水利水电工程钢结构课程设计露顶式平面钢闸门设计

aaaa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、 设计题目某小型露顶式闸门设计拦污栅设计二、 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x高）：4.5mx4m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，满足m级焊缝⑥质量检验标准规范：《水利水电工程钢闸门设计规范SL1974-2005》3、拦污栅设计拦污栅型式：固定式平面拦污栅尺寸（宽x高）：4.5mx4m水头：2m三、 闸门结构的形式及布置1.闸门尺寸的确定

闸门咼度：考虑风浪产生的水位超咼为0.2m,故闸门咼度=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=78,5KN/nCO-TUO一寸hhldcooh_q=78,5KN/nCO-TUO一寸hhldcooh_q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。aaaa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寸=H/3=1.33m，并要求下悬臂a>0.12H,和a>0.4m,上悬臂eV0.45H,今取a=0.5m^0.12H=0.48m主梁间距2b=2（y-a）=2*0.83=1.7m贝U c=H-2b-a=4-1.7-0.5=1.8m=0.45H足要求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）图2梁格布置尺寸图（单位：mm）连接系的布置和形式aaaa(1)横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置道横隔板，其间距为1.63m,横隔板兼作竖直次梁。⑵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》(SL74-95)，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t„ _计算\0.9以，］1kpI当b/a…3时，a=1.5，则t=a\ =0.68%,;kp\o.9xl.4xl60■kp当b/a>3时，a=1.4，贝Ijt=a| =0.07a脚\o.9x1.4x160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(mm)I90016231.800.6510.0040.0513.13II88016231.840.4900.0130.0804.79III78016232.080.4970.0210.1025.4

IV74016232.19V34016234.770.4970.0300.1216.080.7500.038IV74016232.19V34016234.770.4970.0300.1216.080.7500.0380.1683.892、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max中最大弯应力q 【。】=160N/mm2则max=的横向拉力P按式P=max中最大弯应力q 【。】=160N/mm2则max=P=0.071€ =0.07X8X160=89.6(N/mm)max面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力T=VS/2I=177000X620X8X118/(2X446700000)=77(N/mm)由式h八P2+T2/(0.7…„4计算面板与主梁连接的焊缝厚度为f ff th=((p/1.22)2+T2)A(1/2)/(0.7[ih)=(89.6X89.6+77X77/(0.7X113)=1.5(mm)f t面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=6mm五、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,上下作用在它们上面的水平压力可按式q=p 计算。列表2计算后得8=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p /m2)梁间距(m)a,a上 下q=a,a上 下q=p 2(kN/m)备 注2(m)1(顶梁)0.95顶梁荷载按下图计算0.9828.10.9758.000.973上主梁17.70.9216.230.87425.20.8521.420.835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..35m(图3)。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为M=0.080ql2=0.080X21.42X1.63X1.63=4.55(kN.m)次中支座B处的弯矩为MWB==0.100ql2=0.100X21.42X1.63X1.63=5.69(kN.m)q=21,42kN/I)q=21,42kN/I)图3水平次梁计算简图和弯矩图（2）截面选择。W=M/[o]=5.69X106/160=35563mm3考虑到利用面板作为次梁截面的一部分，初选[1。，由附录三表4查的:A=1274mm?；Wx=39700;Ix=198300;b=48mm;d=5.3mm。8图4面板参加水平次梁工作后的组合截面（单位：mm）面板参加次梁工作有效宽度分别按式（1）及式B=€b或B=€b（其中1 2b叫+«）/2）计算，然后取其其中较小值。式(1)B<b+60t=48+6X8=528mm1B呷（对胯间正弯矩段）B=€b（对支座负弯矩段）2按4号梁计算，设梁间距）=（b+b）/2=（870+830）/2=850（mm）定式1 2中面板的有效宽度系数€时，需要知道梁弯矩零点之间间距l与梁间距b比0值。对于第一跨中正弯矩段取l=0.81=0.8X1633=1306。对于支座负弯矩段0取l=0.4X1633=653。0L/b00.51.01.52.02.5345681012€10.200.400.580.700.780.840.900.940.950.970.981.00€20.160.300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92表3面板有效宽度系数5和€2根据L/b查表3,得0对于L/b=1306/850=1.54，得€=0.59 ，则B=0.59X01850=502(mm);对于L/b=653/850=0.75，得€=0.23,^ijB=0.23X0 1850=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+502x8=5290mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离为

