露顶式平面钢闸门设计1

1、水工钢结构课程设计题目:露顶式平面钢闸门设计姓名:赵扬班级:09级农业水利工程学号:2009095070指导老师：刘丽霞一、设计资料闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门；孔口净:9.60m;设计水头：5.7m；结构材料：Q235钢；焊条：E43;止水橡皮：侧止水用P型橡皮；行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2;混凝土强度等级：C20。二、闸门结构的形式及布置(1)闸门尺寸的确定。1) 闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.4m，故闸门高度=5.7+0.2=5.9m2)闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：Li=9.6m；3)闸门计算跨度：L=L°+2d=9.6+2X0.2=10m。(

2、2)主梁的形式.为了方便制造20L1=9.6P=159.2N/m91一一0H7595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,和维护，决定采用用实腹式组合梁。(3) 王梁的布置。根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。为使两个主梁设计水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,并要求下悬臂a>0.12H和a>0.4m、上悬臂c<0.45H,今取a=0.65m0.12H=0.68m主梁间距2b=2(y-a)=2X(1.9-0.65)=2.5m.则c=H-2b-a=5.7-2.5-0.65=2.55(m)<0.45H(满足

3、要求)(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，其间应上疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁布置的具体尺寸。I1一妙0D一D5水平找梁顶梁1窝V1,«宮*n王律nnr*11oLO/11intraj3IV揉平拔梁n1V尹1QP-cs辺1i药-9l|25E0気0r二gII1!oq栗格布富尺寸图（5）连接系的布置和形式。1）横向联接系，根据主梁的跨度决定布置三道隔板，其间距为2.35m横隔板兼作竖直次梁。2）纵向联接系，设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。（6）边梁与行走支承。边梁采用单腹式，行走

4、支承采用胶木滑道。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。假定梁格布置如图所示。面板厚度按下式计算：t=09p-当b/a<3时,=1.5，则t=akp0.91.5160=0.068a、kp当b/a>3时,=1.4,贝Ut=akp091.4160=0.07akp现列表如下:梁格a(mm)b(mm)b/akp(N/mm2)护t(mm)I165025901.570.5840.0070.0647.18n101025902.570.5000.

5、0210.1027.01川86025903.010.5000.0310.1257.50IV79025903.370.5000.0400.1427.65V690125903.750.5000.0480.1557.4853025904.890.7500.0550.2037.53根据上表计算，选用面板厚度t=7mm。（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拉力P,已知面板厚度t=7mm,并且近似地取板中最大弯应力max=160Nmm则P0.07tmax0.07816089.6(/mm)面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为：VS4410006208306T207（/mm

6、）21°21617000000由式（6.8)计算面板与主梁连接的焊缝厚度为：hf.P2T2/(0.7J,89.622072/(0.7115)2.8(mm)面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf6mm四、水平次梁、顶梁和底梁的设计（1）荷载与内力的计算水平次梁和顶底梁都是支承在隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力按公a上a下式：qp2现列表计算如下：q=160.31kN/m梁号梁轴线水压强度（kN.fmm2）梁间距（mm）a上a2(m)a上a下qP2(kN/m)1（顶梁）1.425215.41.42521.951.0403（上主梁）26.51.00527.560.859435.80.83

7、032.040.825544.00.76036.300.7056（下主梁）51.90.62036.590.4007（底梁）57.80.35023.12根据上表计算，水平次梁计算荷载取31.01KN/m,水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.35m.如下图所示。水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为：M次中0.077ql20.07732.242.5215.52(kN支座B处的弯矩为：M次B0.107ql20.10732.242.5221.56(kN?m)q=32.4kN/m(1)截面选择63134750(mm)21.5610160考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选槽钢18a,由附录表查得：A=2569(m

