潛孔式鋼閘門課程設(shè)計計算書講訴

水工鋼閘門課程設(shè)計計算書一．設(shè)計資料(1)閘門型式：提升式平面鋼閘門（潛孔式）(2)孔口尺寸（寬×高）：10.0×5.0m2(3)上游水位：▽27.5m(4)下游水位：無(5)閘底高程：▽20.0m(6)胸墻底高程：▽25.0m(7)啟閉設(shè)備：電動固定式啟閉機(8)閘門門葉承重鋼焊條：E43型所用材料：結(jié)構(gòu)：Q235.B鋼行走支承：采用滾輪，材料為鑄鋼ZG45頂止水，側(cè)止水——P形橡皮；底止水——條形橡皮(9)制造條件：(10)采用的規(guī)范：《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范SL74—95》結(jié)構(gòu)的型式及布置(1)閘門尺寸的確定止水橡皮：金屬結(jié)構(gòu)制造廠制造，手工電焊，滿足Ⅲ級焊縫質(zhì)量檢驗標準。二．閘門閘門總寬：BL2dLb0aL0——孔口寬度d——行走支承到閘墻邊緣的距離(0.2m)La——邊梁兩腹板中到孔中距離(0.4m)b——邊梁下翼緣寬度(0.2m)B10.020.20.40.211.0(m)

閘門高度：H=胸墻底高程-閘底高程+H△（安裝頂止水構(gòu)造要求取△H=0.3m）Hm25.020.00.35.3()閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：LL20.110.020.110.2(m)q0閘門的計算跨度：LL2d10.020.210.4(m)0(2)主梁的數(shù)目型式及位置。LH/10.0/5.31.91.20主梁數(shù)目：采用雙主梁主梁形式：單軸對稱工字形截面焊接組合梁主梁位置：根據(jù)等荷載原則，兩根主梁的位置應(yīng)對稱于水壓力合力的作用線，且應(yīng)滿足：a0.12H且0.4m且D60mm0.66mc0.45H且3.6m（式中H取閘門止水壓力作用高度，取孔口高度+100mm）計算y簡圖如圖3所示cP19.8(7.55.3)21.56(kPa)1P19.87.573.5(kPa)2yPH2/2(PP)H2/62.17(m)121(PP)H/2c12取y=2.2mca0.12H0.125.30.636m取a0.72m，則：b2(ya)2.96mcc5.50.752.91.82m0.45H2.385m(3)梁格的連接型式及布置梁格采用復(fù)式布置和齊平連接，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，梁格布置具體尺寸如圖4所示：(4)聯(lián)結(jié)系的布置和形式橫向聯(lián)結(jié)系。根據(jù)主梁的跨度，決定布置3道橫隔板，其間距為2.5m，橫隔板兼作豎直次梁?？v向聯(lián)結(jié)系。采用斜桿式桁架，布置在2根主梁下翼緣的豎平面內(nèi)。(5)邊梁與行走支承變量選用雙腹板型式，行走支承采用滾輪式，且D=600mm，滾輪位置沿門高布置按等荷載原則，采用筒支定輪。三、版面設(shè)計根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范SL74—95》關(guān)于版面的計，算先估算面板厚度，在主（次）梁截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.估算版面的厚度。初步布置梁格尺寸如圖4所示，面板厚度按下式計算kpta當b/a3時，，則1.5t0.065akpt0.067akp當b/a3時，，則1.4現(xiàn)將計結(jié)算果列于下表：區(qū)格a(mm)b(mm)b/ap(N/mm2)t(mm)kkpⅠⅡⅢⅣ80078074068062057050025902590259025902590259025903.243.323.503.814.184.545.180.750.50.02440.03300.04150.04920.05630.06310.06950.1350.1290.1440.1570.1680.1780.2287.246.727.147.156.976.787.650.50.5ⅤⅥⅦ0.50.50.75注：1.t的最終確定。任意兩個區(qū)格的厚度之差滿足t1mm；2.面板邊長a，b都從面板與梁格的連接焊縫算起；Ⅰ、Ⅶ3.區(qū)格系數(shù)按三邊固定一邊簡支查得。t8mm根據(jù)表1計結(jié)算果，選用面板厚度。2.