e=502X8X54/5290=41(mm)跨中组合截面的惯性矩及截面模量为I 198300+1274X42+502X8X132=3020000mm4次中=W=3020000/91=33200mm2min对支座B=196mm，则组合截面面积为A=1274+196x8=2842mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离为e=196X8x54/2842=30(mm)支座处组合截面的惯性矩及截面模量为I=198300+1274X302+196X8X342=3157508mm4次BW=3157508/80=39469mm2min(3)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q =M /W=5.69X次 次 Bmin106/39469=144N/mm2<[o]=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=5.69kN.m,次B则边跨挠度可近似地计算为Ml

——次B-

16EI次wMl

——次B-

16EI次—, x l384EI次

=5/384Xql3/EI-M1/16EI=5X21.42X(1.63X103)3/(384X2.06次次B 次X105X302X104)-5.69x10eX1.63X10s/(16X2.06X10sX302X104)=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［10o底梁也采用［10六、主梁的设计设计资料。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L=4.5m;1主梁荷载：39.3KN/M;横向隔板间距：1.63m;主梁容许挠度［w］=L/600o主梁设计。主梁设计包括：。截面选择；G)梁高改变;。翼缘焊缝；。腹板局部稳定验算；①面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。d=0,20d=O.EOII

。腹板局部稳定验算；①面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。d=0,20d=O.EOII奇一寸兰后己I-[图5平面闸门的主梁位置和计算简图1）奇一寸兰后己I-[图5平面闸门的主梁位置和计算简图1）截面选择。Q弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下M:max=(39.3X4.5/2)XM:maxV=qL/2=0.5X39.3X4.5=89(KN)max1需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力kLi60N/mm2,考虑钢闸门自重应力引起的附加应力作用，取容许应力为0.9x160,144N/mm2,则需要的截面模量为W=M/[o]=84X100/(144X0.1)=584cm2max①腹板的高度选择。按高度要求的最小高梁（变截面梁）为h=0.96X0.23X[0]L/E[w/L]=0.96X0.23X144X10QXmin4.9X100/[2.06X107X（1/600）]=45.4cm经济梁高h=3.1W2/5=3.1X5842/5=55.2cmec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h小，但不小于h，然而根据本设计的所得的h和h而言选用腹板高度ec min ecminHo=50cmo。腹板厚度选择。按经验公式计算：tw=h/11=5011=0.64，选用t=1.0cm。a①翼缘截面选择。每个翼缘截面为A=W/h-th/6=584/50-1.0x50/6=4cm21 0w0下翼缘选用t=2.0cm（符合钢板规格）1需要，选用b=A/t=4/2.0=2cm，选用b=15cm（在1 1 1 1hh 20-10cm之间）。2.55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t=2.0cm，b=14cm。11面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为B=b+60a=14+60X0.8=62cm;1上翼缘的面积为A=14X2.0+62X0.8=77.6cm21Q弯应力强度验算。主梁跨中截面（图6）的几何特性见表4。截面形心矩为图6主梁跨中截面（单位：mm）y=YAy7YA=3075/157.6=19.5cm;截面惯性矩I=th3/12+^Ay2=1X503/12+66486=76903cm4w0截面模量：上翼缘顶边 W=I/y=76903/19.5=3943cm4；min1下翼缘底边 W=I/y=76903/35.3=2179cm2；min2弯应力Q=M/W=84X50/2179=2.1kN/cm2<0.9Xmaxmin16=14.4kN/cm2,（安全）表4 主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸(cmxcm)截面面积A^cm2)各形心离面板表面距离，(cm)Ay'^cm3）各形心离中和轴距离y=y-yAy2Cm4）面板部分62X°849.60.419.8-19.118095上翼缘板14X2.028.01.850.3-17.78772