8、m2)；WX=141400(mm3);Ix=12727000(mm4)b1=68(mm);d=7(mm)面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取其中最小值。B<b1+60t=68+60x8=548(mm)B=E1b(对跨间正弯矩段)；B=E2b(对支座负弯矩段);44按5号梁计算，设梁间距b=(bi+b2)/2=(780+770)/2=775(mm).确定上式中面板的有效宽度系数E时，需要知道梁弯矩零点之间的距离Lo与梁间距b之比值。对于第一跨中正弯矩段取I。=0.8l=0.8x2500=2000(mm)对于支座负弯矩段取l0=0.4l=0.4x2500=1000(mm)根据l0/b查

9、表得：对于l0/b=2000/775=2.581得E1=0.79J则B=E1b=0.79x775=612(mm)对于10/b=1000/775=1.290得E2=0.37则B=E2b=0.37X775=287(mm)对于第一跨中弯矩选用B=485(mm)则水平次梁组合截面面积:A=2569+548X8=6953(m组合截面形心到槽钢中心线的距离为：59(mm)548894e6953跨中组合截面的惯性矩及截面模量为:I 次中127270002569592548835227040089(mm4)27040089149181500(mm2)对支座段选用B=287(mm)则组合截面面积:A256928

10、784865(mm2)组合截面形心到槽钢中心线的距离:287894496945(mm)支座处组合截面的惯性矩及截面模量:I次B127270002569442287848222990568(mm4)229905682、Wmin171571(mm)134(3)水平次梁的强度验算。由于支座处B弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即：621.5610115771125.7(N/mm2)160N/mm2说明水平次梁选用槽钢18a满足要求扎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

11、次B=21.56kN?m,则边跨挠度可近似地按下式计算：5ql3M次bIl384EI次16EI次532.24(2.5103)321.561062.51033842.061052704104162.06105270410410.000573l2500.004故水平次梁选用槽钢18a满足强度和刚度要求。2.（5）顶梁和底梁顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度,所以也采用槽钢18a。底梁也采用槽钢18a。五、主梁设计（1）设计资料1 ）主梁跨度净宽L°=9.6m;计算跨度L=10m荷载跨度L1=9.6m；2 ）主梁荷载q=P/2=79.6KN/m.3）横向隔间距

12、：2.5m.4）主梁容许挠度：=L/600。0.2m二他*I：/瞰L=10mQ=p/2=79.6KNL1=9.6m0.2m刃5=H91一0H_jaiiiL=10m（2）主梁设计主梁设计内容包括：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。1）截面选择 弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下：max79.69.6,10993(kN?m)、maxqL2179.69.6382.08(kN) ）需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力=160N/mrh考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力=0.9X160=144N/mm则需要的截面模量为：max993100

13、1440.136896(cm) 腹板高度选择按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为:hmin0.960%L/L0.960.231441029.61022.06107(1/600)88.9(cm)经济梁高hec3.1W2/53.168962/5106.4(cm)土慣比序罐岐九回由于钢闸门中的横向隔板质量将随主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比hec小,但不小于hmin。现选用腹板高度h。100cm。 腹板厚度选择。按经验公式计算：twh/11.100/110.91cm，选用t1.0cm62 翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为：A1000X10300X2068961.0100100624954(cm)下翼

14、缘选用t12.0cm（符合钢板规格）需要bi=52Cm26cm,选用t12.0cmb|26（在3618cm之间）.2.55上翼缘的部分截面可利用面板，故只2.0cm,b114cm.面板兼作主梁上0.862(cm)需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用ti翼缘的有效宽度取为：Bb1601460上翼缘面积：A1142.0600.876(cm2) 弯应力强度验算主梁跨中截面（见下图）的几何特性如下表:部位截面尺寸(cmcm)截面面积A(cm2)各形心离面板表面距离y(cm)Ay'(cm3)各形心离中和轴距离yy%(cm)A2f4、Ay(cm)面板部分62X0.849.60.419.8-50.1

