露頂式平面鋼閘門設(shè)計 鋼結(jié)構(gòu)

1、課程設(shè)計報告( 2010- 2011年度第一學(xué)期)名 稱：鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計 院 系：可再生能源學(xué)院 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計周數(shù)： 成 績： 日期： 2010年12月 水工剛結(jié)構(gòu)露頂式焊接平面鋼閘門設(shè)計一、 設(shè)計資料閘門形式：溢洪道露頂式平面鋼閘門；孔口凈:22.00m；設(shè)計水頭：16.8m；結(jié)構(gòu)材料：q235-a.f；焊條：e43；止水橡皮：側(cè)止水用p型橡皮，底止水用條形橡皮；行走支承：采用滾輪支承二、 閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置1.閘門尺寸的確定閘門高度：考慮風(fēng)浪所產(chǎn)生的水位超高為0.2m，故閘門高度=16.8+0.2=17m；閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：l1=22m；

2、閘門計算跨度：l=l0+2d=22+20.2=22.40m。 (單位：m)2.主梁的形式主梁的形式應(yīng)根據(jù)水頭和跨度大小而定，本閘門應(yīng)用實腹式組合梁。3.主梁的布置因為l=22.401.5h=1.516.8=205.2所以是選取7跟主梁。根據(jù)公式計算每一根主梁距水面的距離，k及第k跟主梁，得：y1=4.23m; y2=7.74m; y3=10.02; y4=11.87m; y5=13.46m; y6=14.88m; y7=16.18m 具體布置見下圖： (單位：m)4梁格的布置和形式梁格采用復(fù)式布置和等高連接，水平次梁穿過橫隔板上的預(yù)留孔并被橫隔板所支承。水平次梁為連續(xù)梁，其間距應(yīng)上疏下密，使面

3、板各區(qū)格所需要的厚度大致相等，梁格的布置具體尺寸見下頁圖。 5.連接系的布置和形式（1）橫向連接系，根據(jù)主梁的跨度決定布置10道橫隔板，其間距為2m，橫隔板兼做豎直次梁。（2）縱向連接系，設(shè)在兩個主梁下翼緣的豎平面內(nèi)，采用斜桿式桁架。6.邊梁與行走支承。邊梁采用單復(fù)試，行走支承采用滾輪支承。三、面板設(shè)計根據(jù)sl1974-1995水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范修訂送審稿，關(guān)于面板的計算，先估算面板厚度，在主梁界面選擇之后再驗算面板的局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力。1.估算面板厚度假定梁格布置尺寸如圖2所示，面板厚度按下式計算：t=a當(dāng)b/a3時，=1.65，則t=a=0.065a當(dāng)b/a3時，=1

4、.55,則t=a=0.067a現(xiàn)列表如下：梁格a（mm）b(mm)b/akp(n/)t(mm)1153019901.30.4830.0070.0586.052133019901.50.4540.0210.0988.833111019901.80.4970.0330.1239.57484019902.310.5000.0430.1468.35582019902.430.5000.0510.1598.58679019902.520.5000.0590.1729.23771019902.800.5000.0660.1828.77870019902.840.5000.0730.1919.0996901

5、9902.880.5000.0800.2009.381061019903.260.5000.0860.2078.521158019903.430.5000.0920.2148.711253019903.750.5000.0970.2208.171346019904.330.5000.1020.2267.271446019904.330.5000.1070.2317.471544019904.520.5000.1110.2367.261638019905.240.5000.1150.2406.381740019904.980.5000.1200.2456.861841019904.850.500

6、0.1230.2487.121933019906.030.5000.1270.2525.822035019905.690.5000.1300.2556.422136019905.530.5000.1340.2586.522236019905.530.5000.1370.3208.08根據(jù)上表計算，選用面板厚度t=11mm。2面板與梁格的連接計算面板局部撓曲時產(chǎn)生的垂直于焊縫長度方向的橫拉力p，已知面板厚度t=6mm,并且近似地取板中最大彎應(yīng)力=160 則 p=0.07t=0.07*11*160=123.2面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)的剪力： t=204（n/mm）計算面板與主梁連接的焊縫厚

7、度：=3.0(mm)面板與梁格連接焊縫最小厚度=11mm四、水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計1.荷載與內(nèi)力的計算水平次梁和頂?shù)琢憾际侵С性诟舭迳系倪B續(xù)梁，作用在它們上面的水壓力按 q=p現(xiàn)列表計算如下：=1356.52kn/m梁號梁軸線處水壓強(qiáng)度p(kn/)梁間距(m)(kn/m)q=p1(頂梁)4.041.600214.201.50021.31.400327.91.31536.691.2304(主梁)40.01.08043.200.930549.10.91044.680.890657.80.87550.570.860766.20.84555.940.8308(主梁)74.30.81059.940.

