水工刚结构平面定轮钢闸门设计计算书

水工刚结构平面定轮钢闸门设计计算书<1>闸门尺寸的确定 2 4 9 一.设计任务《钢结构》课程设计的任务为某节制闸工作闸门的设计。二．设计资料某供水工程，工程等级为1等1级，其某段渠道上设有节制闸。节制闸工作闸门操作要求为动水启闭，采用平面定轮钢闸门。本闸门结构设计按SL74-95《水利水电工程钢闸门设计规范》进行。基本资料如下：孔口尺寸：6.0m×6.0m(宽×高)；底槛高程：23.0m；正常高水位：35.0m；设计水头：12.0m；门叶结构材料：Q235A。三．闸门结构形式及布置1.闸门尺寸的确定闸门的高度：H=6+0.5=6.5m闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=6.1m闸门计算跨度：L=L0+2d=6+2×0.2=6.4m2.主梁的数目及形式主梁是闸门的主要受力构件，其数目主要取决于闸门的尺寸。因为闸门跨度L=6.4，闸门高度H=6.5，L<h。所以闸门采用4根主梁。本闸门属于中等跨度，为了便于制造和维护，决定采用实腹式组合梁。3.主梁的布置本闸门为潜孔式闸门，按公式2经计算：β=1.064y1=6.64my2=8.53my3=10.06my4=11.39m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。4.梁格的布置及形式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。水平梁为连续梁，间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等。5.连接系的布置和形式横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置3道隔板，其间距为1.6m，横隔板兼作竖直次梁。布置图见附图1.四、面板设计根据《钢闸门设计规范SDJ—78（试行）》关于面板的设计，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附图1所示。面板厚度按下式计算当b/a≤3时，a=1.5,则t=a=0.068a计算表见附表1.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挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力P表达式按下式计算，已知面板厚度t=12mm,并且近似地取板中最大弯应力σmax=[σ]=160N/mm2,则面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：面板与主梁连接的焊缝厚度：面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度hf=6mm。五、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，即计算表格见附表2。根据计算，水平次梁计算荷载取71.08kN/m，水平次梁为4跨连续梁，跨度为1.6m，水平次梁弯曲时的边跨弯距为:M次中＝0.077ql2=0.077х71.08х1.62=14.01kN.m支座B处的负弯距：M次B＝0.107ql2=0.107х71.08х1.62=19.47kN.m2.截面选择考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选［18b,由附录三表四查得：A=2929mm2;Wx=152200mm3;Ix=mm4;b1=70mm;d=9mm。面板参加次梁工作的有效宽度分别按下式计算，然后取其中较小值。B≤b1+60t=70+60Х12=790mm;1b(对跨间正弯距段)2b（对支座负弯距段）。0=0.8l=0.8Х1600=1280mm;对于支座负弯距段l0=0.4l＝0.4Х1600＝640mm。根据l0/b查表：对于l0/b＝1280/945＝01.354得ζ1＝0.53，得B=ζ1b＝0.53Х945＝501mm,对于l0/b＝640/945＝0.677得ζ2＝0.21，得B=ζ2b＝0.21Х945＝198mm,对第一跨中选用B＝501mm,则水平次梁组合截面面积见附图2:面积为A=2929+501Х12=8941mm2;组合截面形心到槽钢中心线得距离：跨中组合截面的惯性距及截面模量为：I次中＝+2929Х652+501Х12Х312＝mm4对支座段选用B＝198mm，则组合截面面积：A=2929+198Х12=5305mm2;组合截面形心到槽钢中心线得距离：支座初组合截面的惯性距及截面模量为：次B＝+2929Х432+198Х12Х532＝mm43.水平次梁的强度验算由于支座B处处弯距最大，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.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B支座处截面的弯距已经求得M次B=19.41kN.m,则边跨挠度可近似地按下式计算： =ℴ384×2.06×105×16×2.06×10=0.000274≤[]==0.004故水平次梁选用[18b满足强度和刚度要求。六、主梁设计(一)设计资料1）主梁跨度：净跨（孔口净宽）L0＝6m；计算跨度l＝6.4m；荷载跨度l1＝6.1m。2）主梁荷载＝=139.3kN横向隔板间距：1.6m。4）主梁容许挠度：[W]=L/750。（二）主梁设计主梁的设计内容包括：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（1）弯距和剪力。弯距与剪力计算如下：剪力：Vmax==424.9kN需要的截面抵抗距已知A3钢的容许应力[σ]=160N/mm2,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力[σ]=0.9×160=144N/mm2,则需要的截面抵抗矩为；（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：hec=3.1W2/5=3.1×(4941.7)2/5=93.09cm。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hec为小，但不小于hmin。现选用腹板厚度h0＝90cm。(4)腹板厚度选择tw=/11=/11=0.86cm,选用tw＝1.0cm。(5)翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为下翼缘选用t1＝2.0cm（符合钢板规格需要b1==20cm,取B1＝20cm,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＝14cm，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为B＝b1+60t＝14+60Х1.2＝86cm。