腹板50X1.050.027.813908.34324下翼缘15X2.030.053.8161534.335295合计157.6307566486Q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hs=0.6h=30cm（图7）0 0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163-1。=153cm300.18 140率300.18 140率2厂1,1020150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截面尺寸(cmxcm)A^cm2)y(cm)Ay(m3)y=y-y(cm)1Ay2(m4)面板部分62X0.849.60.419.8-11.66675上翼缘板14X2.028.01.850.3-10.24732腹板30X1.030.017.85345.81009下翼缘15X2.030.033.8101421.814257合计137.6161826673截面形心距y=1618/137.6=12cm截面惯性矩I=1X6OX6QX60/12+26673=44673cm40截面下半部对中和轴的面积矩S=30X21.8+16.8X1.0X16.8/2=796cm3剪应力t=VS/It =89X796/44673Xmax0 o1.0=1.6KN/cm2<[T]=9.5KN/cm2,安全。3）翼缘焊缝翼缘焊缝厚度（焊脚尺寸）h按受力最大的支承端截面计算。最大剪应力fV=89kN，截面惯性矩I=44673cm4。max 0部位截面尺寸（cmxcm）A.(m2)y(cm)Ay(m3)y=y-y(cm)1Ay2(m4)面板部分62X0.849.60.419.8-11.66675上翼缘板14X2.028.01.850.3-10.24732腹板30X1.030.017.85345.81009下翼缘15X2.030.033.8101421.814257合计137.6161826673上翼缘对中和轴的面积矩S=49.6X11.6+28X10.2=870cm3；1下翼缘对中和轴的面积矩S=30X21.7=654cm3<S；1需要h=VS/1.4I[io]=89x870/(1.4X44673X11.3)=0.109mf1 0f角焊缝最小厚度h产1.5t0.5=1.5X200.5=6.7mm全梁的上、下翼缘焊缝都采用h=8mm。f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=1.8X17.7/2X2.35X1.8/3=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500mmX8mm,上翼缘利用面板，下翼缘采用00mmX8mm的扁钢。上翼缘可利用面板宽度按B=gb确定，其中b=1633mm,按1/b=2X2 01800/1633=2.21从表3查得有效宽度系数8=0.54贝B=0.54X21633=882m，取B=850mm 。计算如图9所示的截面几何特性。aaaa200*8图200*8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=850X8X254-200X8X504/(1200X8+200X8+900X8)=107mm截面惯矩为I=8X5003/12+8X500X1072+8X200X3612+8X850X1472=48459X104mm4截面模量为W=48459X104/365=1327628mm3min验算弯应力为6=M/Wmin=22.5X106/1327628=16.9N/mm2<[d]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h=6mm。f八、纵向连接系

