钢结构课程设计

1、 水利水电工程钢结构课程设计钢结构课程设计说明书专业/班级: 水利水电工程 课程代码: 16009699 学生姓名: 学号: 学院: 能源与动力工程学院 指导教师: 目录一、设计资料及有关规定··································

2、···········1二、闸门结构的形式及布置·····································

3、;······2三、面板设计··········································

4、3;············5四、水平次梁、顶梁和底梁地设计···································

5、··6五、主梁设计···············································

6、;········10六、横隔板设计········································&#

7、183;············17七、纵向连接系····································

8、;················18八、边梁设计································

9、83;·····················20九、行走支承设计···························

10、;·······················22十、 轨道设计·························&#

11、183;···························22十一、止水布置方式····················

12、83;··························· 23十二、埋固构件 ····················

13、3;·······························23十三、闸门启闭力·················

14、································· 23十四、吊耳板强度验算· ·············

15、3;······························24十五、 闸门启闭机械 ·················

16、83;··························· 24一、设计资料 1、闸门形式：露顶式平面钢闸门； 2、孔口尺寸（宽*高）：11m*10m； 3、上游水位：9.8m； 4、下游水位：0m； 5、闸底高程：0m； 6、启闭方式：液压式启闭机； 7、

17、材料 钢结构：Q235-A.F；焊条：E43型；行走支承：滚轮支承； 止水橡皮：侧止水用p型橡皮，底止水用条形橡皮； 8、制造条件 金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足III级焊缝质量检验标准 9、规范：水利水电工程闸门设计规范SL 1974-2005二、闸门结构的形式及布置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0.2米，故闸门设计高度=9.8+0.2=10m；闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=11m；闸门计算跨度：L=L0+2d=11+2*0.2=11.4m2.主梁的形式主梁的形式应根据水头和跨度大小而定，本闸门属于中等跨度，为了便于制造和维

18、护，决定采用实腹式组合梁。3.主梁的布置根据闸门的宽高比，决定采用五主梁式。为使主梁在设计水位时所受水压力相等，根据公式计算每一根主梁距水面的距离，K及第K根主梁位置。（K=1,2,3,4,5） y1=2.98m y2=5.45m y3=7.06m y4=8.35m y5=9.48m 图1 闸门尺寸图（单位：m）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，其间距应上疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁格的布置具体尺寸见图。图2 梁格布置尺寸图（单位：mm）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4

19、道横隔板，其间距为2.28m，横隔板兼做竖直次梁。（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。(图详见后)6.边梁与行走支承。 边梁采用单复试，行走支承采用滚轮支承。三、面板设计 根据SL1974-1995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2所示，面板厚度按下式计算：t=akp0.9as当b/a3时，a=1.5，则t=akp0.9´1.5´160=0.068akp当b/a3时，a=1.4, 则t

20、=akp0.9´1.4´160=0.070akp现列表1进行计算表一注 1、面板边长a、b都从面板宇梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽为140mm (详见后面)2、区格1、11中的系数k由三边固定一边简支板查得。根据上表计算选用面板厚度t=12mm(2）面板与梁格的连接计算面板局部绕曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力P按式max计算，已知面板厚度t=12mm，并且近似地取板中最大弯应力max =【】=160 N/mm2 则max = 0.07×12×160=134.4（N/mm）面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力 T=VS/2I0 =539600&

21、#215;640×12×317/（2×2529530000）=259.67(N/mm)由式计算面板与主梁连接的焊缝厚度为hf=(p/1.22)2+T2)(1/2)/(0.7th)=（134.4×134.4+259.67×259.67/（0.7×113）=3.7(mm)面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=6 mm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平压力可按式计算。 列表2计算后得q=78.27kN/m梁号梁轴线处水压强度梁间距（m）（m）（kN/m）备 注1 （

22、顶梁）1.47 214.91 1.47 21.84 1.46 3（主梁）29.23 1.42 41.37 1.37 4.42.67 1.24 52.70 1.10 5.（主梁）53.46 0.97 51.59 0.83 661.61 0.81 49.59 0.78 7（主梁）69.26 0.75 51.60 0.71 876.22 0.65 49.16 0.58 9（主梁）81.91 0.63 51.61 0.68 1088.58 0.57 50.05 0.45 11（主梁）93.00 0.49 45.10 0.52 12（底梁）98.10 0.45 44.15 表二根据表二计算，水平次梁计算

