露頂式平面鋼閘門設(shè)計(jì)1

1、水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)題目:露頂式平面鋼閘門設(shè)計(jì)姓名:趙揚(yáng)班級(jí):09級(jí)農(nóng)業(yè)水利工程學(xué)號(hào):2009095070指導(dǎo)老師：劉麗霞一、設(shè)計(jì)資料閘門形式：溢洪道露頂式平面鋼閘門；孔口凈:9.60m;設(shè)計(jì)水頭：5.7m；結(jié)構(gòu)材料：Q235鋼；焊條：E43;止水橡皮：側(cè)止水用P型橡皮；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。1) 閘門高度：考慮風(fēng)浪所產(chǎn)生的水位超高為0.4m，故閘門高度=5.7+0.2=5.9m2)閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：Li=9.6m；3)閘門計(jì)算跨度：L=L°+2d=9.6+2X0.2=10m。(

2、2)主梁的形式.為了方便制造20L1=9.6P=159.2N/m91一一0H7595主梁的形式應(yīng)根據(jù)水頭和跨度大小而定，本閘門屬于中等跨度,和維護(hù)，決定采用用實(shí)腹式組合梁。(3) 王梁的布置。根據(jù)閘門的高跨比，決定采用雙主梁。為使兩個(gè)主梁設(shè)計(jì)水位時(shí)所受的水壓力相等，兩個(gè)主梁的位置應(yīng)對(duì)稱于水壓力合力的作用線y=H/3=1.83m,并要求下懸臂a>0.12H和a>0.4m、上懸臂c<0.45H,今取a=0.65m0.12H=0.68m主梁間距2b=2(y-a)=2X(1.9-0.65)=2.5m.則c=H-2b-a=5.7-2.5-0.65=2.55(m)<0.45H(滿足

3、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)橫隔板上的預(yù)留孔并被橫隔板所支承。水平次梁為連續(xù)梁，其間應(yīng)上疏下密，使面板各區(qū)格所需要的厚度大致相等，梁布置的具體尺寸。I1一妙0D一D5水平找梁頂梁1窩V1,«宮*n王律nnr*11oLO/11intraj3IV揉平拔梁n1V尹1QP-cs辺1i藥-9l|25E0気0r二gII1!oq栗格布富尺寸圖（5）連接系的布置和形式。1）橫向聯(lián)接系，根據(jù)主梁的跨度決定布置三道隔板，其間距為2.35m橫隔板兼作豎直次梁。2）縱向聯(lián)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

4、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）估算面板厚度。假定梁格布置如圖所示。面板厚度按下式計(jì)算：t=09p-當(dāng)b/a<3時(shí),=1.5，則t=akp0.91.5160=0.068a、kp當(dāng)b/a>3時(shí),=1.4,貝Ut=akp091.4160=0.07akp現(xiàn)列表如下:梁格a(mm)b(mm)b/akp(N/mm2)護(hù)t(mm)I165025901.570.5840.0070.0647.18n101025902.570.5000.

5、0210.1027.01川86025903.010.5000.0310.1257.50IV79025903.370.5000.0400.1427.65V690125903.750.5000.0480.1557.4853025904.890.7500.0550.2037.53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=160Nmm則P0.07tmax0.07816089.6(/mm)面板與主梁連接焊縫方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的剪力為：VS4410006208306T207（/mm

6、）21°21617000000由式（6.8)計(jì)算面板與主梁連接的焊縫厚度為：hf.P2T2/(0.7J,89.622072/(0.7115)2.8(mm)面板與梁格連接焊縫取其最小厚度hf6mm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公a上a下式：qp2現(xiàn)列表計(jì)算如下：q=160.31kN/m梁號(hào)梁軸線水壓強(qiáng)度（kN.fmm2）梁間距（mm）a上a2(m)a上a下qP2(kN/m)1（頂梁）1.425215.41.42521.951.0403（上主梁）26.51.00527.560.859435.80.83

7、032.040.825544.00.76036.300.7056（下主梁）51.90.62036.590.4007（底梁）57.80.35023.12根據(jù)上表計(jì)算，水平次梁計(jì)算荷載取31.01KN/m,水平次梁為四跨連續(xù)梁，跨度為2.35m.如下圖所示。水平次梁彎曲時(shí)的邊跨跨中彎矩為：M次中0.077ql20.07732.242.5215.52(kN支座B處的彎矩為：M次B0.107ql20.10732.242.5221.56(kN?m)q=32.4kN/m(1)截面選擇63134750(mm)21.5610160考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選槽鋼18a,由附錄表查得：A=2569(m

