水利水電工程鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)水工剛結(jié)構(gòu)露頂式焊接平面鋼閘門設(shè)計(jì)計(jì)算書

1、 水利水電工程鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)水工剛結(jié)構(gòu)露頂式焊接平面鋼閘門設(shè)計(jì)計(jì)算書一、 設(shè)計(jì)資料閘門形式：爐鼎是平面鋼閘門；空口尺寸(寬高): 26m12m上游水位：11.8m下游水位：0.1m閘底高程：0m啟閉方式：電動(dòng)固定式啟閉機(jī)材料：鋼結(jié)構(gòu)q235-a.f；焊條：e43型；行走支承：滾輪支承；止水橡皮：側(cè)止水用p型橡皮，底止水用條形橡皮。制造條件：金屬結(jié)構(gòu)制造廠制造，手工電弧焊，滿足級(jí)焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范sl 1974-2005二、 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h=11.8+0.2=12m；閘門的荷載跨度為兩

2、側(cè)止水的間距：l1=26m；閘門計(jì)算跨度：l=l0+2d=22+20.2=26.40m。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(shí)腹式組合梁。3.主梁的布置因?yàn)閘=26.401.5h=1.512=18所以采取雙主梁。為使兩根主梁在設(shè)計(jì)水位時(shí)所受的水壓力相等，兩根主梁的位置應(yīng)對稱與水壓力合力的作用線y=h/3=4.0m,并要求下旋臂a0.12h和a0.4m、上懸臂c0.45h，現(xiàn)取a=1.5m 0.12h=1.44（m）主梁間距： 2b=2（ya）=22.5=5（m）則 c=h-2b-a=12-5-1.5=5.5（m）=0.458h (滿足要求) (單位：m)4梁格的布置和形

3、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16道橫隔板，其間距為1.65m，橫隔板兼做豎直次梁。（2）縱向連接系，設(shè)在兩個(gè)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，行走支承采用膠木滑道。三、面板設(shè)計(jì)根據(jù)sl1974-1995水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范修訂送審稿，關(guān)于面板的計(jì)算，先估算面板厚度，在主梁界面選擇之后再驗(yàn)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

4、度假定梁格布置尺寸如圖2所示，面板厚度按下式計(jì)算：t=a當(dāng)b/a3時(shí)，=1.5，則t=a=0.068a當(dāng)b/a3時(shí)，=1.4則t=a=0.07a現(xiàn)列表如下：梁格a（mm）b(mm)b/akp(n/mm)t(mm)1130016501.270.4600.0060.0534.692130016501.270.4050.0190.0887.783100016501.650.4740.0300.1198.354100016501.650.4740.0400.1388.095100016501.650.4740.0500.15410.5670016502.360.4990.0580.1708.09770

5、016502.360.4990.0650.1808.57870016502.360.4990.0720.1909.04960016502.750.5000.0780.1978.041060016502.750.5000.0840.2058.361160016502.750.5000.0900.2127.211250016503.30.5000.0960.2197.451350016503.30.5000.1000.2247.621450016503.30.5000.1050.2297.261550016503.30.5000.1100.2357.791650016503.30.7500.115

6、0.2949.99根據(jù)上表計(jì)算，選用面板厚度t=11mm。2面板與梁格的連接計(jì)算面板局部撓曲時(shí)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=11mm,并且近似地取板中最大彎應(yīng)力=160 則 p=0.07t=0.0711160=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(jì)算面板與主梁連接的焊縫厚度：=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(jì)1.荷載與內(nèi)力的計(jì)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(jì)算如下：=1356.52kn/m梁號(hào)梁軸線處水壓強(qiáng)度p(kn/)梁間距(m)(k

7、n/m)q=p1(頂梁)1.981.300212.741.30016.561.300325.481.15029.301.000435.281.00035.281.000545.081.00045.081.0006(主梁)54.880.85046.650.700761.740.70043.210.700868.600.70048.020.700975.460.65049.050.6001081.340.60048.800.6001187.220.60052.330.6001293.100.60055.800.6001398.000.50049.000.50014(主梁)102.90.50051.

8、450.50015107.80.50053.900.50016112.70.50056.350.50017(底梁)117.60.50058.80頂梁荷載按下圖計(jì)算根據(jù)上表計(jì)算，水平次梁計(jì)算荷載取58.80kn/m, 水平次梁為16跨連續(xù)梁，跨度為1.65m.如下圖所示。水平次梁彎曲時(shí)的邊跨跨中彎矩為： =12.44（kn.m） 支座b處的負(fù)彎矩為： =16.91(kn.m)2. 截面選擇 w= =105687.5 ()考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選16a查得：a= 2195()； =108300(); =86620000()；=63(mm)； d=6.5(mm)面板參加次梁工作有效寬度

