鋼結(jié)構(gòu)平面鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)

1、鋼 結(jié) 構(gòu) 課 程 設(shè) 計(jì)設(shè)計(jì)資料一、 閘門(mén)形式：閘門(mén)結(jié)構(gòu)的形式及布置圖1-1 閘門(mén)主要尺寸圖（單位：m）1.閘門(mén)尺寸的確定閘門(mén)高度：考慮風(fēng)浪所產(chǎn)生的水位超高為0.2m，故閘門(mén)高度=5.5+0.2=5.7m；閘門(mén)的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L1=9.0m；閘門(mén)計(jì)算跨度：L=L0+2d=9+2×0.2=9.40m。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(mén)應(yīng)用實(shí)腹式組合梁。3.主梁的布置×1.23=2.46（m）則c=H-2b-a=5.5-2.46-0.6=2.44（m）=0.44H（滿(mǎn)足要求）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(guò)橫隔板上

2、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(jiàn)下圖。圖1-2 梁格布置尺寸圖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3道橫隔板，其間距為2.35m，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腹式，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(mén)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、估算面板厚度假定梁格布置尺寸如圖1-2所示，

3、面板厚度按下式計(jì)算：t=a當(dāng)b/a3時(shí)，a=1.5，則t=a=0.068a當(dāng)b/a>3時(shí)，a=1.4，則t=a=0.07a面 板 厚 度 的 估 算區(qū)格a(mm)b(mm)b/akp(N/mm2)t(mm)149023401.570.5840.0060.0595.9892523402.520.5000.0190.0976.1082023402.850.5000.0280.1186.7772523403.230.5000.0370.1366.9066523403.520.5000.0440.1486.8944023405.320.7500.0500.1945.98注 1 面板邊長(zhǎng)a、b都從

4、面板與梁格的年連接焊縫算起，主梁上翼緣寬度為120mm（詳見(jiàn)后面） 2 區(qū)格、中系數(shù)k由三邊固定一邊簡(jiǎn)支板查得。根據(jù)上表計(jì)算，選用面板厚度t=7mm。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(zhǎng)度方向的橫向拉力P，已知面板厚度t=7mm,并且近似地取板中最大彎應(yīng)力max=160N/mm2 ，則 P=0.07tmax=0.07×7×160=78.4(N/mm)面板與主梁連接焊縫方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的剪力： T=（N/mm）計(jì)算面板與主梁連接的焊縫厚度：面板與梁格連接焊縫最小厚度=6mm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

5、續(xù)梁，作用在它們上面的水壓力按 q=P計(jì)算現(xiàn)列表計(jì)算如下：=152.08kN/m水平次梁、頂梁和底梁均布荷載計(jì)算根據(jù)上表計(jì)算，水平次梁計(jì)算荷載取31.59KN/m, 水平次梁為4跨連續(xù)梁，跨度為2.53m。如圖1-3所示。圖1-3 水平次梁計(jì)算簡(jiǎn)圖和彎矩圖水平次梁彎曲時(shí)的邊跨跨中彎矩為： = 0.077ql2 = 0.077×31.59×2.352 = 13.43（kN·m） 支座B處的負(fù)彎矩為： = 0.107ql2 = 0.107×31.59×2.352 = 18.67(kN.m)2. 截面選擇W= =1116687.5()考慮利用面板作為

6、次梁截面的一部分，初選16a，由附錄三表4表查得：A=2195()；WX=108300()；=8660000()；=63(mm)；d=6.5(mm)面板參加次梁工作有效寬度按下式計(jì)算，然后取其中最小值。 B+60t=63+60×7=483(mm) B=1b( 對(duì)跨間正彎矩段）； B=2b(對(duì)支座負(fù)彎矩段）； 按5號(hào)梁計(jì)算，設(shè)梁間距b=(b1+b2)/2=(770+790)/2=780(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(duì)于第一跨中正彎矩段取l0=0.8l=0.8×2350=1880(mm);對(duì)于支座負(fù)彎矩段取l0=0.

7、4l=0.4×2350=940(mm)。根據(jù)l0/b查表7-1得：圖1-4 面板參加水平 次梁工作后的組合截面 對(duì)于l0/b=1880/780=2.410,得1=0.78,則B=1b=0.78×780=510(mm) 對(duì)于l0/b=940/780=1.205,得2=0.351，則 B=2b=0.351×780=274(mm) 對(duì)于第一跨中彎矩選用B=483(mm)，則水平次梁組合截面面積（圖1-4）為 A=2195+483×7=5576(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線的距離： e=(483×78×4)/5576=51(mm)跨中組合

