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：溢洪道露頂式平面鋼閘門；孔口凈:10.00m；設(shè)計(jì)水頭：6.00m；結(jié)構(gòu)材料：Q235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：采用膠木滑道,壓合膠木為MCS-2;混凝土強(qiáng)度等級(jí):C20二、 閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置1.閘門尺寸的確定（例圖7-1）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=6+0.2=6.2m；閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L1=10m；閘門計(jì)算跨度：L=L0+2d=10+2×0.2=10.40m。例圖7-1 閘門主要尺寸圖（單位：mm） 2.主梁的形式主梁的形式

2、應(yīng)根據(jù)水頭和跨度大小而定，本閘門屬于中等跨度,為了便于制造和維護(hù),決定采用實(shí)腹式組合梁。3.主梁的布置根據(jù)閘門的高跨比,決定采用雙主梁.為了使兩個(gè)主梁在設(shè)計(jì)水位時(shí)所受到的水壓力相等,兩個(gè)主梁的位置應(yīng)對(duì)稱于水壓力合力的作用線H/3=2.0m例圖71)，并要求下懸臂a0.12H和a0.4m、上懸臂c0.45H，今取 a=0.7m0.12H=0.72m主梁間距：2b=2(-a)=2×1.3=2.6m則 c=H-2b-a=6-2.6-0.7=2.7m=0.45H(滿足要求)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

3、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例圖7-2。 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2.6m，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，行走支承采用滾輪支承。例圖7-2 梁格布置尺寸圖（單位;mm）三、面板設(shè)計(jì)根據(jù)SL74-1995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.估算面板厚度假定梁格布置尺寸如例圖7-2所示，面板厚度按下式計(jì)算：t=a當(dāng)b/

4、a3時(shí)，=1.5，則t=當(dāng)b/a3時(shí)，=1.4,則t=現(xiàn)列例表7-1計(jì)算如下:例表7-1 面板厚度的估算區(qū)格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm2)t(mm)165025901.570.5840.0070.0647570.5000.0210.1027.0186025903.010.5000.0310.1257.5077025903.370.5000.0400.1427.6569025903.750.5000.0480.1557.4853025904.890.7500.0550.2037.53注：1.面板邊長(zhǎng)a、b都從面板與梁格的連接焊縫算起，主梁上翼緣寬度為140

5、mm; 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=8mm。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)度方向的橫拉力P，已知面板厚度t=8mm,并且近似地取板中最大彎應(yīng)力則 (N/mm)面板與主梁連接焊縫方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的剪力： T=207(N/mm）計(jì)算面板與主梁連接的焊縫厚度：=2.9(mm)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續(xù)梁，作用在它們上面的水壓力按 列例表7-2計(jì)算后得：=181.24kN/m 例表7-2 水平次梁、頂梁和底梁均布荷載的計(jì)算梁號(hào)梁軸線處水壓

6、強(qiáng)度p(kN/)梁間距(m)（m）(kN/m)1(頂梁)3.681.72215.41.42521.951.13326.51.04027.560.954(主梁)35.80.89532.040.84544.00.82536.300.81651.90.70536.590.60757.80.40023.12備注：頂梁荷載按下圖計(jì)算根據(jù)例表7-2計(jì)算，水平次梁計(jì)算荷載取36.30KN/m, 水平次梁為四跨連續(xù)梁，跨度為2.6m（例圖7-3）。水平次梁彎曲時(shí)的邊跨跨中彎矩為： =0.077ql2=0.077×36.3×2.62=18.9（KN.m） 支座B處的負(fù)彎矩為： =0.107q

7、l2=0.107×36.3×2.62=26.26(KN.m)例圖7-3 水平次梁計(jì)算簡(jiǎn)圖和彎矩圖2. 截面選擇 W= =164125()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=2569()； =141400(); 12727000()；=68(mm); d=7 (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=68+60×8=548(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=(840+810)/2=825（mm).確定上式中面板的有效寬度系數(shù)

8、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=0.8×2600=2080(mm);對(duì)于支座負(fù)彎矩段取l0=0.4l=0.4×2600=1040（mm)。根據(jù)l0/b查表7-1： 對(duì)于l0/b=2080/825=2.521，得1=0.78，則B=1b=0.78×825=644(mm) 對(duì)于l0/b=1040/528=1.261，得2=0.364，則 B=2b=0.364×825=300(mm)例圖7-4面板參加水平次梁工作后的組合截面(單位：mm)對(duì)于第一跨中彎矩選用B=548(mm)，則水平次梁組合截面面積（