8、790982.10.77563.630.7601089.60.74566.650.73011(主梁)96.70.70067.690.67012103.30.63565.600.60013109.20.59064.430.58014(主梁)114.90.56564.920.55015120.20.53063.710.51016125.20.50563.230.50017(主梁)130.10.49564.400.49018134.90.48565.430.48019139.620.46564.940.45020(主梁)144.10.44564.120.44021148.40.43564.550.4

9、3022152.60.43065.620.43023(主梁)156.80.52582.320.62024(底梁)157.80.31048.92頂梁荷載按下圖計算根據(jù)上表計算，水平次梁計算荷載取66.65kn/m, 水平次梁為11跨連續(xù)梁，跨度為2m.如下圖所示。水平次梁彎曲時的邊跨跨中彎矩為： =0.077ql2=0.077*66.65*22=20.53（kn.m） 支座b處的負(fù)彎矩為： =0.107ql2=0.107*66.65*22=9.21(kn.m)2. 截面選擇 w= =178312.5()考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選，由附錄三表4表查得： a=2883()； =17800

10、0(); =178040009()；=73(mm); d=7.0(mm)面板參加次梁工作有效寬度按下式計算，然后取其中最小值。 b+60t=73+60*11=733(mm) b=1b( 對跨間正彎矩段）； b=2b(對支座負(fù)彎矩段）；按10號梁計算，設(shè)梁間距b=(b1+b2)/2=(790+760)/2=775(mm).確定上式中面板的有效寬度系數(shù)時，需要知道梁彎矩零點之間的距離l0與梁間距b之比值。對于第一跨中正彎矩段取l0=0.8l=0.8*2000=1600(mm);對于支座負(fù)彎矩段取l0=0.4l=0.4*2000=800(mm)。根據(jù)l0/b查表7-1得： 對于l0/b=1600/7

11、75=2.065得1=0.70則b=1b=0.7*775=542.5(mm) 對于l0/b=800/775=1.032得2=0.30則 b=2b=0.3*775=232.5(mm)(單位：mm)對于第一跨中彎矩選用b=543(mm)，則水平次梁組合截面面積： a=2883+543*11=8856(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線的距離： e=(543*11*105.5)/8856=71(mm)跨中組合截面的慣性矩及截面模量為： i次中=17804000+2883*712+543*11*34.53=39446566(mm4) wmin=39446566/171=230682(mm2)對支座段選用

12、b=232.5(mm).則組合截面面積：a=2883+232.5*11=5440.5(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線的距離：e=(232.5*11*105.5)/5440.5=49.6(mm)。支座處組合截面的慣性矩及截面模量： i次b=17804000+2883*49.62+232.5*11*55.92=32888343(mm4) wmin=32888343/149.6=228233(mm2)3. 水平次梁的強(qiáng)度驗算 由于支座處b彎矩最大，而截面模量較小，故只需驗算支座b處截面的抗彎強(qiáng)度，即： =28.53*106/228233=125n/mm2=160n/mm2說明水平次梁選用 槽鋼滿足

13、要求。 扎成梁的剪應(yīng)力一般很小，可不必驗算。4. 水平次梁的撓度驗算受均布荷載的等跨連續(xù)梁，最大撓度發(fā)生在邊跨，由于水平次梁在b支座處，截面的彎矩已經(jīng)求得m次b=28.53knm,則邊跨撓度可近似地按下式計算： =*- =- =0.000414=0.004故水平次梁選用14槽鋼滿足強(qiáng)度和剛度要求。5. 頂梁和底梁頂梁所受荷載較小，但考慮水面漂浮物的撞擊等影響，必須加強(qiáng)頂梁剛度，所以也采用 槽鋼。底梁也采用。五、主梁設(shè)計（一）設(shè)計資料 1.設(shè)計如下圖，主梁跨度凈寬l0=22.00m;計算跨度l=22.40m；荷載跨度l1=22m. 2.主梁荷載q=197.568kn/m. 3.橫向隔間距：2m。

14、 4.主梁容許撓度：=l/600 。（2） 主梁設(shè)計 主梁設(shè)計內(nèi)容包括：1.截面選擇；2.梁高改變；3.翼緣焊縫；4.腹板局部穩(wěn)定驗算；5.面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力驗算。1.截面選擇 （1）彎矩與剪力 彎矩與剪力計算如下： mmax=12387(kn.m) (2)需要的截面抵抗矩已知q235鋼的容許應(yīng)力=160kn/mm2， 考慮鋼閘門自重引起的附加應(yīng)力作用，取容許應(yīng)力=0.9*160=144n/mm2,則需要的截面抵抗矩為 w=86024cm2.(3)腹板高度選擇按剛度要求的最小梁高（變截面梁）： hmin=0.96*0.23* =0.96*0.23*=207.4（cm）對于變截