8、m2)；WX=141400(mm3);Ix=12727000(mm4)b1=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<b1+60t=68+60x8=548(mm)B=E1b(對(duì)跨間正彎矩段)；B=E2b(對(duì)支座負(fù)彎矩段);44按5號(hào)梁計(jì)算，設(shè)梁間距b=(bi+b2)/2=(780+770)/2=775(mm).確定上式中面板的有效寬度系數(shù)E時(shí)，需要知道梁彎矩零點(diǎn)之間的距離Lo與梁間距b之比值。對(duì)于第一跨中正彎矩段取I。=0.8l=0.8x2500=2000(mm)對(duì)于支座負(fù)彎矩段取l0=0.4l=0.4x2500=1000(mm)根據(jù)l0/b查

9、表得：對(duì)于l0/b=2000/775=2.581得E1=0.79J則B=E1b=0.79x775=612(mm)對(duì)于10/b=1000/775=1.290得E2=0.37則B=E2b=0.37X775=287(mm)對(duì)于第一跨中彎矩選用B=485(mm)則水平次梁組合截面面積:A=2569+548X8=6953(m組合截面形心到槽鋼中心線的距離為：59(mm)548894e6953跨中組合截面的慣性矩及截面模量為:I 次中127270002569592548835227040089(mm4)27040089149181500(mm2)對(duì)支座段選用B=287(mm)則組合截面面積:A256928

10、784865(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線的距離:287894496945(mm)支座處組合截面的慣性矩及截面模量:I次B127270002569442287848222990568(mm4)229905682、Wmin171571(mm)134(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：621.5610115771125.7(N/mm2)160N/mm2說(shuō)明水平次梁選用槽鋼18a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，由于水平次梁在B支座處，截面的彎矩已經(jīng)求得M

11、次B=21.56kN?m,則邊跨撓度可近似地按下式計(jì)算：5ql3M次bIl384EI次16EI次532.24(2.5103)321.561062.51033842.061052704104162.06105270410410.000573l2500.004故水平次梁選用槽鋼18a滿足強(qiáng)度和剛度要求。2.（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18a。底梁也采用槽鋼18a。五、主梁設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)資料1 ）主梁跨度凈寬L°=9.6m;計(jì)算跨度L=10m荷載跨度L1=9.6m；2 ）主梁荷載q=P/2=79.6KN/m.3）橫向隔間距

12、：2.5m.4）主梁容許撓度：=L/600。0.2m二他*I：/瞰L=10mQ=p/2=79.6KNL1=9.6m0.2m刃5=H91一0H_jaiiiL=10m（2）主梁設(shè)計(jì)主梁設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：截面選擇；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 彎矩與剪力。彎矩與剪力計(jì)算如下：max79.69.6,10993(kN?m)、maxqL2179.69.6382.08(kN) ）需要的截面模量。已知Q235鋼的容許應(yīng)力=160N/mrh考慮鋼閘門自重引起的附加應(yīng)力作用，取容許應(yīng)力=0.9X160=144N/mm則需要的截面模量為：max993100

13、1440.136896(cm) 腹板高度選擇按剛度要求的最小梁高（變截面梁）為:hmin0.960%L/L0.960.231441029.61022.06107(1/600)88.9(cm)經(jīng)濟(jì)梁高h(yuǎn)ec3.1W2/53.168962/5106.4(cm)土慣比序罐岐九回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hec小,但不小于hmin?，F(xiàn)選用腹板高度h。100cm。 腹板厚度選擇。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：twh/11.100/110.91cm，選用t1.0cm62 翼緣截面選擇。每個(gè)翼緣需要截面為：A1000X10300X2068961.0100100624954(cm)下翼

14、緣選用t12.0cm（符合鋼板規(guī)格）需要bi=52Cm26cm,選用t12.0cmb|26（在3618cm之間）.2.55上翼緣的部分截面可利用面板，故只2.0cm,b114cm.面板兼作主梁上0.862(cm)需設(shè)置較小的上翼緣板同面板相連，選用ti翼緣的有效寬度取為：Bb1601460上翼緣面積：A1142.0600.876(cm2) 彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算主梁跨中截面（見(jiàn)下圖）的幾何特性如下表:部位截面尺寸(cmcm)截面面積A(cm2)各形心離面板表面距離y(cm)Ay'(cm3)各形心離中和軸距離yy%(cm)A2f4、Ay(cm)面板部分62X0.849.60.419.8-50.1