8、截面的慣性矩及截面模量為： I次中=8660000+2195×592+483×7×333=18051104(mm4) Wmin=18051104/131=137795(mm2)對(duì)支座段選用B=274(mm).則組合截面面積：A=2195+274×7=4111(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線的距離：e=(274×7×84)/4111=39(mm)支座處組合截面的慣性矩及截面模量：I次B=8660000×2195×392+274×7×452=15882545(mm4) Wmin=15882545/

9、119=133467(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： =18.67×106/133467=139.9(N/mm2)<=160(N/mm2)說(shuō)明水平次梁選用 16a槽鋼滿(mǎn)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，由于水平次梁在B支座處，截面的彎矩已經(jīng)求得M次B=18.67kN·m,則邊跨撓度可近似地按下式計(jì)算：=-=- =0.000698=0.004故水平次梁選用16a槽鋼滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求。5.頂梁和底梁頂梁所受荷載較小，但

10、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16a。五、主梁設(shè)計(jì)（一）設(shè)計(jì)資料 1.設(shè)計(jì)如圖1-5，主梁跨度凈寬L0=9.0m;計(jì)算跨度L=9.40m；荷載跨度L1=9m 圖1-5平面鋼閘門(mén)的主梁位置和計(jì)算件簡(jiǎn)圖 2.主梁荷載q=66.7kN/m. 3.橫向隔間距：2.35m。 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；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=735(kN·m) 2.需要的截

11、面抵抗矩已知Q235鋼的容許應(yīng)力=160KN/mm2， 考慮鋼閘門(mén)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=5104cm2. 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×=87.1（cm）對(duì)于變截面梁的經(jīng)濟(jì)梁高，he=3.1w2/5=3.1×51042/5=94(cm)。現(xiàn)選用腹板高度h0=90cm. 4.腹板厚度選擇按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：tw=0.86cm,選用 tw=1.0cm. 5.翼緣截面選擇。每個(gè)翼緣需要截面為：A1=下翼緣選用 t

12、1=2.0cm(符合鋼板規(guī)格）需要b1=,選用b1=22cm（).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=2.0cm,b1=12cm.面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為： B=b1+60t=12+60×0.7=54cm.上翼緣面積A1=12×2+54×0.7=61.8cm26. 彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。主梁跨中截面（見(jiàn)圖1-6)的幾何特性如下表：主梁跨中截面的幾何特征 部位截面尺寸（cm*cm)A(cm2)y,(cm)Ay,(cm3)Y=y,-y1(cm)Ay2(cm4）面板部分54×0.737.80.3513.2-42.9695

13、67上翼緣板12×2.0241.740.8-41.641533腹 板90×1.09047.742934.41742下翼緣板22×2.04493.7412350.4111767合計(jì)195.88470224609 截面形心矩：y1= 截面慣性矩； 截面模量： 上翼緣頂邊： Wmon= 下翼緣底邊： Wmax=彎應(yīng)力：圖1-6 主梁跨中截面圖0.9×16=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，按設(shè)計(jì)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

14、，為減小門(mén)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=0.6×90=54cm（圖1-7）。梁高開(kāi)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)（圖1-8），離開(kāi)支承段的距離為253-10=243cm 圖1-7主梁支承端截面圖 圖1-8 主梁變截面位置圖 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(lái)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。截面形心距：y1.截面慣性矩：。截面下半部中和軸的面積矩：。剪應(yīng)力：<(安全)。主梁跨中截面的幾何特征 部位截面尺寸（cm*cm)A(cm2

15、)y,(cm)Ay,(cm3)Y=y,-y1(cm)Ay2(cm3）面板部分54×0.737.80.3513.2-25.6524869上翼緣板12×2241.740.8-24.314172腹 板54×1.05429.716043.7739下翼緣板22×2.04457.7253931.744215合計(jì)159.84197839953.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。最大剪力Vmax=300kN.截面慣性矩I=97117cm4。上翼緣對(duì)中和軸的面積矩 S1=37.8×25.9+24×24.6=1569cm3。下翼緣對(duì)中

16、和軸的面積矩 S2=44×314=1382()<S1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=8mm.4.腹板的加勁肋和局部穩(wěn)定驗(yàn)算加勁肋的布置：因?yàn)?,故需設(shè)置橫向加勁肋，以保證腹板的局部穩(wěn)定性。因閘門(mén)上已布置橫向隔板兼作加勁肋，其間距a=253cm。腹板區(qū)格劃如圖梁高與彎矩都較大的區(qū)格可按下式計(jì)算區(qū)格左邊及右邊截面的剪力分別為區(qū)格截面的平均剪力為區(qū)格左邊及右邊截面上的彎矩分別為區(qū)格的平均彎矩為區(qū)格的平均彎應(yīng)力為計(jì)算計(jì)算，由于區(qū)格長(zhǎng)短邊之比為2.35/1.0，則 則 滿(mǎn)足局部穩(wěn)定要求，故在橫隔板之間（區(qū)格）不必增加橫向加勁肋。該區(qū)格的腹板平均高度，因