面板與梁格的連接焊縫計算面板局部彎曲時產(chǎn)生的垂直于焊縫長度方向的橫拉力N按下式計算tN0.07ttmax，，則：t8mm已知，并且近似取板中最大彎應(yīng)力160N/mm2maxN0.07816089.6N/mmt面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)的剪力為（主梁的最大剪力及相應(yīng)的截面特性S及I見后）四．水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計。1.荷載與內(nèi)力計算水平次梁和頂、底梁都是支承在橫隔板上的連續(xù)梁，作用在它們上的水壓力的計算式為：q=p(aa)/2上下計算列于表2.軸線水梁間距(a上+a梁號壓PkPa(m)下)/2q備注頂梁荷載按下圖計算112.120.87228.620.88525.330.9337.440.86532.390.83445.570.7936.000.75552.920.7238.100.69659.680.6941.180.69766.440.65543.520.62R12.12kN/m1872.520.100.3626.11根據(jù)表2計算結(jié)果，水平次梁荷載取43.52kN/m，水平次梁為四跨連續(xù)梁，跨度為2.5m，如圖5所示水平次梁的跨中的正彎矩為M=0.077ql2=20.94kN·m次中支座B處的負彎矩為：M=0.107ql2=29.10kN·mB次2.截面選擇WM/29.10106/160181875mm3考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選[20a，查得：A2880mm,W178000mmx,I17800000mmx,b73mm,d7mm234c面板參加次梁翼緣工作的有效寬度分別按式(8-15)及式(8-16)計算，然后取其中較小值。式(8-15)中Bb60t73608553mmc式(8-16)中跨間正彎矩段Bb1對支座負彎矩段Bb2按7號梁計算，該梁平均間距b=655mm，對于等跨中正彎矩段，彎矩零點之間距離：l0.8l0.825002000mm0對于支座負彎矩處，彎矩零點間距離：l0.8l0.425001000mm0根據(jù)表8-1得：l/b2000/6553.053010.843，Bb552mm得1l/b1000/6551.527020.425，Bb278mm得2對第一跨中選用B552mm，則水平次梁的組合截面面積為：A288055287296mm2e552810463mm7296組合截面形心到槽鋼中心線距離：跨中截面的慣性矩及截面模量為：I=17800000+2880*632+552*8*412=36654016mm4次中Wmin=I/ymax=224871mm3次中對支座選用B278mm，則A288027885104mm2e278810445mm組合截面形心到槽鋼中心線距離5104支座處的截面參數(shù)：IB=17800000+2880*452+278*8*592=31373744mm4次Wmin=I/ymax=216370mm3B次3.水平次梁強度驗算因支座B處彎矩最大，而截面模量較小，故只需驗算支座B處截面的抗彎強度，即：M/W134.5N/mm2160N/mm2Bmin滿足強度要求。軋成梁的剪應(yīng)力一般很小，故不再驗算。4.水平次梁的撓度驗算水平次梁為受均布荷載的四跨連續(xù)梁，最大撓度發(fā)生在邊跨，可按式(8-14)計算。Wql343.52250030.6321002.06105366540165.71040.004l100EI滿足剛度要求5.頂梁和底梁頂梁和底梁也采用和中間次梁相同的截面，故也選[20a。五．主梁設(shè)計（一）已知條件(1)主梁跨度L10.4m計算跨度L10.2m荷載跨度q(2)主梁荷載：qp/2126.0kN/m(3)橫隔板間距：2.5m1wL750主梁容許撓度：（二）主梁設(shè)計1.截面選(1)主梁的擇內(nèi)力計算，計算式為：MqL(q)126.010.2(10.4/210.2/4)/21703kNmLLq224maxVqL/2126.010.2/2542.7kNmaxq(2)需要的截面抵抗矩，已知鋼材Q235B的容許應(yīng)力160N/mm2，初估翼緣厚度為第0.9144N/mm2，則所一組鋼材，考慮閘門自重引起的附加應(yīng)力影響，取容許應(yīng)力為需的截面抵抗矩為：WM/0.91703103/14411826cm3max(3)腹板高度h選擇。為減小門槽寬度，0主梁采取變梁高形式，則按剛度要求的最小梁高為：hmin0.960.23Ew0/.L9L120.4cm經(jīng)濟兩高為：h3.1W2/53.1107290.4132.0cmech125cm選用0(4)腹板的厚度選擇。