水利水电工程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 课 程 名 称: 水工钢结构课程设计 年级/专业/班: 2012级水利水电工程1班 学 生 姓 名: 学 号: 312012080801100 任 课 教 师: 徐良芳老师 开 课 学 院: 能源与环境学院 水利水电工程钢结构课程设计一、 设计题目 1.某小型露顶式闸门设计2.拦污栅设计二、 主要内容1、 某露顶式平面钢闸门设计 门型式：露顶式平面钢闸门 孔口尺寸（宽高）： 4.5 m 4 m 启闭方式：卷扬式启闭 材料 钢结构：Q235-A.F； 焊条：E43型； 行走支承：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，

2、满足级焊缝质量检验标准规范：水利水电工程钢闸门设计规范SL 1974-20053、拦污栅设计 拦污栅型式：固定式平面拦污栅尺寸（宽高）： 4.5 m 4 m水头：2m三、闸门结构的形式及布置1.闸门尺寸的确定闸门高度： 考虑风浪产生的水位超高为0.2m，故闸门高度=4+0.2=4.2m闸门的荷载跨度为两侧止水的间距： L1=4.5m闸门计算跨度： L=L0+2d=4.5+2*0.2=4.9m图1 闸门的主要尺寸 （单位：m）2.主梁的形式主梁的形式根据水头和跨度的大小决定，本闸门属于小跨度，为了便于制造和维护是，采用实腹式组合梁。3.主梁的布置根据闸门的高垮比，采用2根主梁。为使两主梁在设计水

3、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作用线y=H/3=1.33m,并要求下悬臂a0.12H, 和a0.4m,上悬臂c0.45H，今取a=0.5m0.12H=0.48m主梁间距 2b=2(y-a)=2*0.83=1.7m则 c=H-2b-a=4-1.7-0.5=1.8m=0.45H(满足要求)4.梁格的形式和布置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冰被横隔板所支承。水平次梁为连续梁，其间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置具体尺寸如图2所示图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、 道横隔板，其间距为1.63m，横隔板兼作竖直次梁。（2）纵向连接系，设在两个主梁下的翼缘的竖平面内。采用斜杆式桁架。（6）边梁与行走支承。边梁采用单复式，行走支承采用胶木滑道。四、面板设计根据水利水电工程钢闸门设计规范 （SL 74-95），关于面板的计算，先估算面板的厚度，在主梁截面选择之后再验算面板的局部弯曲与主梁弯曲的折算应力。（1） 估算面板厚度。假定梁格布置尺寸 图2 所示。面板厚度按式计算 当b/a 3 时，a = 1.5 ，则当b/a> 3 时，a = 1.4 ，则现列 表 1 进行计算。表1 面 板 厚 度 的 估 算区格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm)t(m

5、m)I90016231.800.6510.0040.0513.13II88016231.840.4900.0130.0804.79III78016232.080.4970.0210.1025.4IV74016232.190.4970.0300.1216.08V34016234.770.7500.0380.1683.89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I、VI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=8mm（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

6、度t=8mm，并且近似地取板中最大弯应力max =【】=160 N/mm2 则max = 0.07×8×160=89.6（N/mm）面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力 T=VS/2I0 =177000×620×8×118/（2×446700000）=77(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)=（89.6×89.6+77×77/（0.7×113）=1.5(mm)面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=6 mm五、水平次梁、顶梁和底梁的设计（1

7、）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强度梁间距（m）（m）（kN/m）备 注1（顶梁）0.95顶梁荷载按下图计算0.982 8.1 0.9758.000.973上主梁 17.70.9216.230.874 25.20.8521.420.835下主梁33.30.61520.480.406底梁37.30.30011.19根据 表2 计算，水平次梁计算荷载取21.42kN/m,水平次梁为三跨连续梁，跨度为2.

8、35m（图3）。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为M次中=0.080ql2=0.080×21.42×1.63×1.63=4.55(kNm)支座B处的弯矩为M次B =0.100ql2=0.100×21.42×1.63×1.63=5.69(kNm)图3 水平次梁计算简图和弯矩图（2） 截面选择。 W=M/=5.69×106/160=35563mm3考虑到利用面板作为次梁截面的一部分，初选 10， 由附录三表4查的：A=1274；Wx=39700；Ix=198300；b=48mm；d=5.3mm。图4 面板参加水平次梁工作后的组合截面（

9、单位：mm）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= 48+60×8=528mm（对胯间正弯矩段）（对支座负弯矩段）按4号梁计算，设梁间距(870+830)/2=850(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=0.8×1633=1306 。对于支座负弯矩段取 =0.4×1633=653。表3 面 板 有 效 宽 度 系 数 和 0.51.01.52.02.53456810120.200.400.580.700.780.84

10、0.900.940.950.970.981.000.160.300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92根据查 表3，得对于= 1306/850 = 1.54 ，得= 0.59 ，则B =0.59×850=502(mm) ;对于= 653/850= 0.75 ，得= 0.23 ，则B = 0.23×850=196(mm) ;对第一跨中选用B=502mm ，则水平次梁组合截面面积 图3 为A =1274+502×8=5290 mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离为 e=502×8×54/5290=41（mm

