例图10所示：其结点荷载为杆件内力计算结果如例图10所示。斜杆承受最大拉力N=25.83kN,同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故细长比的限值应与压杆相同，即&

17、lt;=200。选用单角钢L100×8，由附录三表2查的：截面面积A=15.6cm²=1560mm²回转半径斜杆计算长度：长细比 验算拉杆强度 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单腹式，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，下翼缘宽度不宜小于300mm 。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。 图八 边梁截面和边梁计算图（单位：） 1 荷载和内力计算 在闸门每侧边梁上各设置

18、三个胶木滑块，其布置见上图八。 （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，每个边梁作用于边梁荷载为R372.8kN（2）竖向荷载有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，起吊力等。 每个滑块所受压力： 最大弯矩： 最大剪力： 最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为300kN。在最大弯矩作用截上的轴向力，等于起吊力减去滑块的摩擦力，该轴向力为： 2 边梁的强度计算 截面面积： 面积矩： 惯性矩： 截面模量： 截面边缘最大应力验算： 腹板最大剪应力验算： 腹板与下翼缘连接处折算应力验算： ， 均满足强度要求。九、行走

19、支承设计胶木滑块计算：下滑块受力最大，其值为R611.4kN，设滑块长度为400mm，则滑块单位长度承受压力查表得轨顶弧面半径R=150mm，轨头设计宽度为b35mm，胶木滑块与规顶弧面的接触应力验算：。 选定胶木高30，宽120，长400。十、胶木滑块轨道设计1 确定轨道底板宽度轨道底板宽度按混凝土压强度确定，根据C20混凝土由附表十查得混凝土的容许承压应力为，则所需要的轨道底板宽度为： 取 故轨道底面压应力：2、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：轨道底板悬臂长度C102.5mm，对于Q235查表得100N/mm2 ，故所需轨道底板厚度：，取厚度t50mm

20、 图九 胶木滑块支承轨道截面（单位：）十一、闸门启闭力和吊座计算1. 启门力按式计算 其中闸门自重 G=118.9KN滑道摩阻力 止水摩阻力 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=7.8m侧止水平均压强 p=38.2KN/故 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7.9m，根据SL74-95修订稿：启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20KN/计算，则下吸力：故闸门的启门力： 2. 闭门力按式（7-24）计算： 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300kN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，如图：（1）吊轴。由于