由經(jīng)驗公式：th/111.02cmw，選用0t1.05cmw(5)翼緣截面的選擇。每個翼緣所需截面AW/hth/672.7cm2積為：10w0t2.0cmbA/t36cmb38cm（在25~50cm之間）選用1下翼緣選用，則需要1111上翼緣的部分面積可利用面板，故只需設(shè)置較小的上翼緣板同面板相連，t2.0cmb16cm。選用11面板兼作主梁上翼緣的有效寬度B可按下列二者計算，然后取其較小值。Bb60t64cm1b65.5cm下主梁與相鄰兩水平次梁的平均間距較小，其值為由L/b1040/65.515.88，查表8-1得111.0Bb65.5cm，則故面板可利用的有效寬度為62cm，則主梁上翼緣總面積為A162640.883.2cm21(6)彎應(yīng)力強度驗算：主跨中截面如圖所示，截面形心矩為：y640.80.41621.81251.0565.3382128.863.5cm640.81621251.053821截面慣性矩為：Ith3/12Ay2821073cm4w0ii截面抵抗矩為：WI/y821073/63.512930cm3max1WI/y821073/66.312384cm3min2彎應(yīng)力：M/W1703103/12384137.5N/mm20.9144N/mm2maxmin滿足要求(7)整體穩(wěn)定與撓度驗算，因主梁上翼緣直接同鋼面板相連，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）規(guī)定可不必驗算其整體穩(wěn)定性，又因梁高大于按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，為節(jié)約鋼材，同時為減小門槽寬度，決定降低主梁端部高度，如圖所示，取主梁支承端腹板高度為：hd0.6h750mm00梁開始改變的位置取在鄰近支承端的橫向隔板下翼緣的外側(cè)，若隔板的下翼緣寬取為200mm，則梁高改變位置離開支承的距離為2500-200/2=2400mm剪切強度驗算：若主梁端部的腹板及翼緣都分別與支承邊梁的腹板及翼緣焊接，可按工字型截面來驗算剪切應(yīng)力強度。主梁支承端的截面參數(shù)計算如下：yAy/A39cm截面形距：1iii截面慣性矩：Ithxd3/12Ay2w0ii截面上半部分對中和的軸面積矩：S3815cm3則VS/It85.0N/mm295N/mm2xmax3.翼緣焊縫V650kN翼緣焊縫厚度h按受力最大的支承端截面計算，最大剪力maxfI278003cm4截面慣性矩xS3166.72cm2上翼緣對中和軸的面積矩：1S3024.8cm2S下翼緣對中和軸的面積矩：21hVS/(1.4Ix)4.60mmwf需要f1h1.5t6.7mm角焊縫的最小厚度f1h8mm。則主梁上下翼緣焊縫全長均取f4.腹板的加勁肋和局部穩(wěn)定驗算h/t125/1.0511980235/fw加勁肋的布置：因為0y，故需要設(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可兼作橫向加勁肋，其間距a=2500mm。2驗算腹板區(qū)格劃分如圖所示，梁高較大的區(qū)格按V/ht0w格區(qū)Ⅱ左邊截面的剪力：V650126.0(5.12.5)322.4kN該截面的彎矩：M6502.7126.02.6/21329kNm2My01.329586/8.2107395N/mm2I腹板邊緣的彎曲壓應(yīng)力：0.964(h/100t)2134.42w查表5-9得02'(100t/h)20.49300.698由a/b2.0'2查表5-10得2wV322.4105/(125010.5)24.6N/mm2所以76N/mm2A2故在區(qū)段Ⅱ的橫隔板之間不必再增設(shè)加勁肋。再從剪力最大的區(qū)格Ⅰ來考慮：h(12575)/2100cm該區(qū)格的腹板平均高度：0h/t9580235/fw因y，需要設(shè)置橫向加勁肋，現(xiàn)按式(5-59)進行驗算0Ⅰ左邊截面的剪力：V650126.0(5.15)637.4kN區(qū)格該截面彎矩M6500.2126.00.1/2129.4kNm2My09.2N/mm2I腹板邊緣的彎曲壓應(yīng)力x1.0(h/100t)28.4查表5-9得0w有2'(100t/h)20.7270'0.6592由a/b2.5得2wV6.374105/(100010.5)60.7N/mm2A116.32N/mm22所以故在該區(qū)段Ⅰ之間也不必再設(shè)加勁肋。