17、，不必驗(yàn)算，故在梁高減小的區(qū)格內(nèi)也不必另設(shè)橫向加勁肋。5. 面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力的驗(yàn)算從上述的面板設(shè)計(jì)可見(jiàn)，直接與主梁相鄰的面板區(qū)格，只有區(qū)格所需板厚度較大，這意味著該區(qū)格的長(zhǎng)邊中點(diǎn)應(yīng)力也較大，所以選取區(qū)格（圖1-2），并驗(yàn)算其長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力。面板區(qū)格3在長(zhǎng)邊中點(diǎn)的局部彎曲應(yīng)力：對(duì)應(yīng)于面板區(qū)格3在長(zhǎng)邊中點(diǎn)的主梁彎矩（圖5）和彎應(yīng)力： 面板區(qū)格3的長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力 =104（N/mm2）<1.1a=1.1×1.4×160=246.4（N/mm2） =1.55*160=248(N/)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7mm，

18、滿(mǎn)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(lái)的集中荷載以及面板傳來(lái)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(lái)代替（見(jiàn)圖1-9），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)彎矩為圖1-9 橫隔板截面圖2、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900mm×8mm，上翼緣利用面板，下翼緣采用180mm×8mm的扁鋼， 上翼緣利用面板的寬度按B=2b確定，其中b=2530mm， 按/b=2×2440/2530=1.929,從查6.1表可得有效寬度系數(shù)2=0.

19、5，則B=0.5*2530=1265mm，取B=1240mm如圖1-9，截面形心到腹板中心線的距離： （mm） 截面慣矩：（mm4） 截面模量： 驗(yàn)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(yàn)算，橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度=6mm。七、縱向連接系設(shè)計(jì)1、載荷和內(nèi)力計(jì)算縱向連接系受閘門(mén)自重。露頂式平面鋼閘門(mén)G按式計(jì)算： 當(dāng)H>8m時(shí)下游縱向連接系承受 0.4G=0.4×81.7=32.7kN縱向連接系是做簡(jiǎn)支的平面桁架，其桁架腹桿布置如圖1-10，其節(jié)點(diǎn)荷載為 2.斜桿截面計(jì)算斜桿承受最大拉力N=17.43N，同時(shí)考慮閘門(mén)偶然扭曲是可能承受壓力，故長(zhǎng)細(xì)比的限制值應(yīng)與壓

20、桿相同，即。圖1-10 縱向連接系計(jì)算圖選用雙角鋼200×18，表查得：截面面積A=138602回轉(zhuǎn)半徑iy0=87.4mm斜桿計(jì)算長(zhǎng)度 長(zhǎng)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1-11），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)下翼緣寬度不應(yīng)小于300mm。 邊梁是閘門(mén)的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，故在設(shè)計(jì)師將容許應(yīng)力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲(chǔ)備。1.荷載和內(nèi)力計(jì)算在閘門(mén)每側(cè)邊梁上各設(shè)兩個(gè)膠木滑塊。其布置尺寸可見(jiàn)

21、下圖。（ 1）水平荷載。邊梁所受的水平荷載主要是主梁傳來(lái)的水平荷載及水平次梁、頂梁傳來(lái)的水平荷載。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可假設(shè)這些荷載完全是由主梁傳給邊梁。每根主梁作用于邊梁的集中荷載R=300kN。（2）豎向荷載。邊梁所受的豎向荷載包括：閘門(mén)自重、滑道摩擦力、止水摩擦力、起吊力等。如圖所示，可計(jì)算出上滑塊所受的壓力為 圖 1-11 邊梁截面圖 圖1-12 邊梁計(jì)算圖下滑塊所受壓力邊梁最大彎矩最大剪力 最大軸向力為作用在一個(gè)邊梁上的起吊力，估計(jì)為180kN。在最大彎矩作用的截面上的軸向力，等于起吊力減去上滑塊的摩擦力，該軸向力為2、邊梁的強(qiáng)度驗(yàn)算 截面面積 A=500×10+2×300×14=13800(mm)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(mǎn)足強(qiáng)度要求。9、 行走支承設(shè)計(jì) 膠木滑塊計(jì)算：滑塊位置如圖1-12所示，下滑塊受力最大，其值R2=359kN，設(shè)滑塊長(zhǎng)度為300mm，則滑塊單位長(zhǎng)度的承壓力為根據(jù)上述Q值由表6.2查得軌頂弧面半徑R=150mm，軌頭設(shè)計(jì)寬度b=35mm，膠木滑道與軌頂弧面的接觸應(yīng)力按式（6.14）進(jìn)行驗(yàn)算 選定膠木高mm30，寬120mm，長(zhǎng)300mm。十、膠木滑塊軌道設(shè)計(jì)（圖1-13）1. 軌道底板寬