水工钢结构课程设计露顶式平面钢闸门设计

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1闸门主要尺寸图（单位：m）iz I（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 L02d 9 2

2、0.2 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 a>0.22H和a>0.4m、上悬臂c<0.44H 且不大于4.6m,今取a 0.65 0.12H0.66m主梁间距2b 2(y a) 2.35mWJ c H 2b a 5.5 2.35 0.65 2.5 0.45H (满足要求)(4)梁格的布置和形式。梁格

3、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，使面丁2050边梁1I水平次梁顶梁I650胶木滑块n主梁11尸m2350w水平次梁11V主梁VI底梁650 q235011235023502350r -一9400横向隔板图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面板设计根据钢闸门设计规范(SL 74-04 )及200

4、6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。(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当b/a<4时,当b/a >4时,=2.4 ,=2.4 ,kp ,0.9 则t 则t0.068a kp0.07a kp面板厚度的估算现列表2进行计算。表2区格a(mm)b(mm)b/ak2、p(N/ mm )商t(mm)I244024402.420.4720.00660.0626.44R020:244012.4410.4000.02040.0086.241m77024404.040.4000.02870.

5、2206.46IV60024404.400.4000.04670.2446.44V6202440 4.8410.4000.04400.2486.441VI48024404.880.7400.04020.2046.42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2max160N/mm ,则P 0.07t max 0.07 8 160 89.6N/mm面板与主梁连接焊缝方

6、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22W222.62mmhf P T /(0.7 f)89.6 191 40.7 115)面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf 6mm.o2.4 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 1.45qpaa-,且 R 23 3.11KN /m2R11.6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

7、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,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

8、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= 17.8 1061604111250 mm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:图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，然后取其中较小值。B< bt 2c 60 60 8 540mmB= （2b （对跨中正弯距段）B= （ 2b（对支座负弯距段）。bi b2 760 730梁间距 b=- 7

9、45mm 。2210=0.8 l= 0.8 X 2440=2880mm对于支座负弯距段根据l Jb查表6-2:对于 10/b = 2880/744 = 2.424 得（2= 0.78对于 10/b = 040/744 = 2.262 得工 2 = 0.464对于第一跨中正弯距段10=0.41 = 0.4 X 2440= 040mm。,得 B=1 2b=482mm ,得 B=1 2b=272mm ,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=6442m2n组合截面形心到槽钢中心线得距离：540 8 74 e=6451=40mm ;跨中组合截面的惯

10、性距及截面模量为：I 次中=6000000+2242X 402+440X 8 X 242 = 24004820m4nXfl/ 139058202Wmin= 115882 mm1202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= 6000000+2242X 472+272X 8 X 472 = 22074442m4n119753312107Wmin= 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，

11、故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即次159N / mm2 160N / mm2,111919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5384ql3M 次 b117.8 106 2350-Z 75 16 2.06 1013905820EI次16EI次5 30.1 23503一_ _ _75 384 2.06 10 13905820=0.00086 < U 0.004 l 250故水平次梁选用24b满足

12、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L1=0m2)4)主梁荷载：q 横向隔板间距:4)主梁容许挠度:(2)主梁设计。2)截面选择弯距和剪力p/2 74.1kN2.44m 。U=L/600。弯距与剪力计算如下:弯距：Mmax剪力：Vmax74.1 9(9.42' 2ql174.1 99-)817kN m4333.45kN需要的截面模量 自重引起附加应力的影响， 面模量为；Mmax 817 10

13、6VW=144腹板高度选择已知Q244钢的容许应力(T =260N/mm2，考虑钢闸门 取容许应力山=0.9 160 144N/mm2,则需要的截35674cm。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 (5674)2/5 98.38cm。L144 9.4 10，hmin 0.96 0.230.96 0.23787.05cm,EU/l2.06 107 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hmino现选用腹板厚度 = 005。腹板厚度选择tw Vh/11 V90/11 0.86cm,选用 tw= 2.

14、0cm。翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为W他h0 V5674 1 9090648.04cm2,下翼缘选用12 = 2.0cm (符合钢板规格)，需要b, A 24.0cm,取b? = 24cm, 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t2= 2.0cm, b2=20cm 面板兼作主梁上翼缘的有效高度为B= bz+606 = 20+60X0.8 = 48cm。上翼缘截面面积 A=20X 2.0+48 X0.8=66.4cm2。弯应力强度验算截面形心距：y,A嘿46 43.85,249117 309867 cm4,7074.59cm3,6075.8cm3,截面惯性

15、距：I 他3Ay21.0 .1212截面模量：I 309867上真缘顶边Wmin y143.8I 309867下真缘底边Wminy251、 一M 817 100cc弯应力：一 800 13.446kN/cm2 0.9 16 14.4kN /cm2,安全Wmin6075.8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 2.0202.846-4244280腹 板00 X

16、2.000.047.8440242440下24 X 2.04004.8460040224000主梁跨中截面的几何性质表4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h； 0.6h0 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=224cni剪切强度验算：考虑到主梁端部腹板及翼缘相焊接， 故可按工字截

17、面梁验算图匕主梁支承端截面应力剪力强度。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 Xcrnj)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270.44444.7604474,1

18、 54 4“I0 93374 106496cmy1 26.7cm1230.13S 50 31.1 30.1 1 2008cm ,2VmaxS 333.45 2008I 0tw106496 1.0 26.29kN /cm 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。.410=206406cm,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： S=40X 42.2 =2444cn4<S,需要 hf333.45 0.334c

