水工钢结构课程设计

1、课程设计说明书课程名 称:水利水电工程钢结构课程计课程代码：8203281题目: 潜孔式平面钢闸门设计学生姓名:学号：312009080801209年级/专业/班:2009 级水利水电2班学院（直属系）:能源与环境学院指导教师:徐良芳 开题时间：2011年12月12日完成时间：12月18日1 设计资料2 闸门结构的形式及布置3 面板设计4 水平次梁、顶梁和底梁的设计5 主梁设计6 横隔板设计7 纵向连接系8 边梁设计9 行走支撑设计10 滚轮滑道设计11 闸门启闭力和吊耳计算设计资料 闸门形式：潜孔式平面刚闸门孔口尺寸（宽X高）：10.0m X 10.0m上游水位：55.0m下游水位：0.1m

2、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 型行走支承：胶木滑道或滚轮支承止水橡皮：A0止水和顶止水用 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，满足田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 2005二、闸门结构的形式及其布置（一）、闸门尺寸的确定如图1图 1 闸门主要尺寸图（单位：m ）1. 闸门孔口尺寸：孔口净宽：10.0m孔口高度：10.0m闸门高度：10.0m闸门的宽度：10.4m荷载跨度：10.0m计算跨度：10.4m2、计算水头：54.9m（二）主梁的布置1. 主梁的数目及形式主梁是闸

3、门的主要受力构件，其数目主要取决于闸门的尺寸。因为闸门跨度L=10.4m,闸门高度h=10.0m,L<h。 所以闸门采用4根主梁。 本闸门属中等跨度，为了便于制造和维护，决定采用实腹式组合梁。2. 主梁的位置因为该设计的水头比较高，属于高水头, 而孔口尺寸相对比较小，门顶与门底的水压强度度差值相对较小。所以，主梁的位置按等间距来布置。设计时按最下面的那根受力最大的主梁来设计，各主梁采用相同的截面尺寸。3. 梁格的布置及形式梁格是用来支承面板的。在钢闸门中，面板的用钢量占整个闸门重量的比例较大，而且钢板也较贵，为了使面板的厚度经济合理，根据闸门跨度的大小，可以将梁格的布置分为三种情况。该闸

4、门的梁格采用复式布置与等高连接，水平次梁穿过横隔板所支承。布置梁格时，竖直次梁的间距一般为1到2m本设计取1.486m。水平次梁的间距一般为 40到120cm,本设 计取100CG水平梁为连续梁，间距应上疏下密，使面板个区格需要的厚度大致相等，布置 图 2示2 梁格布置尺寸图（单位：m）（三） 、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6道横隔板，具间距为1.486m,横隔板兼作竖直次梁2、纵向连接系：设在四个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。（四）边梁与行走支承边梁采用双腹式，行走支承采用滚轮支承。三、面板设计根据SL74 95水利水电工程钢闸门设计规范 修订送审稿，关

5、于面板的计算，先估算面板 厚度，在主梁截面选择以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kpt=a 0.9a当 b/a 03 时，a=1.65,贝 t=ap=0.065 a0 9.9 1,65 160当 b/a >3 时，a=1.55，则 t=akp =0.067 a kp0.9 1,55 160k四边固定矩形弹性薄板在支承长边中点的弯应力系数，第1和10区格按附录九表3查得,其余区格按附录九表2查得。p面板计算区格中心的水压强度(p= 丫 hg=0.0098h N/mm2)丫一水的密度，一般淡水取 10KN/?h区格

6、中心的水头，单位ma、b面板的短边和长边的长度现列表1计算如下：表1 面板厚度估算区格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm2)3 kpt(mm)193014761.590.5890.4460.51232.41289514761.650.6050.4560.52531.953189514761.650,6050.4660.53132.30489514761.650.6050.4750.53632.63589514761.650.6050.4850.54232.986189514761.650,6050.4950.54733.30789514761.650.6050.5050.55333.64