六、面板參加主（次）梁工作的折算應(yīng)力驗算主（次）梁截面選定后，還需按式（8-4）驗算面板的局部彎曲與主（次）梁整體彎曲的折算應(yīng)力，由圖6可知，因水平次梁的截面很不對稱，面板參加水平次梁翼緣整體彎曲的應(yīng)力ox與其參與主梁翼緣工作的整體彎曲應(yīng)力ox要小得多。故只需要驗算面板參加主梁工應(yīng)力。由前文的面板計算可知，直接與主梁相應(yīng)的面板區(qū)格只有區(qū)格Ⅶ所需的板所以選取圖4中區(qū)格Ⅶ按式8-4驗算次主作時的折算厚較大，這就意味著該區(qū)格的長邊中點應(yīng)力也較大，。面板區(qū)格Ⅶ在長邊中點的局部彎應(yīng)力為：kpa2/t20.750.06955002/82203.6N/mm2mymx61.1N/mm2my對應(yīng)于面板區(qū)格Ⅶ的長邊中點的主梁彎矩和彎應(yīng)力為：M126.010.23.85/2126.03.75/21588kNm2M/W1588/12.930122.8N/mm2ox面板區(qū)格Ⅶ的長邊中點的折算應(yīng)力為：246.4N/mm22()2()240.5N/mm21.1mymxoxmymxoxzh故面板厚選用8mm，滿足強度要求。七．橫隔板設(shè)計橫隔板同時兼作豎直次梁，主要承受水平次梁、頂梁和底梁計算時（圖11），橫隔板傳遞的集中荷載和面板傳遞的分布荷載，可把這些荷載以梯形分布的水壓力來代替按支承在主梁上的雙懸臂梁計算，則每道橫隔板在懸臂的最大彎矩為：M(pp)1.48y2.5/2c2122pp22.5/2129.0kNmM1.48213橫隔板的腹板選用與主梁腹板下翼緣采用相近，采用13008mm。上翼緣利用面板，200mm10mm的扁鋼。上翼緣可以利用的面板寬度按式B計算。其中橫隔板平均b2l/b296/025001.1840.3442間距b2500mm，按0查表8-1得則Bb0.3442500860mmB，取850mm驗算，如圖12所示，截面參數(shù)為：2截面形心到腹板中心線的距離：e85086542001065585082001013008163mmI130038/12130081632850849122001081824718583067mm4WI/y5733394mm3minmaxM/W22.5N/mm2160mm2彎應(yīng)力驗算：min由于橫隔板的截面高度較大，剪應(yīng)力強度不必驗算。h6mm。橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度f八．縱向聯(lián)結(jié)系設(shè)計縱向聯(lián)結(jié)系承受閘門自重，潛孔式平面滾輪閘門的自重可按附錄五估算即：G0.073KKKA0.930.799.80.07311.11520.937.50.799.8152.4kNHS123下游面縱向聯(lián)結(jié)系按承受0.4G0.4152.460.98kN計算。縱向聯(lián)結(jié)系按支承邊梁上的P60.98/415.24kN，桿簡支平面桁架設(shè)，其腹桿布置形式如圖13所示，節(jié)點荷載為件內(nèi)力計算如圖13所示。斜桿承受最大拉力N=29.93kN，同時考慮閘門偶然扭曲時可能承受壓力，故其長細比的限值200。取與壓桿相同即選用單角鋼∟100×6，由附表3-8查得A11.9cm,i2.0cmy02l0.92.52.960.53.52m222斜桿的計算長度0長細比l/i352/2.01762000y0拉桿長度驗算N/A29930/119025.15N/mm20.85136N/mm20.85為考慮單角鋼受力偏心影響的容許應(yīng)力折減系數(shù)。九．邊梁設(shè)計邊梁的截面形式采用雙腹式（圖14），邊梁的截面尺寸按構(gòu)造要求確定，截面高度與主梁端部高度相同，腹板厚度與主梁厚度相同。在閘門每側(cè)兩邊梁中間各設(shè)兩個滾輪，其布置尺寸如圖15。邊梁所承受的水平荷載主要是主梁傳來的支座反力及水平次梁頂?shù)琢簜鬟f的水平荷載。為了簡化計算，可假設(shè)這些荷載完全由主梁傳給邊梁。每根主梁作用于邊梁的集中荷載R650kN邊梁所受的豎向荷載包括：閘門自重、支承摩擦阻力、止水摩擦力、起吊力等，如圖15所示，可計算得滑塊所受壓力：RR650kN12邊梁最大彎矩M0.4650260kNmmaxVR650kN最大剪力max1最大軸向力為作用在一個邊梁上的起吊力，計算式如下：T1.2(TT)1.1GPxzdzs其中，閘門自重G152.4kNTW(frf)Rzd支承摩擦阻力1k式中W251.910.2