9、按下式計(jì)算，然后取其中最小值。 b+60t=63+6011=723(mm) b=1b( 對跨間正彎矩段）； b=2b(對支座負(fù)彎矩段）；按12號(hào)梁計(jì)算，設(shè)梁間距b=(b1+b2)/2=(600+600)/2=600(mm).確定上式中面板的有效寬度系數(shù)時(shí)，需要知道梁彎矩零點(diǎn)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=0.81650=1337(mm);對于支座負(fù)彎矩段取l0=0.4l=0.41650=660(mm)。根據(jù)l0/b查表7-1得： 對于l0/b=1337/600=2.228得1=0.716則b=1b=0.716600=429.6(mm) 對于l0/b=660

10、/600=1.100得2=0.324則 b=2b=0.324600=194.4 (mm) (單位：mm)對于第一跨中彎矩選用b=420(mm)，則水平次梁組合截面面積： a=2195+42011=6815(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線的距離： e=(4201185.5)/6815=58(mm)跨中組合截面的慣性矩及截面模量為： i次中=8662000+2195582+4201127.53=19415387(mm4) wmin=19415387/138=140691(mm2)對支座段選用b=194.4(mm).則組合截面面積：a=2195+194.411=4333.4(mm2)組合截面形心到

11、槽鋼中心線的距離：e=(194.41185.5)/4333.4=42.2(mm)。支座處組合截面的慣性矩及截面模量： i次b=8662000+219542.22+194.4511482=1275377(mm4) wmin=12753777/117.8=108266(mm2)3. 水平次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算 由于支座處b彎矩最大，而截面模量較小，故只需驗(yàn)算支座b處截面的抗彎強(qiáng)度，即： =16.91106/108266=156.2n/mm2 160n/mm2說明水平次梁選用16a 槽鋼滿足要求。扎成梁的剪應(yīng)力一般很小，可不必驗(yàn)算。4. 水平次梁的撓度驗(yàn)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

12、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(jì)算： =*- =- =0.000645=0.004故水平次梁選用16a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16a槽鋼。底梁也采用。五、主梁設(shè)計(jì)（一）設(shè)計(jì)資料 1.設(shè)計(jì)如下圖，主梁跨度凈寬l0=26.00m;計(jì)算跨度l=26.40m；荷載跨度l1=22m. 2.主梁荷載q=341.2kn/m. 3.橫向隔間距：1.65m。 4.主梁容許撓度：=l/600 。（2） 主梁設(shè)計(jì) 主梁設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：1.截面選擇；2.梁高改變；3.翼緣焊縫

13、；4.腹板局部穩(wěn)定驗(yàn)算；5.面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力驗(yàn)算。1.截面選擇 （1）彎矩與剪力 彎矩與剪力計(jì)算如下： mmax=27366(kn.m) vmax=314.226.0=4084.6kn (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=0.9160=144n/mm2,則需要的截面抵抗矩為 w=190047cm2(3)腹板高度選擇按剛度要求的最小梁高（變截面梁）： hmin=0.960.23 =0.960.23=244.5（cm）對于變截面梁的經(jīng)濟(jì)梁高，he=2.8w2/5=2.81900472/5=362(c

14、m)?，F(xiàn)選用腹板高度h0=350cm.(4) 腹板厚度選擇按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： tw=1.70cm,選用 tw=2.0cm.(5) 翼緣截面選擇每個(gè)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=120cm（).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=60cm.面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為： b=b1+60t=60+601.1=126cm.上翼緣面積a1=606.0+1261.1=498.6cm2(6)彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算 主梁跨中截面（見下圖)的幾何特性如下表：部位截面尺寸（cmcm）截面面積a（c

15、m2）各形心離面板表面距離y, (cm)ay,（cm3）各形心離中和軸距離y=y,-y1(cm)ay2(cm4)面板部分1261.1138.60.5576.23-200.755585657上翼緣板606.03604.11476-197.213999622腹 板3502.0700182.1127470-19.2258048下翼緣板1206.0720357.1257112155.817477020合計(jì)1918.6386134.2332293257單位（mm） 截面形心矩：y1=截面慣性矩： =39439090.3（cm4）.截面抵抗矩：上翼緣頂邊wmon=下翼緣底邊： wmax=。彎應(yīng)力：0.91

16、6=14.4(kn/cm2)(安全) （7） 整體穩(wěn)定性與撓度驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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=0.6350=210cm.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165-10=155cm (單位：mm)剪切強(qiáng)度驗(yàn)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(yàn)算剪應(yīng)力強(qiáng)度。主梁支承端截面的幾何特性如下表。部位截面

17、尺寸（cm*cm)a(cm2)y,(cm)ay,(cm3)y=y,-y1(cm)ay2(cm3)面板部分1261.1138.60.5576.23-125.852195177.6上翼緣板606.03604.11476-122.35384624腹 板2102.0420112.147082-14.385885.8下翼緣板1206.0720220.115847293.76321376.8合計(jì)1638.6207106.2313987064.2截面形心距：y1截面慣性矩：。截面下半部中和軸的面積矩：s=72093.7+90.73。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(jì)算