15、124300上翼緣板14X2.028.01.850.3-48.766200腹板100X1.0100.052.852802.3530下翼緣34X2.068.0103.8705853.3193200合計(jì)245.612408336035Ay截面形心矩：y110747.846.8(cm)A229.6截面慣性矩：1th0A21.0Ay3100336035328062(cm4)1212截面模量：上翼緣頂邊：WminI4193688961(cm3)y146.8下翼緣底邊：WminI4193687230(cm3)y258彎應(yīng)力：99310013.7(kN/cm2)<0.91614.4(kN/cm2)(安

16、全)Wmin77230 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h；O.6ho60cm。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)，離開(kāi)支承段的距離為250-10=240cm。260X20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。部位截面尺寸(cmXcm)A(cm2)y&

17、#39;(cm)3Ay(cm)Y=y'-y1(cm)Ay2(cm3)面板部分62x0.849.60.419.8-50.146443上翼緣板14X2.028.01.850.3-48.723874腹板100X1.06032.819682.3194下翼緣34x2.068.063.8433853.373157合計(jì)205.653561259785356截面形心距：y126.1(cm)205.6截面慣性矩：|060125978143978(cmF翼緣對(duì)中和軸的面積矩：S226237.81966(cm3)>3)1225002500截面下半部中和軸的面積矩：368S26.1237.836.81.

18、02643(cm2)2剪應(yīng)力:VmaxS9.5kN/cm2(安全)lot衛(wèi)8226437.01(kN/cm2)<1439781.0需要hfVS1410f38219660.34(cm)1.414397811.3角焊縫最小厚度hf15、t1.5.206.7(mm)全梁的上、下翼緣焊縫都采用hf8mm4）腹板的加勁肋和局部穩(wěn)定驗(yàn)算。加勁肋的布置：因?yàn)閔010°10080,故因?yàn)殚l門上已布置橫向隔板可兼需設(shè)置橫向加勁肋，以保證腹板的局部穩(wěn)定性。作橫向加勁肋，其間距a250cm。梁高與彎矩都較大的區(qū)格U可按（/erf（/erfc/c.cr1驗(yàn)算:區(qū)格u左邊及右邊截面的剪應(yīng)力為：必左382

19、-79.6（4.8-2.5）199（kN）;乂右0區(qū)格U截面的平均剪應(yīng)力為:M左Vu右)/2hot199/21001.029.95(N/mm)1區(qū)格U左邊及右邊截面上的彎矩分別為:3822.5-79.6(4.8-2.5)274(kN?m)Mu右Mmax993kN?m區(qū)格u的平均彎矩為：MuMu左Mu右744993869(kN?m)22區(qū)格u的平均彎應(yīng)力為：Muy。869440106291.2(N/mm)I419368104計(jì)算crh°/tfy102350.56,0.85177235177235cr160N/mm2計(jì)算cr，由于區(qū)格長(zhǎng)短邊之比為2.5/1.0>1.0hp/t41,

20、5.344(h0/a)2100/1.0r-_2415.344(100/250)21.0則cr10.59(s0.8)將以上數(shù)據(jù)代入公式（/cr）'(/cr)2c/c.cr91.229.9516083.80.198<1.0（這里無(wú)局部壓應(yīng)力）滿足局穩(wěn)要求，故在橫隔板之間(區(qū)格U)不必增設(shè)橫向加勁肋再?gòu)募袅ψ畲蟮膮^(qū)格I來(lái)考慮：該區(qū)格的腹板平均高度ho(10060)/280(cm)，因h°/t80，不必驗(yàn)算，故在梁高減少的區(qū)格I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W區(qū)格所需板厚度較大，這意味

21、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W,并驗(yàn)算其長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力。面板區(qū)格W在長(zhǎng)邊中點(diǎn)的局部彎曲應(yīng)力為：mymxkpa2t2my20.750.052510822158(/mm)0.315847(/m2)23對(duì)應(yīng)于面板區(qū)格W在長(zhǎng)邊中點(diǎn)的主梁彎矩和彎應(yīng)力為:79.64.83.75279.63.55931(k?m)M93110620xw8r104(/mm)面板區(qū)格W的長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力為:zhmy(mx0x)2my(mx0x)158(47104)2158(47104)/mm2)193(/mm2)1.11.11.4160246.4(上式中my、mx和0x的取值均以拉應(yīng)力為正號(hào)，壓應(yīng)力為負(fù)號(hào)故面

22、板厚度選用7mm，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(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)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：M2.5525.22.525568.3(k?m)278橫隔板裁面團(tuán)(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1000mmx8mm,上翼緣利用面板，下翼緣采用200mmx8mm的扁鋼，上翼緣利用面板的寬度按B=E2b確定，其中b=2500mm按l0/b22550/25002.04,查表