11、）跨中组合截面的惯性矩及截面模量为 I次中=198300+1274×412+502×8×132=3020000mm4 Wmin=3020000/91=33200mm2对支座B = 196 mm ，则组合截面面积为A =1274+196×8=2842 mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离为 e=196×8×54/2842=30(mm)支座处组合截面的惯性矩及截面模量为 I次B=198300+1274×302+196×8×342=3157508mm4 Wmin=3157508/80=39469 mm2（3）水

12、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=5.69×106/39469=144N/mm2<=160N/mm2说明水平次梁选用 10 满足要求。轧成梁的剪应力一般很小，可不必验算。（3） 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=5.69kN.m ,则边跨挠度可近似地计算为=5/384×ql3/EI次-M次Bl/16EI次=5×21.42×(1.63×103）3/(384×2.06

13、×105×302×104 )-5.69×106×1.63×103/(16×2.06×105×302×104 )=0.001001<W/L=1/250=0.004 故水平次梁选用 10 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 10。底梁也采用 10六、主梁的设计（1）设计资料。1）主梁跨度（图5）；净跨（孔口宽度）Lo=4.5m，计算跨度L=4.9,荷载跨度L1=4.5m ；2）主梁荷载：39.3KN/M；3）横

14、向隔板间距：1.63m ；4）主梁容许挠度w=L/600。（2）主梁设计。主梁设计包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板局部稳定验算；面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。图5 平面闸门的主梁位置和计算简图 1）截面选择。弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下 Mmax=(39.3×4.5/2)×(4.9/2-4.5/3)=84(kNm) Vmax= qL1/2=0.5×39.3×4.5=89(KN)需要的截面模量。已知 Q235 钢的容许应力 ，考虑钢闸门自重应力引起的附加应力作用，取容许应力为 ，则需要的截面模量为 W=Mmax/=84×10

15、0/(144×0.1)=584cm2 腹板的高度选择。按高度要求的最小高梁（变截面梁）为 hmin=0.96×0.23×L/Ew/L=0.96×0.23×144×100×4.9×100/ 2.06×107×(1/600) =45.4cm经济梁高 hec=3.1W2/5=3.1×5842/5=55.2cm 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 小，但不小于 ,然而根据本设计的所得的和而言选用腹板高度Ho=50cm。 腹板厚度选择。按经验公式计算：tw=h/11

16、=5011=0.64 ，选用。 翼缘截面选择。每个翼缘截面为 A1=W/h0-twh0/6=584/50-1.0×50/6=4cm2下翼缘选用（符合钢板规格） 需要，选用b1=A1/t1 =4/2.0=2cm，选用b1=15cm(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面板相连，选用t1 =2.0cm，b1=14cm。 面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为 B=b1+60=14+60×0.8=62cm； 上翼缘的面积为 A1=14×2.0+62×0.8=77.6cm2弯应力强度验算。主梁跨中截面（图6）的几何特性见 表4 。截

17、面形心矩为图6 主梁跨中截面（单位：mm） y1=Ay'/A=3075/157.6=19.5cm；截面惯性矩 I=twh03/12+Ay2=1×503/12+66486=76903cm4截面模量： 上翼缘顶边 Wmin=I/y1=76903/19.5=3943cm4； 下翼缘底边 Wmin= I/y2=76903/35.3=2179cm2；弯应力=Mmax/Wmin=84×50/2179=2.1kN/cm2<0.9×16=14.4kN/cm2，（安全）表4 主 梁 跨 中 截 面 的 几 何 特 性部位面板部分62×0.849.60.419

18、.8-19.118095上翼缘板14×2.028.01.850.3-17.78772腹板50×1.050.027.813908.34324下翼缘15×2.030.053.8161534.335295合计157.6307566486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）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

19、为16310 = 153 cm。图7 主梁支承端截面（单位：mm）图8 主梁变截面位置图（单位：mm） 剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支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 主 梁 端 部 截 面 的 几 何 特 性部位面板部分62×0.849.60.419.8-11.66675上翼缘板14×2.028.01.850.3-10.24732腹板30×1.030.017.85345.81009下翼缘15×2.030.033.8101421.814257合计137.616182

20、6673截面形心距y1=1618/137.6=12cm 截面惯性矩 I0=1×60×60×60/12+26673=44673cm4 截面下半部对中和轴的面积矩 S=30×21.8+16.8×1.0×16.8/2=796cm3 剪应力 =VmaxS/I0t=89×796/44673×1.0=1.6KN/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 89kN，截面惯性矩= 44673cm4。部位面板部分62×0.849.60.419.8-

21、11.66675上翼缘板14×2.028.01.850.3-10.24732腹板30×1.030.017.85345.81009下翼缘15×2.030.033.8101421.814257合计137.6161826673 上翼缘对中和轴的面积矩 S1=49.6×11.6+28×10.2=870cm3; 下翼缘对中和轴的面积矩 S2=30×21.7=654cm3<S1； 需要hf=VS1/1.4I0f=89×870/(1.4×44673×11.3)=0.109m 角焊缝最小厚度hf1.5t0.5=1.