7、8I 89514761.6510,6050.5140.558I 33.95989514761.650.6050.5240.56334.281093014761.590.5890.5340.56835.94根据上表计算，选用面板厚度t=36mm.2,面板与梁格的连接计算面板局部挠区时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力P按式P=0.07tmax#算，已知面板厚度t=36mm并且近似地取板中最大弯应力 max= o-=160N/mn2,则p=0.07 x 36X 160=403.2N/mm面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：由后面主梁的设计计算得 V=6119KN ; 10=27059202cm;

8、 S= 266X 3,6 X64.1 =61382.2 cm3- 6T= VS=6119X61382.2 10694N/mm2I02 270592020000面板与主梁连接的焊缝厚度:hf JP2 T2 /0.7 : 802.6/0.7 113 10.1mm,面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度hf 11mm。四、水平次梁，顶梁和底梁地设计1 .荷载与内力地验算水平次梁和顶，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q=p现列表2计算如下:表2梁号梁轴线处水压 力强度P （kN/mrri）梁间距（m）a上(m2a卜 a下 q=p(kN/m)21（顶梁）441.450

9、.5220.7312 （水平次梁）451.261451.2613 （主梁）461.071461.0714 （水平次梁）470.881470.8815 （主梁）480.691480.6916 （水平次梁）490.501490.5017 （主梁）500. 311500.3118 （水平次梁）510.121510.1219 （主梁）519.931519.93110（水平次梁）529.741529.74111 （底梁）539.550. 5269.78!2q = 4905.01kN/m根据上表计算，水平次梁计算荷载取529.74 kN/m,水平次梁为7跨连续梁，跨度为1.486m（如图3）。水平次梁弯曲

10、时的边跨中弯距为：M 次中= 0.077ql 2=0.077 x 529.74 x 1.486 2=90.07kN?m支座B处的负弯距:M次b= 0.107ql 2=0.107 x 529.74 x 1.486 2=125.17 kN ?m图3水平次梁计算简图和弯矩图2.截面选择Wf125.17 106160782187.5 mm考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选40a,由附录三表四查得： A=7505m2r; W x=868900m3n Ix=175779000mm b1=100 mm ; d=tw=10.5mm。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。

11、式：711B <b1+60t=100+60X 36=2260mm ;式：712 B= b （对跨间正弯距段）B=（2b（对支座负弯距段）。b1 b21000 1000,“c梁间距 b=- 1000mm 02 2于第一跨中正弯距段 1o=0.81= 0.8 X1486=1188.8mm ;对于支座负弯距段 l°=0.4l=0.4X 1486=594.4mm。根据lo/b查表71:对于 lo/b =1188.8/1000 =1.189 得11 = 0.472 ,得 B=（心=0.472 乂 1000= 472 nlm对于 lo/b =594.4/1000 =0.594 得（2 =

12、0.188 ,得 B= 2b = 0.188 X 1000= 188mm对第一跨中选用B= 472mm水平次梁组合截面面积（图4-1）:A=750计 472X 36=24497 mm2槽钢的高为 400 mm组合截面形心到槽钢中心线得距离：e=472 36 （400 36）/2 =151mm ;24497图41、42面板参加水平次梁后的工作截面跨中组合截面的惯性距及截面模量为：I 次中=175779000+ 7505X 1512+472X36X （ 49+18）2= 423177593mm?423177593Wn= 1205634m m3351对支座段选用B= 188mm则组合截面面积（图42

13、）:A=750计 188X 36= 14273mm2组合截面形心到槽钢中心线得距离：188 X36X218 e=103mm14273支座处组合截面的惯性距及截面模量为：I 次b= 175779000+ 7505X 1032+ 188X36X ( 97+18)2= 344906345mm?3449063453WZin=1138305mm3033.水平次梁的强度验算由于支座8处（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6(7次=. 109.9N / mm2 160N / mm2,1138305说明水平次梁选用18b满足要求。 轧成梁的剪应力一般很小，可不必验算。4.