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G=KKK7/1.43B0.88x9.8*N计算zcgG=KKKHi.43Bo.88X9.8Wzcg=0.81X1.0X0.156X41.43X4.5o.88X9.8=34.8kN下游纵向连接系承受O.4G=O.4X34.8=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1。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。奕⑷ 4,7kN 4,7kN 2,3kNCOCO4米1633=4900T —7kN 7kN图1。纵向连接系计算图 (单位：mm)斜杆截面计算。斜杆承受做大拉力N=6.65KN.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，即入V［入］=2。。选用单角钢LX100X8,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=0.9X*1.63x1.63,1.63x1.63,0.4x0.4b=2.11m长细比入=l/i=2.11X103/19.8=106.6<[A]=2000y0验算拉杆强度€=6.65X103/1560=4.3N/mm2<0.85[b]=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（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。aaaa上滑块所受的压力R=89X1.63/2.2=66kN1下滑块所受的压力R=178-66=112kN2最大弯矩M=66xO.5=33kN.mmax最大剪力V=R=66kNmax1最大轴向力为作用在一个边梁上的启吊力，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-Rf=1OO-66XO.12=92.O8kN。1(2)边梁的强度验算。截面面积A=300X10+2X300X14=11400mm2面积矩S=14X3OOX157+1OX150X75=771900mm3max截面惯性矩I=10X300X300X300/12+2X300X14X157X157=229551600mm截面模量W=229551600/164=1399705mm3截面边缘最大应力验算q=N/A+M/W=92.08X1000/11400+33Xmax max1000000/1399705=8+24=32N/mm2<0.8[o]=126N/mm2腹板最大应力验算t=VS/It=66X100X771900/(229551600X10)maxmaxw==22.1N/mm2<0.8[i]=76N/mm2腹板与下翼缘连接处折算应力验算q=N/A+M/W.y'/y=8+24X150/164=30N/mm2max maxt=VS/It=66X1000X300X14X157/(22.95516X107X10)maxiw=19N/mm2q=<b2+3t2=：30x30+3x19x19=44.6<0.8Q]=128N/mmzh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=112X100/300=374N/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)<10001000~20002000~30003000~4000轨道圆弧半径R(mm)100150200300轨道设计宽度b(mm)25354050aaaaaa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,=104口<max \Rq=104,q=104x：374=202N/mm2<[o]=500N/mm2max 100 j选定胶木高20mm，宽80mm，长300mm。卜一、胶木滑块轨道设计3030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1。表2查得混凝土的容许承压应力为,L7N/mm2，则所需的轨

h道底板宽度为B= q=374/7=54mm取(B=130mm)

h【,】 hh故轨道底面压应力为q=374/130=2.9N/mmh

(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b=3b豊„la]h12式中轨道底板的悬臂长度C=52.5mm,对于Q235钢，查得【。】=100N/mm2故所需轨道底板厚度为t=\尧】t=\尧】飞W9*=15-5mm100（取t=30mm）十二、闸门启闭力和吊座计算（1）启门力按式T=1.2（T+T）+nG+P+G+Wq（其中P=pDB）启 zdzsGxjs x 2计算T=1.1G+1.2（T+T）+P

启 zdzsx其中闸门自重G=34.8kN滑道摩阻力T=fp=0.12x314=38kNzd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aaaab=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 T=2X0.65X0.06X4X19.6=6.1KN下吸力P底止水橡皮采用I110—16型,其规格为宽16mm、长110mm。尤底止水沿门跨长4.9m。根据《水利水电工程钢闸门设计规范》：启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m计算，则下吸力为P€20x4.9x0.016=\.6kNX故闸门启门力为T€1.1X34.8,1.2x(38,6.1),1.6=95kN启(2)闭门力按式T€1.2(T,TnG,P计算闭 zdZSGtT€1.2(T,T)-0.9G闭 zdzs=1.2X(38+6.1)-0.9X34.8=22kN显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。由于该溢洪道闸门孔口较多，若把闸门行走支承改为滚轮，则边梁需由单腹式改为双腹式，加上增设滚轮等设备,则总造价增加较多。为此，应考虑采用一个重量为200kN的加载梁，在关闭时可以一次对需要关闭的闸门加载下关闭。24)吊轴和吊耳板验算(图14)1)吊轴。采用Q235钢，查得LL65kN/mm2，采用双吊点，每边启吊力图14吊轴和吊耳板（单位：mm）P=1.2x丄=1.2x竺=57kN2 2吊轴每边剪力需要吊轴截面积29x10329x103=447mm2［，］ 65兀d2A= =0.785d24故吊轴直径A-447dZ =， =24(mm)(取d=80mm)V0.785v0.7852）吊耳板强度验算。按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按式N,= cjdt<，]计算，查的Q235钢的，L80/mm2，故cj cjP 57x1039()t= = =9(mm)d[,] 80x80cj因此在边梁腹板上端部分的两侧各焊一块厚度为20mm的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为3d=3x80=240mm。吊耳孔壁拉应力按式,=,"V,]计算KcjR2一r2 kR2+r2,=, <0.8[,]k cjR2—r2 k式中,=P/td=57x103/(20x80)=35.7(N/mm2)，吊耳板半径cjR=120mm；轴孔半径r=40mm;又查