上翼缘截面面积A1=14Х2.0+86Х1.2=131.2cm2。(6)弯应力强度验算.主梁跨中梁面的几何特性见附表3.主梁跨中截面见附图3.截面形心距：y1==35.5cm,截面惯性距+ΣAy2=+309091=369841cm4,截面抵抗距：上翼缘顶边Wmax==10418cm3,下翼缘底边Wmin==6195cm3,（7）整体稳定性与挠度验算。因主梁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（节约钢材有必要将主梁承端腹板高度减小为h=0.6h0=60cm。见附图4.梁高开始改变的位置取在临近支承端的横向隔板下翼缘的外侧，离开支承端的距离为160-10=150.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。可按工字型截面来验算剪应力强度，主梁支承端面的几何特性见附表4.=8.1kN/cm2<=9.5kN/cm3.翼缘焊缝翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。Vmax＝424.9kN。I0=124032cm4，上翼缘对中和轴的面积距：S1=103.2Х17.5+28Х15.9=2251cm3，下翼缘对中和轴的面积距：S2=40Х40.1＝1604cm3<S1,角焊缝最小，hf≥1.5=1.5=6.7mm。全梁的上下翼缘焊缝都采用hf＝8mm。4.腹板的加筋肋和局部稳定性验算因=90>80,故需设置横向加劲肋，以保证腹板局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距a＝160cm。腹板区格划分见图6。梁高与弯矩都较大的格局可按式≤1验算。区格2左边及右边截面的剪力分别为V区格2截面的平均剪应力为区格2左边及右边截面上的弯矩分别为Ⅱ左2(2,,Ⅱ左2(2,MⅡ右=Mmax=711.6KN.m区格2的平均弯矩为MⅡ=MⅡ左MⅡ右==622.5KN.mI369841×104mmσ=MⅡy0=622.5×I369841×104mm区格2的平均弯应力为λb=·i==0.51<0.85σcr=[σ]=160Nmm2计算τcr，由于区格长短边之长为1.6/1.0>1.0，采用下式计算：][τ]=92.0N/mm2将以上数据代入验算式(160,(92.0,2(160,(92.0,故在横隔板之间区格2不应增设横加劲肋。再从剪力最大的区格1来考虑：该区格的腹板平均高度h0=90+54)=72cm<80cm，不必计算，故在梁高减小的区格1内也不必另设横向劲肋。5.取面板区格Ⅲ验算其长边点的折算应力从上述的面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格3所需要的板厚较大，这就意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选择区格3按下列验算其长边的折算应力。σmx=Vσmy=±0.3×189=±57N/mm2,面板区格Ⅲ的长边中点的主梁弯距和弯应力该区格长边中点的折算应力=166N/mm2<α=1.5×160=240N/mm2故面板厚度选用8mm满足强度要求。七、横隔板设计1.荷载和内力计算如图所示水平次梁为4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ln=1.143×139.3×1.6=255kN;取q＝q次M=ql+Rl0=×139.3×1.892+×255×1.89=182.7kN.m2.横隔板和截面选择和强度验算腹板选用与主梁腹板同高，采用900Х10mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mmХ800mm的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式B=ζ2b确定。l0/b=900/1600=0.5625,查表得ζ2=0.225，B=0.225×1600=360mm，取B＝360mm。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83mm截面惯性距：验算应力：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hf＝6mm。八、边梁设计边梁的截面形式采用单腹式，见附图7，边梁的截面尺寸按构造要求确定，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。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.荷载和内力计算在闸门每侧边梁上各设4个胶木滑块，其布置见附图6：（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，每个边梁作用于边梁荷载为R＝424.9kN（2）竖向荷载有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，起吊力等。上滑块所受压力：R1=800kN，下滑块所受压力：R2=424.9×4800=899.6kN，Mmax=(800424.9)×1.89=709kN.m,Vmax=899.6424.9=474.7kN,最大阻力为作用于一个边梁上的起吊力，估计为400kN，有N＝400kN进行强度验算，N=400R1f=304kN,2.边梁强度验算截面面积A=2×500×20+540×10=25400mm2,Smax=20×500×280+10×270×135=mm3,截面边缘最大应力验算：=133N/mm2>0.8=0.8×157=126N/mm2但不超过10%，满足强度要求。腹板最大剪应力验算：但不超过10%，满足强度要求。腹板与下翼缘连接处则算应力验算：σ2h===140N/mm2>0.8[τ]=0.8×160=128N/mm2。但不超过10%，满足强度要求。九、行走支承设计胶木滑块计算：下滑块受力最大，其值为R2＝899.6kN，设滑块长度为350mm，则滑块单位长度承受压力=2570N/mm,根据上述q，查表得轨顶弧面半径R=200mm，轨头设计宽度为b＝40mm，胶木滑块与规定弧面的接触应力验算：选定胶木高30mm，宽120mm，长350mm。十、胶木滑块轨道设计（见图10）1.确定轨道底板宽度轨道底板宽度按砼承压强度确定，查表得：砼允许承压应力为[σ]＝7N/mm2，则所需轨道底板宽度为=322mm.取Bh＝400mm，故轨道底面压应力：2.确定轨道底版厚度轨道底板厚度δ按其弯曲强度确定，轨道底版的最大弯应力：2轨道底板悬臂长度C＝180mm，对于A3查表得[σ]＝100N/mm2，故=78.9mm，故t＝80mm。十一、闸门启闭力和吊座验算其中闸门自重滑道摩阻力：T2d=fp=0.12×4×139.3×6.5=434.6kN,止水摩阻力：T2s=2fbhp=2×0.65×0.06×6.5×85.75=43.5kN.下吸力Px底止水橡皮采用I110—16型，其规格为宽16m