15、面梁的經(jīng)濟(jì)梁高，he=3.1w2/5=2.8*860212/5=291(cm)。現(xiàn)選用腹板高度h0=260cm.(4) 腹板厚度選擇按經(jīng)驗公式計算： tw=1.37cm,選用 tw=2.0cm.(5) 翼緣截面選擇 每個翼緣需要截面為： a1=cm2下翼緣選用 t1=6.0cm(符合鋼板規(guī)格）需要b1=,選用b1=70cm（).上翼緣的部分截面可利用面板，故只需設(shè)置較小的上翼緣板同面板相連，選用t1=6.0cm,b1=32cm.面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為： b=b1+60t=32+60*1.1=98cm.上翼緣面積a1=32*60+98+1.1=299.8cm2(6)彎應(yīng)力強(qiáng)度驗算 主梁

16、跨中截面（見下圖)的幾何特性如下表：部位截面尺寸（cm*cm）截面面積a（）各形心離面板表面距離(cm)a（）各形心離中和軸距離y=y,-y1(cm)ay2(cm4)面板部分98107.90.5549.29-149.052394874.3上翼緣板321924.1787.1-145.54064688腹 板260520137.171292-12.581250下翼緣板70420270.1113484120.56098505合計1239.818558012639317.3 單位（mm） 截面形心矩：y1=截面慣性矩： =15568651（cm4）.截面抵抗矩：上翼緣頂邊wmon=.下翼緣底邊： wma

17、x=。彎應(yīng)力：0.9*16=14.4(kn/cm2)(安全) （7） 整體穩(wěn)定性與撓度驗算 因主梁上翼緣直接同鋼板相連，按規(guī)范規(guī)定可不必驗算整體穩(wěn)定性。又因梁高大于剛度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗算。2.截面改變 因主梁跨度較大，為減小門槽寬度和支承邊梁高度（節(jié)省鋼材），有必要將主梁支承段腹板高度寬度減小h0s=0.6h0=0.6*260=156cm.梁高開始改變的位置取在臨近支承段的橫向隔板下翼緣的外側(cè)，離開支承段的距離為440-10=430cm (單位：mm)剪切強(qiáng)度驗算：考慮到主梁段部的腹板及翼緣部分分別同支承邊梁的腹板及翼緣相焊接，故可按工字鋼截面來驗算剪應(yīng)力強(qiáng)度。主梁支承端截面

18、的幾何特性如下表。部位截面尺寸（cm*cm)a(cm2)y,(cm)ay,(cm3)y=y,-y1(cm)ay2(cm3)面板部分98107.80.5559.29-93.55943422.7上翼緣板321924.1787.2-901555200腹 板15631285.4126551.2-925272下翼緣板70420166.169762722177280合計1031.897159.694701174.1截面形心距：y1.截面慣性矩：。截面下半部中和軸的面積矩：s=420*72+69*2*。剪應(yīng)力：。(安全)。3.翼緣焊縫 翼緣焊縫厚度hf按受力最大的支承端截面計算。最大剪力vmax=2173k

19、n.截面慣性矩i=5333910cm4。上翼緣對中和軸的面積矩 s1=107.8*93+192*90=27305.4cm3。下翼緣對中和軸的面積矩 s2=420*72=30240s1。需要 =角焊縫最小厚度 hf1.5.所以全梁的上下翼緣焊縫都采用hf=12mm.4.腹板的加勁肋和局部穩(wěn)定驗算加勁肋的布置：因為 故需設(shè)置橫向加勁肋，以保證腹板的局部穩(wěn)定性。因閘門上已布置橫向隔板兼作加勁肋，其間距a=200cm。腹板區(qū)格劃分主梁變截面位置圖該區(qū)格的腹板平均高度是 因 ,故在梁高減小的區(qū)格內(nèi)要設(shè)置橫加勁肋。5. 面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力的驗算從上述的面板設(shè)計可見，直接與主梁相鄰的面板區(qū)