14、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 距已经求得M次B=125.17kN?m,则边跨挠度可近似地按下式计算：B支座处截面的弯w 5 ql3 M 次b15 529.74 I4863125.17 106 1486- 5 一一一 一_一 5_一一l 384 EI 次 16EI 次 384 2.06 10423177593162.0610423177593=0.000126 0w 0.004l 250故水平次梁选用40a满足强度和刚度要求。5、顶梁和底梁顶梁和底梁也采用40a五、主梁设计（一）设计资料1）主梁跨度（图5）:净跨（孔口净宽）1。=10.0m ;计算

15、跨度l = 10.4m ;荷载跨度l ?= 10.0m 。P也54 92）王梁何载：q = （9.81 54.9 5- 9.81 44.9 44.9/2）/4 1223.8kN 423）横向隔板间距：1.486m 。4）主梁容许挠度：W=L/750 。（二）主梁设计内容包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板加劲肋；面板 局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。1.截面选择（1）弯距和剪力弯距与剪力计算如下：.昨 一 1223.8X10 10.4 10、-号距：Mmax -2X（三 7） 23077-4kN m-uql11223.8 X103男力：Vmax1 6119kN22图5平面钢闸门的主

16、梁位置和计算简图（2）需要的截面抵抗距 已知Q235钢的容许应力（r=160N/mm2,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力打=09 160 144N /mm2,则需要的截面抵抗矩为；W=max323077.4 10144160260cm3。（3）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：hec3.1W2/5_ 2/5_ _3.1 (160260)374.36cm。min0.22EW7il40.22 144 10.4 102.06 107 (1/750)119.95cm,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hm 一般选择梁

17、高比经济梁小10%20%。根据以上选择腹板高度h°= 330cm。腹板厚度选择twVh/11 V'330/11 1.65cm,选用 tw= 6.0cm 。翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为： W twh。 160260 6 330 2A156 cm ,h063306下翼缘选用t1= 2.0cm （符合钢板规格），需要 4 3 156 78cm （在腹板高度的三分之一 32到五分之一 66110cm之间）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t1 = 2.0cm,b1 = 50cm 面板兼作主梁上翼缘的有效高度为 B= b1+60t = 50+60X

18、3.6 = 266cm上翼缘截面面积 AF50X2.0 +266X 3.6 = 1057.6 cm2 （6）弯应力强度验算。主梁跨中截面（图 6-1）的几何特性见表3截面形心距:图6 1、62主梁跨中截面（单位:mrmAy392481.33193.6126.0cm,截面惯性距：I 业12Ay236.0 33027102894 45071394 cm4,12截面抵抗距：上翼缘顶边WmaxI45071394y1126.0357709cm3,卜翼缘底边 Wmin 45071394 209051cm3,y2215.6弯应力:j 23074 100 11.0kN/cm2Wmin2090510.9 16

19、14.4kN/cm2,安全部位截面尺寸(cm X cnj)截卸卸积 ，2、A(cm)各型心离 面板表面 距离y '(cnj)Ay' (cm3)各型心离中和轴距离y=y -y1(cm)Ay24 (cm)面板部分266x 3.6P 957.61.81723.7-124.214771593上翼缘50 X 2.0100.04.6460.0-121.41473796腹板330X 6.01980.0170.6337788.044.63938537卜翼缘78X2.0r 156.0336.652509.6210.669189681合计3193.6392481.327102894表3(7)因主梁

20、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)度减小为 hg = 0.6h0=0.6 X330= 198cm (图 71)。,有必要将主梁承端腹板高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148.6-8.6=140cm (图 72)图7-1主梁支承端截面(单位：mrm图72主梁变截面位置图(单位：mrm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。尺寸表 4所示:Itwh312Ay2_ _36.0 33034 909070

21、2 27059202cm4,12158366.1 y12401.665.9cmS 78X2 X138.7137.7378521cm ,VmaxS 78512 X6119I 0tw270592023.2kN/cm2 9.5kN/cm2,安全3.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= 6119kN= 10=27059202cmi,上翼缘对中和轴的面积距：S1=266X 3.6 X64.1 + 50X 2X 61.3 = 67512cm3下翼缘对中和轴的面积距：S2=78X 2X 138.7 =21637cmk SiVS16119 675121.4Io W1.4 270592

22、02 11.30.97 cm,部位截面尺寸(cmX cm)截卸卸积A(cm)各型心离 面板表面 距离y '(cmDAy'(cm3)各型心离中和 轴距离y=y -y1(cm)Ay2 (cm4)面板部分266 x 3.6 :957.61.81723.71-64.13934597上翼缘50X2.0100.04.6460.0-61.3375769腹板198X6.01188.0104.6124264.838.71779256卜翼缘78X2.01156.0204.631917.6 1138.73001080。合计2401.6158366.19090702角焊缝最小，hf 1.5, 1.5V