22、5×200.5=6.7mm 全梁的上、下翼缘焊缝都采用8mm。七、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=1.8×17.7/2×2.35×1.8/3=22.5kN.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 500mm ×8mm ，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm ×8mm 的扁钢。上翼缘可利用

23、面板宽度按确定，其中b= 1633mm ,按 l0/b=2×1800/1633=2.21，从 表3查得有效宽度系数2=0.54，则B=0.54 ×1633=882mm，取B=850mm 。计算如 图9 所示的截面几何特性。图9 横隔板截面 （单位：mm）截面形心到腹板中心线的距离为 e =850×8×254-200×8×504/（1200×8+200×8+900×8）=107mm截面惯矩为 I=8×5003/12+8×500×1072+8×200×3612

24、+8×850×1472=48459×104mm4截面模量为 Wmin=48459×104/365=1327628mm3验算弯应力为 ð =M/Wmin=22.5×106/1327628=16.9N/mm2 <ð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。八、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10中的式计算 =0.81×1.0×0.156×41.43×4.50.88×9.8=34.

25、8kN下游纵向连接系承受 0.4G=0.4×34.8=14KN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，其结点荷载为 14/3=4.77（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 =6.65 KN. 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L×100×8, 由表附表6.4查得 截面面积 A=15.6cm2=1560mm2回转半径 i=1.98cm=19.8mm ； 斜杆计算长度 l=0.9×=2.11m 长细比

26、 =l0/iy0=2.11×103/19.8=106.6<=200 验算拉杆强度 =6.65×103/1560=4.3N/mm2<0.85=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）。九、边梁设计边梁的截面形式采用单腹式（图11），边梁的截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁端高度相同，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，故在设计时可将容许应力值降低20%作为考虑受扭影响的安全储备。图11 边梁截面 （

27、单位：mm）图12 边梁计算图 （单位：mm）（1）荷载和内力计算。在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑块。其布置尺寸见 图12。 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。每个主梁作用于边梁的荷载R =333kN。 2）竖向荷载。有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、启吊力等。 上滑块所受的压力 R1=89×1.63/2.2=66kN下滑块所受的压力 R2=178-66=112 kN最大弯矩 Mmax=66×0.5=33kN.m 最大剪力 Vmax=R1=66kN 最大轴向力为作用在一个边梁上的启吊力

28、，估计为 100kN（详细计算见后面）。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N=100- R1f=100-66×0.12=92.08kN。（2）边梁的强度验算。 截面面积 A=300×10+2×300×14=11400 mm2 面积矩 Smax=14×300×157+10×150×75= 771900mm3 截面惯性矩 I=10×300×300×300/12+2×300×14×157×157=229551600mm

29、 截面模量 W=229551600/164=1399705 mm3 截面边缘最大应力验算max=N/A+Mmax/W=92.08×1000/11400+33×1000000/1399705=8+24=32N/mm2<0.8=126N/mm2腹板最大应力验算 =VmaxSmax/Itw=66×100×771900/（229551600×10）=22.1N/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=8+24×150/164=30 N/mm2 = VmaxSi

30、/Itw=66×1000×300×14×157/（22.95516×107×10）=19N/mm2 zh=44.6<0.8=128N/mm2 以上验算均满足强度要求。十、行走支撑设计胶木滑道计算：滑块的位置如 图12 所示，下滑块受力最大，其值为 。设滑块长度为300mm ，则滑块单位长度的承压力为 q =112×100/300=374 N/mm 根据 表6 查得轨顶狐面半径R =100mm，轨头设计宽度为b =25mm 。表6 钢 轨 工 作 表 面 宽 度 与 圆 弧 半 径支承压力q(N/mm)<10001

31、00020002000300030004000轨道圆弧半径R(mm)100150200300轨道设计宽度b(mm)25354050注 b值不得与滑块中间的一条胶木同宽。 胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按式进行验算 max=104=104=202 N/mm2 <j=500 N/mm2 选定胶木高20mm，宽 80mm ，长 300mm 。十一、胶木滑块轨道设计b30图13 胶木滑块支撑轨道截面 （单位：mm）（1）确定轨道底板宽度。轨道底板宽度按混凝土承压强度确定。根据C20混凝土附录10表2查得混凝土的容许承压应力为，则所需的轨道底板宽度为 Bh= =374/7=54mm (取Bh= 13

32、0mm) 故轨道底面压应力为 h=374/130=2.9N/mm2（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为 式中轨道底板的悬臂长度c =52.5mm，对于Q235钢，查得【】=100 N/mm2 故所需轨道底板厚度为 =15.5mm （取t=30mm）十二、闸门启闭力和吊座计算（1）启门力按式（其中）计算 T启=1.1G+1.2（Tzd+Tzs)+Px 其中闸门自重G=34.8kN 滑道摩阻力 =38kN 止水摩阻力 Tzs=2fbHP 因为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 每边侧止水受水压长度 H=4.0m 侧止水平均压强 P=19.6kN/mm2故 2×0.65&