9、例圖7-4）： A=2569+548×8=6953(mm2) 組合截面形心到槽鋼中心線的距離： e=(548×8×94)/6953=59(mm)跨中組合截面的慣性矩及截面模量為： I次中=12727000+2569×452+300×8×492=23691625(mm4) Wmin=23691625/135=175493(mm2)對(duì)支座段選用B=300(mm).則組合截面面積：A=2569+300×8=4969 (mm2)組合截面形心到槽鋼中心線的距離：e=(300×8×94)/4969=45(mm)。支座

10、處組合截面的慣性矩及截面模量： I次B=12727000+2569×452+300×8×492=23691625(mm4) Wmin=23691625/135=175493(mm2)3. 水平次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算 由于支座處B（例圖7-3）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： =26.26×106/175493=149.6N/mm2=160N/mm2說明水平次梁選用 槽鋼滿足要求。 軋成梁的剪應(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

11、=26.26KN.m,則邊跨撓度可近似地按下式計(jì)算： =×- =- =0.000725=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(jì)（一）設(shè)計(jì)資料 （1）.主梁跨度（例圖7-5）：凈寬（孔口寬度）L0=10.00m;計(jì)算跨度L=10.40m；荷載跨度L1=10m； （2）主梁荷載q=88.2KN/m； （3）橫向隔間距：2.6m； （4）主梁容許撓度：=L/600 。例圖7-5 平面剛閘門的主梁位置和計(jì)算簡(jiǎn)圖（2） 主梁設(shè)計(jì) 主梁設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：截面選擇；

12、梁高改變；翼緣焊縫；腹板局部穩(wěn)定驗(yàn)算；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=1191(kN.m) (2)需要的截面模量。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,則需要的截面模量為 W=8271cm2(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×=96.3（cm）由于鋼閘門中的橫向隔板質(zhì)量將隨主梁增高而增加，故主梁高度宜選得比小，但不

13、小于。現(xiàn)選用腹板高度。(4)腹板厚度選擇。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： ，選用。(5)翼緣截面選擇。每個(gè)翼緣需要截面為： 下翼緣選用(符合鋼板規(guī)格）需要=,選用（).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,.面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為： 上翼緣截面積： (6)彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。主梁跨中截面（例圖7-6)的幾何特性見例表7-3。截面形心矩：截面慣性矩：截面模量： 上翼緣頂邊： 下翼緣底邊：彎應(yīng)力：<（安全）例表7-3 主梁跨中截面的幾何特性部位截面尺寸截面面積A各形心離面板表面距離（cm3）各形心離中和軸距離(cm4)面板部分62×0.849.60.419.

14、8-50.1124300上翼緣板14×2.028.01.850.3-48.766200腹 板100×1.010052.852802.3530下翼緣34×2.068.0103.8705853.3193200合計(jì)245.612408384230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，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（例圖7-7）。 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)（例圖7-

15、8），離開支承段的距離為260-10=250cm。例圖7-7 主梁支承端截面（單位：mm） 例圖7-8 主梁變截面位置圖(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見例表7-4。例表7-4 主梁端部截面的幾何特性 部位截面尺寸（cm×cm)A(cm2)y,(cm)Ay,(cm3)y=y,-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分62×0.849.60.419.8-30.646443上翼緣板14×2.028.01.850.4-29.223874腹 板60×

16、;1.06032.819681.8194下翼緣板34×2.06863.8433832.873157合計(jì)205.66376143668截面形心距：截面慣性矩：截面下半部中和軸的面積矩：剪應(yīng)力：<（安全） 3.翼緣焊縫翼緣焊縫厚度按受力最大的支承端截面計(jì)算。最大剪應(yīng)力，截面慣性矩。上翼緣對(duì)中和軸的面積矩：下翼緣對(duì)中和軸的面積矩：<需要 角焊縫最小厚度 全梁的上、下翼緣焊縫都采用。4.腹板的加勁肋和局部穩(wěn)定驗(yàn)算加勁肋的布置：因?yàn)?gt;80，故需設(shè)置橫向加勁肋，以保證腹板的局部穩(wěn)定性。因?yàn)殚l門上已布置橫向隔板可兼作橫向加勁肋，其間距。腹板區(qū)格劃分見例圖7-8。梁高與彎矩都較大的