15、124300上翼缘板14X2.028.01.850.3-48.766200腹板100X1.0100.052.852802.3530下翼缘34X2.068.0103.8705853.3193200合计245.612408336035Ay截面形心矩：y110747.846.8(cm)A229.6截面惯性矩：1th0A21.0Ay3100336035328062(cm4)1212截面模量：上翼缘顶边：WminI4193688961(cm3)y146.8下翼缘底边：WminI4193687230(cm3)y258弯应力：99310013.7(kN/cm2)<0.91614.4(kN/cm2)(安

16、全)Wmin77230 整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢板相连，按设计规范>规定可不必验算整体稳定性。又因梁高大于刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。2)截面改变。因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度(节省钢材)，有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小h；O.6ho60cm。梁高开始改变的位置取在临近支承段的横向隔板下翼缘的外侧，离开支承段的距离为250-10=240cm。260X20剪切强度验算：考虑到主梁段部的腹板及翼缘部分分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字钢截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何特性如下表。部位截面尺寸(cmXcm)A(cm2)y&

17、#39;(cm)3Ay(cm)Y=y'-y1(cm)Ay2(cm3)面板部分62x0.849.60.419.8-50.146443上翼缘板14X2.028.01.850.3-48.723874腹板100X1.06032.819682.3194下翼缘34x2.068.063.8433853.373157合计205.653561259785356截面形心距：y126.1(cm)205.6截面惯性矩：|060125978143978(cmF翼缘对中和轴的面积矩：S226237.81966(cm3)>3)1225002500截面下半部中和轴的面积矩：368S26.1237.836.81.

18、02643(cm2)2剪应力:VmaxS9.5kN/cm2(安全)lot卫8226437.01(kN/cm2)<1439781.0需要hfVS1410f38219660.34(cm)1.414397811.3角焊缝最小厚度hf15、t1.5.206.7(mm)全梁的上、下翼缘焊缝都采用hf8mm4）腹板的加劲肋和局部稳定验算。加劲肋的布置：因为h010°10080,故因为闸门上已布置横向隔板可兼需设置横向加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。作横向加劲肋，其间距a250cm。梁高与弯矩都较大的区格U可按（/erf（/erfc/c.cr1验算:区格u左边及右边截面的剪应力为：必左382

19、-79.6（4.8-2.5）199（kN）;乂右0区格U截面的平均剪应力为:M左Vu右)/2hot199/21001.029.95(N/mm)1区格U左边及右边截面上的弯矩分别为:3822.5-79.6(4.8-2.5)274(kN?m)Mu右Mmax993kN?m区格u的平均弯矩为：MuMu左Mu右744993869(kN?m)22区格u的平均弯应力为：Muy。869440106291.2(N/mm)I419368104计算crh°/tfy102350.56,0.85177235177235cr160N/mm2计算cr，由于区格长短边之比为2.5/1.0>1.0hp/t41,

20、5.344(h0/a)2100/1.0r-_2415.344(100/250)21.0则cr10.59(s0.8)将以上数据代入公式（/cr）'(/cr)2c/c.cr91.229.9516083.80.198<1.0（这里无局部压应力）满足局稳要求，故在横隔板之间(区格U)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ho(10060)/280(cm)，因h°/t80，不必验算，故在梁高减少的区格I内也不必另设横向加劲肋。5)面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。从上述的面板设计可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有W区格所需板厚度较大，这意味

21、着该区格的长边中点应力也较大，所以选取区格W,并验算其长边中点的折算应力。面板区格W在长边中点的局部弯曲应力为：mymxkpa2t2my20.750.052510822158(/mm)0.315847(/m2)23对应于面板区格W在长边中点的主梁弯矩和弯应力为:79.64.83.75279.63.55931(k?m)M93110620xw8r104(/mm)面板区格W的长边中点的折算应力为:zhmy(mx0x)2my(mx0x)158(47104)2158(47104)/mm2)193(/mm2)1.11.11.4160246.4(上式中my、mx和0x的取值均以拉应力为正号，压应力为负号故面

22、板厚度选用7mm，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做竖直次梁，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(见下图)，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：M2.5525.22.525568.3(k?m)278横隔板裁面團(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1000mmx8mm,上翼缘利用面板，下翼缘采用200mmx8mm的扁钢，上翼缘利用面板的宽度按B=E2b确定，其中b=2500mm按l0/b22550/25002.04,查表