20、格，只有3區(qū)格所需板厚度較大，這意味著該區(qū)格的長邊中點應(yīng)力也較大，所以選取區(qū)格3（圖2），并驗算其長邊中點的折算應(yīng)力。面板區(qū)格3在長邊中點的局部彎曲應(yīng)力： 對應(yīng)于面板區(qū)格3在長邊中點的主梁彎矩（圖5）和彎應(yīng)力： 面板區(qū)格3的長邊中點的折算應(yīng)力 =1.55*160=248(n/)上式中 的取值均以拉應(yīng)力為正號，壓應(yīng)力為負(fù)號。故面板厚度選用11mm，滿足強(qiáng)度要求六、橫隔板設(shè)計1.荷載和內(nèi)力計算橫隔板同時兼做豎直次梁，它主要承受水平次梁、頂梁和底梁傳來的集中荷載以及面板傳來的分布荷載，計算時可把這些荷載用以三角形分布的水壓力來代替（見下圖），并且把橫隔板作為支撐在主梁上的雙懸臂梁。則每片橫隔板在上懸

21、臂的最大負(fù)彎矩為2.橫隔板截面選擇和強(qiáng)度計算其腹板選用與主梁腹板同高，采用2600mm*10mm，上翼緣利用面板，下翼緣采用500mm*10mm的扁鋼，上翼緣利用面板的寬度按b=2b確定，其中b=2000mm，按,查表可得有效寬度系數(shù)2=0.71，則b=0.71*2000=1420mm，取b=1400mm(單位：mm) (單位：mm)如上圖，截面形心到腹板中心線的距離：截面慣矩：截面模量：驗算彎應(yīng)力：由于橫隔板截面高度較大，剪切強(qiáng)度更不必驗算，橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度=12mm。七、縱向連接系設(shè)計1.載荷和內(nèi)力計算縱向連接系受閘門自重。露頂式平面鋼閘門g按式計算： 當(dāng)h8m時 下游縱向連

22、接系承受 0.4g=0.43764=1505.6kn縱向連接系是做簡支的平面桁架。因為為大跨度閘門，則驗算其桁架腹桿布置如圖，其節(jié)點荷載為 (單位：mm)2.斜桿截面計算斜桿承受最大拉力n=1638.15kn，同時考慮閘門偶然扭曲是可能承受壓力，故長細(xì)比的限制值應(yīng)與壓桿相同，即。選用雙角鋼20018，表查得：截面面積a=138602回轉(zhuǎn)半徑iy0=87.4mm斜桿計算長度 長細(xì)比 驗算拉桿強(qiáng)度： 考慮單角鋼受力偏心的影響，將容許應(yīng)力降低15%進(jìn)行強(qiáng)度驗算。八、邊梁設(shè)計邊梁的截面形式采用雙腹式（如圖），邊梁的截面尺按照構(gòu)造要求確定，即截面高度與主梁端部高度相同，腹板厚度與主梁腹板厚度相同，為了便

23、于安裝滾輪，兩個下翼緣為用寬度為200mm的扁鋼做成。邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，故在設(shè)計師將容許應(yīng)力值降低15%作為考慮受扭影響的安全儲備。(單位：mm)1.荷載和內(nèi)力計算在閘門每側(cè)邊梁上各設(shè)六個滾輪。其布置尺寸可見下圖。 m圖 v圖最大軸向力為作用在一個邊梁上的起吊力，估計為9956kn（詳細(xì)計算見后）。在最大彎矩作用截面上的軸向力，等于起吊力減去上滾輪的摩阻力，該軸向力2. 邊梁的強(qiáng)度驗算 截面面積 a=119400mm面積矩 截面慣性矩 截面模量 截面邊緣最大應(yīng)力驗算:腹板最大剪應(yīng)力驗算：腹板與下翼緣連接處應(yīng)力驗算： 以上的驗算滿足強(qiáng)度要求。九、行走支承設(shè)計滾輪計算：輪

24、子的主要尺寸是輪徑d和輪緣寬度b，這些尺寸是根據(jù)輪緣與軌道之間的接觸應(yīng)力的強(qiáng)度條件來確定的，對于圓柱形滾輪與平面軌道的接觸情況是線接觸，其接觸應(yīng)力可按下式計算，其中第五個滾輪受力最大，其值為3018kn。設(shè)滾輪輪緣寬度b=120mm，輪徑d=500mm。 為了減少滾輪轉(zhuǎn)動時的摩擦阻力，在滾輪的軸孔內(nèi)還要設(shè)滑動軸承，選用鋼對10-1鑄鐵鋁磷青銅。軸和軸套間壓力傳遞也是接觸應(yīng)力的形式，可按下式驗算：取軸的直徑d=250mm，軸套的工作長度b=300mm，滑動軸套容許應(yīng)n/mm輪軸選用45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼，取輪軸直徑d=200mm，其工作長度為b=300mm，對其進(jìn)行彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力驗算：軸在軸承板的連接處還應(yīng)按下式驗算輪軸與軸承板之間的緊密接觸局部承壓應(yīng)力：軸承板所受的壓力取軸承