23、可得有效寬度系數(shù)E2=0.51，則B=0.51X2500=1275取B=1300mm截面形心到腹板中心線的距離為：13°085°42°085°413008200810008截面慣矩為:8100031222810002222820072628130082244273131104(mm4)截面模量為：Wi42731311073033741500(mm)驗(yàn)算彎應(yīng)力為：M68310618.3(/mm2)Wmin3741500in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hf6mm。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

24、閘門自重。露頂式平面鋼閘門G按式計(jì)算：GKzKcKgH143B0.889.80.811.00.135.71.439.60.889.891(k)下游縱向連接系承受：0.4G0.49136.4(k)縱向連接系視為簡(jiǎn)支的平面桁架，其桁架腹板桿布置如下，其結(jié)點(diǎn)荷載為36.449.1(k)桿件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖所示(2)斜桿截面計(jì)算。斜桿承受最大拉力N=17.33kN,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200。選用單角鋼90X8,由附表查得：截面面積：22A15.6cm1560mm回轉(zhuǎn)半徑：iy01.98cm19.8mm斜桿計(jì)算長(zhǎng)度：1。0.9.2.522.520.423

25、.2(m)I03.2103小長(zhǎng)細(xì)比：161.62001y019.819.310322驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度為：12.4(/mm)0.85133(/mm)1560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(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，為了便于安裝壓合膠木滑塊，下翼緣寬度不宜小于300mm勺扁鋼做成。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)師將容許應(yīng)力值降低20%乍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)六個(gè)滾輪。

26、其布置尺寸可見(jiàn)下圖。1)水平荷載。主要是主梁傳來(lái)的水平荷載，還有水平次梁和頂、底梁傳來(lái)的水平荷載。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，見(jiàn)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=333.45kN。2)豎向荷載。有閘門自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、啟吊力等。38225上滑塊所受的壓力：Ri38b5304(k)下滑快所受的壓力：R2764304460(k)最大彎矩：Mmax3040.64194.6(k?m)最大剪力：VmaxR1301(k)最大軸向力為作用在一個(gè)邊梁上的起吊力，估計(jì)為200kN(詳細(xì)計(jì)算見(jiàn)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N200R1f200304

27、0.12163.52(k)。1p111o10I11i1邊梁截面圖F1上主梁作用力382KN下主梁作用力382KN邊浜計(jì)算圖(2)邊梁的強(qiáng)度驗(yàn)算。截面面積:A6001023001414400(mm2)面積矩:截面慣性矩:Smax14300307103001501739400(mm10600324I230030714971691600(mm)12)截面模量:W9716916003094600(mm3)314截面邊緣最大應(yīng)力驗(yàn)算:maxNMmax163.5210314400匹74(/mm2)0.8128(/mm2)3094600腹板最大剪應(yīng)力驗(yàn)算:VmaxSmax304101739400It9169

28、16001054(/mm2)0.80.89576(/mm2)腹板與下翼緣連接處折算應(yīng)力驗(yàn)算:6330071(3142/mm)VmaxS304103It3001430797.1691610710240.3(/mm)232、712340.3299.6(/mm2)2h以上驗(yàn)算均滿足強(qiáng)度要求。0.80.8160128(/mm2)九、行走支承設(shè)計(jì)膠木滑塊計(jì)算：滑塊位置如圖所示，下滑快受力最大，其值為R2460k。346010滑塊長(zhǎng)度為350mm則滑塊單位長(zhǎng)度的承壓了為：q沖3501314(/mm)根據(jù)上述q值由表查得軌頂弧面半徑R=150m，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)力按式（6

29、.14）進(jìn)行驗(yàn)算:max104R1314308(/mm2)j500(/mm2)選定膠木高30mm寬120mm長(zhǎng)350mm十、膠木滑塊軌道設(shè)計(jì)（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混凝土由附表9.2查得混凝土的容許承壓應(yīng)力為h7/mm2，則所需要的軌道底板寬度為:Bh13147188(mm)(取Bh200mm)1314200（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)故軌道底面壓應(yīng)力為：h6.5(/mm2)力為:F150亠82.5-82.5220式中軌道底板的懸臂長(zhǎng)度c=82.5mn,對(duì)于Q235鋼，查得100/mm220036.5782.5210036.6(mm)(取t40mm)故所需軌道底板厚度為:卜一、閘門啟閉力和吊座計(jì)算(1)啟門力按式計(jì)算：T啟1.1G1.2(TzdTzs)FX其中閘門自重：G91k滑道摩阻力：TzdfP0.12159.29.61