18、。最大剪力vmax=4084.6kn.截面慣性矩=15530564.2cm4。上翼緣對中和軸的面積矩 s1=138.6125.85+360122.3=61470.8cm3。下翼緣對中和軸的面積矩 s2=72093.7=67464 cm3 s1 需要 hf=角焊縫最小厚度 hf1.5 =1.5 =11.6所以全梁的上下翼緣焊縫都采用hf=15mm4.加勁肋的布置：因?yàn)?故需設(shè)置橫向加勁肋，以保證腹板的局部穩(wěn)定性。5. 面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力的驗(yàn)算從上述的面板設(shè)計(jì)可見，直接與主梁相鄰的面板區(qū)格，只有6區(qū)格所需板厚度較大，這意味著該區(qū)格的長邊中點(diǎn)應(yīng)力也較大，所以選取區(qū)格6，并驗(yàn)算其長邊

19、中點(diǎn)的折算應(yīng)力。面板區(qū)格6在長邊中點(diǎn)的局部彎曲應(yīng)力： 對應(yīng)于面板區(qū)格6在長邊中點(diǎn)的主梁彎矩（圖七）和彎應(yīng)力： 面板區(qū)格6的長邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力：上式中 的取值均以拉應(yīng)力為正號(hào)，壓應(yīng)力為負(fù)號(hào)。故面板厚度選用11mm，滿足強(qiáng)度要求六、橫隔板設(shè)計(jì)1.荷載和內(nèi)力計(jì)算橫隔板同時(shí)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(jì)算時(shí)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臂的最大負(fù)彎矩為m=896.8 kn.m2.橫隔板截面選擇和強(qiáng)度計(jì)算其腹板選用與主梁腹板同高，采用3500mm20mm，上翼緣利用面板，

20、下翼緣采用800mm20mm的扁鋼，上翼緣利用面板的寬度按b=2b確定，其中b=1650mm，按, =6.6查表可得有效寬度系數(shù)2=0.82，則b=0.821650=1353mm，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：e=184截面慣矩： =+350020+80020+140020=203840157300截面模量：wmin =104319425.5驗(yàn)算彎應(yīng)力： =86 n/mm28m時(shí) 下游縱向連接系承受 0.4g=0.42942.8=1177.1kn縱向連接系是做簡支的平面桁架。因?yàn)闉榇罂缍乳l門，則驗(yàn)算其桁架腹桿布置如圖，其節(jié)點(diǎn)荷載為 (單位

21、：mm)2.斜桿截面計(jì)算斜桿承受最大拉力n=529.9kn，同時(shí)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18012，表查得：截面面積a=52202回轉(zhuǎn)半徑iy0=35.8mm斜桿計(jì)算長度 長細(xì)比 驗(yàn)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(yàn)算。八、邊梁設(shè)計(jì)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，為了便于安裝滾輪，兩個(gè)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(jì)時(shí)將容許應(yīng)力值降低15%作為考慮受扭影響的安全

22、儲(chǔ)備。1.荷載和內(nèi)力計(jì)算在閘門每側(cè)邊梁上各設(shè)六個(gè)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(gè)邊梁上的起吊力為6020kn（詳細(xì)計(jì)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(yàn)算 (單位：mm)截面面積 a=60060+2210040+220060=228000mm面積矩 截面慣性矩 截面模量 截面邊緣最大應(yīng)力驗(yàn)算:腹板最大剪應(yīng)力驗(yàn)算：腹板與下翼緣連接處應(yīng)力驗(yàn)算： 以上的驗(yàn)算滿足強(qiáng)度要求。九、行走支承設(shè)計(jì)滾輪計(jì)算：輪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

23、的接觸情況是線接觸，其接觸應(yīng)力可按下式計(jì)算，其中第五個(gè)滾輪受力最大，其值為4283kn。設(shè)滾輪輪緣寬度b=120mm，輪徑d=400mm。 為了減少滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，在滾輪的軸孔內(nèi)還要設(shè)滑動(dòng)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(yàn)算：取軸的直徑d=200mm，軸套的工作長度b=300mm，滑動(dòng)軸套容許應(yīng)n/mm輪軸選用45號(hào)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(yàn)算：軸在軸承板的連接處還應(yīng)按下式驗(yàn)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板疊總厚度故十、滾輪軌道設(shè)計(jì)1. 確定軌道鋼板寬度軌道鋼板寬度按鋼板承壓強(qiáng)度決定。根據(jù)q235鋼的容許承壓應(yīng)力為，則所需要的軌道底板寬度為，取b=400mm故軌道地面壓應(yīng)力： 2. 確定軌道底板厚度軌道底板厚度按其彎曲強(qiáng)度確定。軌道底板的最大彎應(yīng)力： 式中軌