23、20 6.7mm。全梁的上下翼缘焊缝都采用 hf= 10mm。4 .腹板加劲肋因近 33。55V80不需设置横向加劲肋。闸门上已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距tw6.0a= 1.486m 。腹板区格划分见图2。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，直接与主梁相连的面板区格，只有区格10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10按下式验算长边中点的折算应力：zh2(my ( mx0x)2my ( mx0x)my0.589 0.446 930X93023622 175N/mm2,2 mx V my 0.3 17553N / mm ,面

24、板区格田的长边中点的主梁弯距和弯应力101 4861223.8 (1.486+ 1486 0.2)2M 1223.8 一 ( 1.486+-一)2 11120kN mM 11120 1063也小丽巾,W 357709 103该区格长边中点的折算应力h ' 2( c )2( C )zhmy mx 0xmy mx 0x7J(-175 )2 (53 31.1)2+175X(53 31.1) 186.9N / mm2 1.55 160 248N/mm2(上式中o- mx, o- my, o- ox的取值均以拉应力为正，压应力为负)故面板厚度选用36mm两足强度要求六、横隔板设计1.荷载和内力计

25、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8）,并且把横隔板作为支承在主梁上的双悬臂梁。图8横隔板截面（单位：mrm如图9示水平次梁为7跨均布连续梁，R可看作它 所受的最大剪力，由规范表查知：作用于竖直次梁 上由水平荷载传递的集中荷载：R (0.607 0.536)q次 ) =1.143 X 529.74 X 1.486 =899.76KN取q = q次中帚用H121121M-qlo Rl0529.741.402899.76 1.40 444.70kN m84842.横隔板的截面选择和强度验

26、算 腹板选用与主梁腹板同高，采用 3300m水60mm上翼缘利用面板，下翼缘采用 200mme 8mm 的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式B= ( 1b确定。b=1486mml0/b 1400/1486 0.942 查表得(1 = 0.284。B=0.284X1486=422mrmW B= 422mm。计算如 下图所示截面几何特性截面型心到腹板中心线距离:422 36 1668 200 8 1654 -106mm422 36 3300 60 200 8截面惯性距：360 330022I 3300 60 1068 200 176012422 3621562221728 106 mm4 Wmi

27、n1764125696291mm3 ,验算应力:M 444.70 106Wmin1256962913.54N/mm2 ,=160N/mm由于横隔板截面高度较大, 10mm。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 =七、纵向连接系设计1 .荷载和内力计算纵向连接系受闸门自重。潜孔式平面滚轮闸门G按下式计算：由附录十一查得，其中A一孔口面积，m2K?闸门工作性质系数，工作与事故闸门K?=1.0K?孔口高宽比修正系数 HB= 1,K?=1.0 K ?水头修正系数，Hs<60m , K?=1.0_0 790 93G 0.073KK2 KHA 9.8KN0 790 930.073

28、1.0 1.0 1.0 X54.9.100 .9.81226.9kN下游纵向连接系承受 0.4G=0.4 X1226.9=490.0KN纵向连接系是做简支的平面桁架。其桁架腹杆布置如图9点荷载为490.82123.37kN杆件内力计算结果如下图:图9纵向连接系计算图（单位：mm2 .斜杆截面计算利用三角形的边长之比与两边的力之比相同的方法计算得斜杆承受最大拉力N=290.97KN同时考虑闸门偶然扭曲是可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即200。选用单角钢 L100X 12,表查得：截面面积 A=2280mm 2回转半径i y0=19.5mm斜杆计算长度10 0.9722 1.4862

29、 (0.4X3.3)2 2.54mu长细比1。i y02540 130.1< 入=20019.5验算拉杆强度:3290.97 102280一. . .2_ _ _127.6N /mm <0.852133N/mm考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低 15%S行强度验算。八、边梁设计边梁的截面形式采用双腹式（如图10 ）,边梁的截面尺按照构造要求确定，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，为了便于安装滚轮，两个下翼缘为用宽度为 400mm勺扁钢做成。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计师将容许应力值降低15%乍为考虑受扭影响的安全储备。图 10