17、區(qū)格可按驗(yàn)算：區(qū)格左邊及右邊截面的剪應(yīng)力為： 區(qū)格截面的平均剪應(yīng)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 <0.85 計(jì)算，由于區(qū)格長(zhǎng)短邊之比為2.6/1.0>1.0，則則 將以上數(shù)據(jù)代入公式 有<1.0（滿足局部要求）。故在橫隔板之間（區(qū)格）不必增設(shè)橫向加勁肋。再?gòu)募袅ψ畲蟮膮^(qū)格來考慮：該區(qū)格的腹板平均高度。因，不必驗(yàn)算，故在梁高減少的區(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，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（

18、例圖7-2），并驗(yàn)算其長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力。 面板區(qū)格在長(zhǎng)邊中點(diǎn)的局部彎曲應(yīng)力為： 對(duì)應(yīng)于面板區(qū)格在長(zhǎng)邊中點(diǎn)的主梁彎矩（見例圖7-5）和彎應(yīng)力為： 面板區(qū)格的長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力為： 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8mm，滿足強(qiáng)度要求。9 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（例圖7-1），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：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1000mm

19、5;8mm，上翼緣利用面板，下翼緣采用200mm×8mm的扁鋼，上翼緣利用面板的寬度按B=2b確定，其中b=2600mm，按,查表可得有效寬度系數(shù)2=0.51，則B=0.51×2600=1326（mm），取B=1300mm計(jì)算如例圖7-9所示的截面幾何特性。截面形心到腹板中心線的距離為： 截面慣矩為： 截面模量為： 驗(yàn)算彎應(yīng)力為：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。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自重。露頂式平面鋼閘門門葉自重G按下式計(jì)算： 下游縱向連接系承受: 縱向連接系視為簡(jiǎn)支的平面桁架，其桁架腹板桿布置如例圖

20、7-10，其結(jié)點(diǎn)荷載為 桿件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如例圖7-10所示。例圖7-10 縱向連接系計(jì)算圖（單位:mm）2.斜桿截面計(jì)算斜桿承受最大拉力N=21.53kN，同時(shí)考慮閘門偶然扭曲時(shí)可能承受壓力，故長(zhǎng)細(xì)比的限制值應(yīng)與壓桿相同，即選用單角鋼100×8，由附表查得：截面面積： 回轉(zhuǎn)半徑： 斜桿計(jì)算長(zhǎng)度： 長(zhǎng)細(xì)比： 驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度為： 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。3.斜桿與結(jié)點(diǎn)板的連接計(jì)算（略）。八、 邊梁設(shè)計(jì) 邊梁的截面形式采用單腹式（例圖7-11），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，為了便于安裝壓合膠木滑塊

21、，下翼緣寬度不宜小于300mm。 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)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)算在閘門每側(cè)邊梁上各設(shè)兩個(gè)膠木滑塊。其布置尺寸見例圖7-12。例圖7-11 邊梁截面（單位：mm） 例圖7-12邊梁計(jì)算圖（1）水平荷載。主要是主梁傳來的水平荷載，還有水平次梁和頂、底梁傳來的水平荷載。為了簡(jiǎn)化起見，見假定這些荷載由主梁傳給邊梁。每個(gè)主梁作用于邊梁的荷載為R=441kN。 （2）豎向荷載。有閘門自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、起吊力等。 上滑塊所受的壓力 ： 下滑快所受的壓力： 最大彎矩： 最大剪力： 最大軸向力為作用在一個(gè)邊

22、梁上的起吊力，估計(jì)為200kN（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。 截面面積： 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折算應(yīng)力驗(yàn)算： 以上驗(yàn)算均滿足強(qiáng)度要求。9、 行走支承設(shè)計(jì)膠木滑塊計(jì)算：滑塊位置如例圖7-12所示，下滑快受力最大，其值為。設(shè)滑塊長(zhǎng)度為350mm，則滑塊單位長(zhǎng)度的承壓力為： 根據(jù)上述q值由表7-2查得軌頂弧面半徑R=150mm，軌頭設(shè)計(jì)寬度為b=35mm。膠木滑道與軌頂弧面的接觸應(yīng)力按下式進(jìn)行驗(yàn)算： 選定膠木高30mm，寬120mm，長(zhǎng)350mm。十、膠木滑塊軌道設(shè)計(jì)（例圖7-13）1.確定軌道底板寬度軌道底板寬度按混凝土承壓強(qiáng)度決定。根據(jù)C20混凝土由附錄十表2查得