23、荷载取52.7kN/m,水平次梁为五跨连续梁，跨度为2.28m（图三）。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为M次中=0.080ql2=0.080×52.7×2.28×2.28=21.92 (kNm)支座B处的弯矩为M次B =0.107ql2=0.107×52.7×2.28×2.28=29.31 (kNm)图3 水平次梁计算简图和弯矩图2.截面选择 W=M/=29.31×106/160=183208mm3考虑到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：A=2569mm²；Wx=141400mm3 ；Ix

24、=12727000mm4 b=68mm；d=7mm面板参加次梁工作有效宽度分别按式(1)及式或（其中）计算，然后取其其中较小值。 式（1） Bb1+60t= 68+60×8=548mm（对胯间正弯矩段）（对支座负弯矩段）按4号梁计算，设梁间距(1137+1110)/2=1123.5(mm)。确定式中面板的有效宽度系数 时，需要知道梁弯矩零点之间间距与梁间距b比值。对于第一跨中正弯矩段取= 0.8l=0.8×2280=1846.8(mm) 。对于支座负弯矩段取 =0.4×2280=912(mm)。面 板 有 效 宽 度 系 数 和 0.51.01.52.02.534

25、56810120.200.400.580.700.780.840.900.940.950.970.981.000.160.300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92表三根据查 表3，得对于=1846.8/1123.5=1.64得= 0.61，B=0.61×1123.5=689.4(mm) ;对于= 912/1123.= 0.81 ，得= 0.25 ，则B = 0.25×1123.5=281(mm) ;对第一跨中选用B=660mm ，则水平次梁组合截面面积 图3 为A =2569+660×12=10489mm2组合截面形心到

26、槽钢中心线的距离为 e=660×12×96/10489=72（mm）跨中组合截面的惯性矩及截面模量为 I次中=12727000+2569×722+660×8×242=29225944mm4 Wmin=29225944/162=180407mm3对支座B = 281mm ，则组合截面面积为A =2569+281×12=5941 mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离为 e=281×12×96/5941=54.49(mm)图4 面板参加水平次梁工作后的组合截面（mm）支座处组合截面的惯性矩及截面模量为 I次B=12727

27、000+2569×54.492+281×12×60.492=32693055.5mm4 Wmin=32693055.5/144.49=226265 mm23.水平次梁的强度验算由支座B（图3）处弯矩最大，而截面模量最小，故只需验算支座B处的截面的抗弯强度，即次=M次B/Wmin=29310000/226265=129.5N/mm2<=160N/mm2说明水平次梁选用 18a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支座处截面的弯矩已经求得M次B=26.8kN.m ,则边跨挠

28、度可近似地计算为=5/384×ql3/EI次-M次Bl/16EI次=5×52.7×(2.18×103）3/(384×2.06×105×29225944 )- 29310000×2.28×103/(16×2.06×105×29225944 )=0.000487<W/L=1/250=0.004 故水平次梁选用 18a 满足强度和刚度要求。（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，必须加强顶梁的刚度，所以也采用 18a。底梁也采用 18a五、主梁设计

29、(一)设计资料设计如下图，主梁净跨（孔口宽度）L0=11.00m;计算跨度L=11.40m；荷载跨度L1=11m. 2. 主梁荷载q=98.1KN/m.   3. 横向隔间距：2.28m；4. 主梁容许挠度：w=L/600图5 主梁位置图（单位：m）（二）主梁设计   主梁设计内容包括：1.截面选择；2.梁高改变；3.翼缘焊缝；4.腹板局部稳定验算；5.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：Mmax=98.1´112´（11.42-114）=1591.7（kN&

30、#183;m） Vmax=qL12=12´98.1´11=539,6kN(2) 需要的截面抵抗矩。已知Q235钢的容许应力s=160KN/mm²，考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力s=0.9×160=144N/mm2，则需要的截面模量为W=Mmaxs=1591.7´100144´0.1=11053.5cm³(3)腹板高度选择按刚度要求的最小梁高（变截面梁）：hmin=0.96´0.23sLEwL=0.96´0.23´144´100´11.4´1002.06