23、可得有效宽度系数E2=0.51，则B=0.51X2500=1275取B=1300mm截面形心到腹板中心线的距离为：13°085°42°085°413008200810008截面惯矩为:8100031222810002222820072628130082244273131104(mm4)截面模量为：Wi42731311073033741500(mm)验算弯应力为：M68310618.3(/mm2)Wmin3741500in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hf6mm。七、纵向连接系设计(1)载荷和内力计算纵向连接系受

24、闸门自重。露顶式平面钢闸门G按式计算：GKzKcKgH143B0.889.80.811.00.135.71.439.60.889.891(k)下游纵向连接系承受：0.4G0.49136.4(k)纵向连接系视为简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如下，其结点荷载为36.449.1(k)杆件内力计算结果如图所示(2)斜杆截面计算。斜杆承受最大拉力N=17.33kN,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90X8,由附表查得：截面面积：22A15.6cm1560mm回转半径：iy01.98cm19.8mm斜杆计算长度：1。0.9.2.522.520.423

25、.2(m)I03.2103小长细比：161.62001y019.819.310322验算拉杆强度为：12.4(/mm)0.85133(/mm)1560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(3)斜杆与结点板的连接计算(略)。八、边梁设计边梁的截面形式采用单腹式(如图)，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，为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不宜小于300mm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20%乍为考虑受扭影响的安全储备。(1)荷载和内力计算。在闸门每侧边梁上各设六个滚轮。

26、其布置尺寸可见下图。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，见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=333.45kN。2)竖向荷载。有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、启吊力等。38225上滑块所受的压力：Ri38b5304(k)下滑快所受的压力：R2764304460(k)最大弯矩：Mmax3040.64194.6(k?m)最大剪力：VmaxR1301(k)最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为200kN(详细计算见后)。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滚轮的摩阻力，该轴向力N200R1f200304

27、0.12163.52(k)。1p111o10I11i1边梁截面图F1上主梁作用力382KN下主梁作用力382KN边浜计算图(2)边梁的强度验算。截面面积:A6001023001414400(mm2)面积矩:截面惯性矩:Smax14300307103001501739400(mm10600324I230030714971691600(mm)12)截面模量:W9716916003094600(mm3)314截面边缘最大应力验算:maxNMmax163.5210314400匹74(/mm2)0.8128(/mm2)3094600腹板最大剪应力验算:VmaxSmax304101739400It9169

28、16001054(/mm2)0.80.89576(/mm2)腹板与下翼缘连接处折算应力验算:6330071(3142/mm)VmaxS304103It3001430797.1691610710240.3(/mm)232、712340.3299.6(/mm2)2h以上验算均满足强度要求。0.80.8160128(/mm2)九、行走支承设计胶木滑块计算：滑块位置如图所示，下滑快受力最大，其值为R2460k。346010滑块长度为350mm则滑块单位长度的承压了为：q沖3501314(/mm)根据上述q值由表查得轨顶弧面半径R=150m，轨头设计宽度为b=35mm胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按式（6

29、.14）进行验算:max104R1314308(/mm2)j500(/mm2)选定胶木高30mm宽120mm长350mm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承压强度决定。根据C20混凝土由附表9.2查得混凝土的容许承压应力为h7/mm2，则所需要的轨道底板宽度为:Bh13147188(mm)(取Bh200mm)1314200（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故轨道底面压应力为：h6.5(/mm2)力为:F150亠82.5-82.5220式中轨道底板的悬臂长度c=82.5mn,对于Q235钢，查得100/mm220036.5782.5210036.6(mm)(取t40mm)故所需轨道底板厚度为:卜一、闸门启闭力和吊座计算(1)启门力按式计算：T启1.1G1.2(TzdTzs)FX其中闸门自重：G91k滑道摩阻力：TzdfP0.12159.29.61