30、边梁截面（单位：mm）1. 荷载和内力计算在闸门每侧边梁上各设两个滚轮。其布置尺寸可见下图边梁计算图（弯矩图、剪力图）（ 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为R=14014KN。（ 2）竖向荷载。有闸门自重、滚轮摩擦阻力、止水摩阻力、起吊力等。上滚轮所受的压力R1 28028kN下滚轮所受的压力R2 28028kN最大弯矩Mmax 19620kN.m最大剪力Vmax 14014kN最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为6621kN （详细计算见后）。在最大弯矩作用截面上的轴向力

31、，等于起吊力减去上滚轮的摩阻力，该轴向力N 6621 0.12 f 2600 0.12 14014 2988.6kN2,边梁的强度验算2截面面积 A=900 X 36+2X400X36+ 2 X 1980X 60 = 298800mm面积矩Smax 900 X36 X100+ 60 X990 X495 = 62062200mm截面惯性矩4I 139807036800mm截面模量1398070368001026136264168mm3截面边缘最大应力验算N M max 2988.6 103A W 29880019620 106136264168.2125.0N/mm <0,8_ . .20

32、.8 X157= 120N/mm腹板最大剪应力验算:Vmax Smax14014 1 03 620622002Itw2 139807036800 6026.2N/mm <0,820.8 95 76N/mm2腹板与下翼缘连接处应力验算:NMmax 丫A Wy2988.6 1032988001980116121.9N/mm20523 14014 103 400 36 2 1 008 2.81N/mm22Itw 2 139807036800 602h2 3 2 由21.923 2.812 122.0N/mm2<0.80.8 160 128N/mm2 以上的验算满足强度要求。九.行走支承设

33、计滚轮计算：轮子的主要尺寸是轮径D和轮缘宽度b,这些尺寸是根据轮缘与轨道之间的接触应力的强度条件来确定的， 对于圆柱形滚轮与平面轨道的接触情况是线接触，其接触应力可按下式计算，其中下滚轮受力最大，其值为28028kN设滚轮轮缘宽度b=600mm轮径D=1000mm1.1PE max 0.418 bR1.1 28028 2.06 1050.418 600 5002260.7N/mm2<2.5 235 587.5N/mm2为了减少滚轮转动时的摩擦阻力，在滚轮的轴孔内还要设滑动轴承,选用钢对10-1铸铁铝磷青铜。轴和轴套间压力传递也是接触应力的形式，可按下式验算:1.1Pcgdb1cg取轴的直

34、径d=750mm轴套的工作长度bi=850mm2滑动轴套容许应cg 50 N/mmcg1.1P1.1 28028 103dbi750 850_.2 .248.4N / mm < cg 50N /mmg轮轴选用45号优质碳素钢，取轮轴直径d=700mm其工作长度为b=850mm对其进行弯曲应力和剪应力验算:M max 9809 KN ?mVmax33.14 70012_ _ 3897516667mmM maxW9809 10689751666714014KN109.3N /mm2<0.820.8 X145= 116N /mm2VmaxI314014 10384650 . .236.4

35、N /mm <0.8_ _ .20.8X95=76N / mmcj轴在轴承板的连接处还应按下式验算轮轴与轴承板之间的紧密接触局部承压应力:cj轴承板所受的压力NP1214014KN取轴承板叠总厚度t 160mm故cjN 14014 103d t 700 160，2125.1N/mm <0.8 cj-20.8X160=128N/mm十、滚轮轨道设计1.确定轨道钢板宽度2轨道钢板宽度按钢板承压强度决定。根据 Q235钢的容许承压应力为100N/mm ,则所需要的轨道底板宽度为Pl28028 103b 60046713N / mm46713100467.13mm ,取 B=500mm故轨道地面压应力:c2.确定轨道底板厚度46713500293.43N/mm轨道底板厚度6按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力:c t22式中轨道底板的悬臂长度c=40mm对于Q235由表查得 100N /mm故需要轨道