31、´107´(1/600)=105.57cm经济梁高 hec=3.1W(2/5)=3.1´11053.5(2/5)=128.5cm现选用腹板高度h0=110cm(4)腹板厚度选择。按经验公式计算：tw=h/11=11011=0.95cm ，选择用tw=1cm（5）翼缘截面选择。每个翼缘截面为 A1=W/h0-twh0/6=11053.5/110-1×110/6=82.1cm2下翼缘选用（符合钢板规格） 需要，选用b1=A1/t1 =87.8/2.0=41.05cm，选用b1=42cm(在 之间）。 上翼缘的部分截面面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同

32、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 B=b1+60=16+60×1.2=88cm； 上翼缘的面积为 A1=16×2.0+88×1.2=137.6cm2(6)弯应力强度验算。主梁跨中截面（图6）的几何特性见 表4 。截面形心矩为y1=Ay'/A=15855.280/302.8=52.36cm；截面惯性矩图6 主梁跨中截面（单位：mm）I=twh03/12+Ay2=1×1103/12+32607463.3=32718380cm4截面模量： 上翼缘顶边 Wmin=I/y1=32718380/52.36=

33、624873cm3； 下翼缘底边 Wmin= I/y2=32718380/62.84=520661cm3；弯应力=Mmax/Wmin=1591.7´100/520661=0.30kN/cm2<0.9×16=14.4kN/cm2，（安全）部位面板部分64×1.276.80.646.080 -51.762 123462.358 上翼缘板16×2.0322.683.200 -49.762 206024.553 腹板110×1.011058.26402.000 5.838 218194.526 下翼缘42×2.0841119324.00

34、0 58.638 32059781.870 合计302.815855.280 32607463.307 表4(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，按设计规范规定，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，故梁的挠度不必验算。2截面改变因为梁跨度较大，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（图7） 图7 主梁支撑端截面（单位：mm）图8 主梁变截面位置图（单位：mm）梁高开始改变的位置去载邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧（图8），离开支承端的距离为22810 = 218 cm。剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支

35、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的强度。主梁支承端截面的几何性质见 表5 。表5截面形心距 y1=8383.3/258.8=32.39cm 截面惯性矩 I0=1×663/12+228995=252953cm4 截面下半部对中和轴的面积矩 S=84×37.8+36.8×1.0×36.8/2=3852.32cm3 剪应力=VmaxS/I0t=539,6×3852.32/252953×1.0=8.22KN/cm2<=9.5KN/cm2安全3.翼缘焊缝翼缘焊缝厚度（焊脚尺寸）按受力最大的支承端截面计算。最大剪应力5

36、39.6kN，截面惯性矩= 252953cm4。上翼缘对中和轴的面积矩 S1=76.8×31.7+32×30.1=3398cm3; 下翼缘对中和轴的面积矩 S2=84×37.8=3175.2cm3<S1； 需要hf=VS1/1.4I0f= 539,6×3398/(1.4×252953×11.3)=0.46cm 角焊缝最小厚度hf1.5t=1.5×20=6.7mm 所以，全梁的上、下翼缘焊缝都采用8mm。4、腹板的加劲肋加劲肋的布置：因h0t=110010=110>80，故需要设置横向加劲肋。以保证腹板的局部稳定性

37、。因闸门上已布置横向隔板兼作加劲肋，其间距a=228cm。腹板区格划分见图7。梁高和弯矩都较大的区格II左边及右边截面的剪力分别为区格II截面的平均剪应力为区格左边及右边截面上的弯矩分别为 区格的平均弯矩为区格的平均弯曲应力为计算 计算，由于区格长短边之比为2.28/1.1>1,则 所以 故满足稳定性要求，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：该区格的腹板平均高度故需要验算。I左边及右边截面的剪力分别为区格I截面的平均剪应力为区格I左边及右边截面上的弯矩分别为区格I的平均弯矩为MI=MI右/2=357.5KN.m区格I的平均弯曲应力为计算 计算，由于区

38、格长短边之比为2.28/0.88>1,则 所以 故满足稳定性要求，故在横隔板之间（区格I）不必增设横向加劲肋。5、面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算从面板计算的表格可见，直接与主梁相邻的面板区格中，区格3所需面板厚度较大，这意味着该区格长边中点应力也比较大，所以选取区格3来验算其长边中点的折算应力。面板区格3在长边中点的局部弯应力： my=kpa2t2=0.476×0.036×13002122=±201.1(N/mm2)mx=my=±0.3×201.1=±60.3(N/mm2)面板区格3的长边中点的主梁弯矩和弯应力M=9