19、m,1.4Io W1.4 106496 11.5角焊缝最小，hf 1.5，t 1.5 v 20 6.7mm。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 皿竺 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V 左 333.45-74.1 (9/2 2.35) 174.135KN ；V 右 0;区格H截面的平均剪应力为(V 左 V 右)/2(174.135 0)/2h0tw90 1区格n左边及右边截面上的弯矩

20、分别为M 左 333.45 2.35 74.1区格n的平均弯矩为一 一 2 (4.5 2.35)22- 420.967KN /cm2 9.67N /mm2612.34KN m,，M 右 M max817KN.mM （M 右 M 左）/2 714.67KN.m区格11的平均弯曲应力为1而计算b计算s所以cr啜 w 0.508 0.852160N/mm crcr ,由于区格长短边之比为2.44/0.0=2.6>2,则h0/twfy41 5.34 4(h0 a)2 2350.9 因为 0.8<0.0<2.2cr1 0.59( s 0.8)89.4N /mm2故()2 ( )2-(9

21、4.56crcrc.cr160)2满足稳定性要求，故在横隔板之间 再从剪力最大的区格I来考虑： 该区格的腹板平均高度存（90（U5）2 0 0.366 1（这里无局部压应力） 89.4（区格H）不必增设横向加劲肋。54)/2 72cm,因年/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mymx2 2kpa 0.5 0.03665 690t2&#

22、39;- 282 my 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M 74.14.5 3.525274.1 3.525 765.8kN m,765.8 1060x W7074590-一2108.25N/mm ,该区格长边中点的折算应力zhmy ( mx 0x)my( mx 0x)136.32 (136.3 108.25)2 136.3(40.89 108.25) 240.9N /mm2 1.1 246.4N/mm2上式中拉应力为正号压应力为负号。故面板厚度选用8mm两足强度要求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

23、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_132.47M 2.47 1 03 0.0098 2.47 2.35 57.84kN 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200mmz8mmi勺扁钢，上翼缘可利用面板的 宽度公式按式B= 2b确定。l/b 2 2470 / 2350 2.1,查表得（2= 0.44 ,B=0.44>2440=2246mm取B= 220

24、0mm。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 8 454 200 8 454e 1200 8 900 8 200 8截面模量为验算应力：二207mm截面惯性距：38 900222I 8 900 1972 8 200 6512 8 1200 257212 -42077576800mm3Wmin 3171873mm , 655Mwmn57.84 106317187318.24N /mm2 , 160N/mm2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。

25、露顶式平面钢闸门门叶自 重-1.430.88G kzKckgHB9.81.430.880.81 1.0 0.13 5 5109.8 89.6KN下游纵向连接系承受 0.4G=44.84KN纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如图0所示，其节点荷 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 ) & =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200选用单角钢匚200X8,由附表6.4查得截面面积 A=2460 mm2, 回转半径 i 19.8mm1 y 03

26、m斜杠计算长度l0 0.92.352 2.352 0.42长细比-L0- 3 1000 151.5200y019.83验算拉杆强度为 19 1012.2N/mm2 0.85133N/mm215602.8边梁设计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，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。R1上主梁作用力333.45KN55 O53 2261.2kN4图10边梁截面图下主梁作用力3

27、33.45KN72.24KN图11边梁计算图(2)荷载和内力计算在闸门每侧边梁上各设 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= 444.44kN2)竖向荷载。有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，启吊力等。上滑块所受压力：2.35261.2kN ,c 333.45R13下滑块所受压力：R2 2R R1 405.7kN , 最大弯矩Mmax 261.20.65 169.78kN m,最大剪力Vmax261.2kN,最大轴向力作用于一个边梁上的启吊力，估计

28、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 200 Rf 200 261.2 0.12 168.66kN(2)边梁强度验算截面面积A 2 300 14 540 10 13800mm2,面积矩Smax 14 300 277 10 270 135 1527900mm3,截面惯性矩 _ 310 540324I 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 Mmax 168.66 103169.78 106maxA W 138002731491.55

29、74.4N/mm2 0.80.8 1602128N / mm腹板最大剪应力验算：Vmax Smaz261.2 103 1527900ItwI 10251.45N/mm2一一一一 一一20.8 0.8 95 76N/mm2,腹板与下翼缘连接处则算应力验算：N Mmax y 168.66 103 169.78 106 270 maxA W y 13800小吊 261.2 103 300 14Itw1oi2731491.55 284277 一 239.2N /mm ,271.3N/mm2,2h 2 3 271.32 3 39.2298.4N/mm2 0.8 0.8 160128N/mm2o以上验算均

30、满足强度要求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 R2 =404.7kN。405 7 103设滑块长度为424mm则滑块单位长度承受压力为q1248N/mm,325由表查得轨顶弧面半径 R=240mm轨头设计宽度为b = 44mm胶木滑块与规 定弧面的接触应力验算：max 104J-q 300N / mm2 j 500N / mm2 0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 Bhn7=200mm故轨道底面压应力:124820026.24N/mm(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:23 n 轨道底板悬臂长度 C= 82.4mm对于A4查表得b=200N/mm2 , 小 33 nc23 6.24 82.52故：t J J 35.7mm, 故 t =40mm。.1002.22闸门启闭力和吊座验算(2)启门力：T启=2.2G+2.2(T2d+Fs)+PxG=80.6KN滑道摩阻力