39、8.1×5.5×11=5935(kN·m)0x=MW=5935×106624.873×106=9.5(N/mm2)该区格长边中点的折算应力zh=my2+mx+0x2-mymx+0x =201.12+(60.3-9.5)2-201.1×(60.3-9.5)=181.1Nmm2<=1.55×160=248(N/mm2) 故面板厚度选用12mm满足强度要求 。六、横隔板的设计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

40、代替（图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=2.98×29.23/2×2.28×2.98/3=98.64kN.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 1100mm ×8mm ，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm ×8mm 的扁钢。上翼缘可利用面板宽度按确定，其中b= 2280mm ,按 l0/b=2×2980/2280=2.61，从表查得有效宽度系数2=0.59，则B=0.59×2280=1345.2mm，取B=1300mm 计算如 图9 所示的截面几

41、何特性。截面形心到腹板中心线的距离为e =1300×12×556-200×8×554/（1300×12+200×8+1100×8）=299.5mm截面惯矩为I=8×110003/12+8×200×853.52+8×1100×299.52+12×1300×256.52=89031405×104mm4截面模量为 Wmin=89031405×104/858.5=1037057715mm3验算弯应力为 ð =M/Wmin=98.64&

42、#215;106/1327628=74.3N/mm2 <ð图9 横隔板截面（单位：mm）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七、纵向连接系1、荷载和内力计算纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面刚闸门门叶自重G按附录十一中的式计算G=0.012KzKcH1.65B1.85×9.8KN=0.012×1×1´101.65×111.85=443.6(kN)下游纵向连接系承受 0.4G=0.4×443.6=266KN纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如 图10所示，其结点荷载

43、为 266/5=53.2（kN）杆件内力计算结果如 图10 所示。图10 纵向连接系计算图（单位：mm）2斜杆截面计算。斜杆承受做大拉力N =240KN. 同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制应与压杆相同，即 =200 选用单角钢L110×10, 由附录三查得 截面面积 A=15.6cm2=2130mm2回转半径 i=1.98cm=21.7mm ； 斜杆计算长度 l=0.9×=2.92m 长细比 =l0/iy0=2.92×103/21.7=137<=200 验算拉杆强度 =240×103/2130=112.7N/mm2<0.85

44、=133N/mm2 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。3斜杆与结点板的连接计算（略）八、边梁设计由于为大孔口，行走支承采用滚轮式。所以这里用双腹式组合边梁。边梁的截面尺寸按构造要求确定，梁高660mm，下翼缘用两个180mm×20mm的扁钢做成。腹板厚度20mm。边梁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%作为考虑受扭影响的安全储备。1、 荷载和内力计算 滚轮采用等荷载布置，在每个边梁上分别布置5个大小相等的图11 边梁截面（单位：mm）主轮。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求解得最大弯

45、矩Mmax=900kN/m最大剪力Vmax=731kN最大轴向力为作用在边梁上的一个起吊力，估为350kN（详见后面）在最大弯矩作用截面上轴向力为：N=350-731×0.1=227kN 图12 边梁计算图2.边梁强度验算截面面积A=600×20+660´20´2+180´2´20=45600(mm2)面积矩 Smax=20×600×340+660×20´330´2+180´20´340´2=15240000(mm3)截面惯性矩 I=20×660

46、³/12+600×20×340²+180´20´2´340²=2837400000mm4 截面模量 W=2837400000/330=8598181 mm3 截面边缘最大应力验算max=N/A+Mmax/W=227×1000/45600+900×1000000/8598181=109N/mm2<0.8=126N/mm2腹板最大应力验算 =VmaxSmax/Itw=731×100×15240000/（2837400000×20）=20N/mm2<0.8=76 N/mm2腹板与下翼缘连接处折算应力验算 max=N/A+Mmax/W.y'/y=227×1000/45600+900×1000000/8598181×（330/350）=104 N/mm2 = VmaxSi/Itw=731×1000×600×20×340/（2837400000×20）=52.556N/mm2 zh=124.6<0.8=128N/mm2 以上验算均满足