水工钢闸门设计(课程设计)

水工钢结构课程设计设计人：SQD第-1-页共17页露顶式平面钢闸门设计一、设计资料闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门；孔口净宽：12.00m；设计水头：6.00m；结构材料：Q235；焊条：E43；止水橡皮：侧止水用P形橡皮，底止水用条形橡皮；行走支撑：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2；混凝土强度等级：C20；二、闸门结构的形式及布置1、闸门尺寸的确定（图设-1）闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m，故闸门高度=6+0.2=6.2（m）；闸门的何在跨度为两侧止水的间距：L1=12m；闸门的计算跨度：L=L0+2d=12+2×0.2=12.40(m)。2、主梁的形式主梁的形式应根据水头和跨度大小而定，本闸门属中等跨度，为了便于制造和维护，决定采用实腹式组合梁。3、主梁的布置根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。为使两个主梁在设计水位时所受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线__y=H/3=2.0m(图设-1)，并要求下悬臂Ha12.0和ma4.0、上悬臂Hc45.0，今取)(72.012.07.0mHma水工钢结构课程设计设计人：SQD第-2-页共17页主梁间距：)(6.2)7.02(2)(22__mayb则HmabHc45.0)(7.27.06.262（满足要求）4、梁格的布置和形式梁格采用复式布置和等高连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支撑。水平次梁为连续梁，其间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置的具体尺寸详见图设-25、连接系的布置和形式（1）横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置3道横隔板，其间距为3.1m，横隔板兼作竖直次梁。（2）纵向连接系，设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。6.边梁与行走支承边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。三、面板设计根据SL74—95《水利水电工程钢闸门设计规范》修订送审稿，关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁界面选择之后再验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。1、估算面板厚度假定梁格布置尺寸如图设-2所示。面板厚度可按下式计算：][9.0kpat当b/a≤3时，5.1，则kpakpat068.01605.19.0当b/a＞3时，4.1，则kpakpat070.01604.19.0水工钢结构课程设计设计人：SQD第-3-页共17页现列表-1计算如下：表-1面板厚度的估算注：1.面板变长a、b都从面板与梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽度为180mm（详见于后）2.区格Ⅰ、Ⅵ中系数k有三边定一边简支板查得。根据上表计算，选用面板厚度t=8mm。四、水平次梁、顶梁和底梁的设计1、荷载与内力计算水平次梁和顶、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力可按下式计算：2下上aapq列表-2进行计算·梁轴线处水压强度（kN/m2）梁间距（m）2aa下上2aap下上q备注1（顶梁）3.68顶梁荷载的计算68.372.1357.124.1575.11R1.721.13215.41.42521.951.133（主梁）26.51.04027.560.95435.80.89532.040.84544.00.82536.300.816（下主梁）51.90.70536.590.607（底梁）57.80.40023.12有表-2计算后得mKNq/24.181水平次梁的计算荷载取36.30KN/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度为3.1m（图设-3）。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为)(9.261.33.36077.0077.022mKNqlM次中支座B出的负弯矩为区格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm2)kpt(mm)Ⅰ165030901.870.6560.0070.0687.63Ⅱ99030903.130.5000.0210.1027.07Ⅲ84030903.680.5000.0310.1257.35Ⅳ77030904.010.5000.0400.1427.65Ⅴ67030904.610.5000.0480.1557.26Ⅵ51030906.060.7500.0550.2037.25水工钢结构课程设计设计人：SQD第-4-页共17页)(32.371.33.36107.0107.022mKNqlMB次图设-3水平次梁计算简图和弯矩图2、截面选择)(2332501601032.37][36mmMW考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选［22a，由槽钢表查得A=3184mm2Wx=217600mm3Ix=23939000mm4b1=77mmd=7mm面板参加次梁工作的有效宽度可由公式cbB21及bB计算，然后取其中的较小值。)(55786077601mmtbBbB1（对跨间正弯矩段）bB2（对支座负弯矩段）按5号量计算，设两间距)(8252810840221mmbbb。确定上式中面板的有效宽度系数时，需要知道梁弯矩零点之间的距离l0与梁间距b之比值。对于第一跨中正弯矩取)(248031008.08.00mmll，对于支座负弯矩段取)(124031004.04.00mmll。根据l0/b查面板有效宽度系数表：对于l0/b=2480/825=3.006，得1=0.84，则B=0.84×825=693（mm）对于l0/b=1240/825=1.503，得2=0.42，则B=0.42×825=347（mm）对第一跨中选用B=557mm，则水平次梁组合界面面积（图设-4）为水工钢结构课程设计设计人：SQD第-5-页共17页)(7640855731842mmA组合截面形心到槽钢中心线距离为)(6676401148557mme跨中组合截面的惯性矩及截面模量为2248855766318423939000次中I)mm480751284（)(273154176480751283minmmW对支座段选用B=347mm，则组合截面面积：)(5960347831842mmA组合截面形心到槽钢中心线距离：)(5359601148347mme支座处组合截面的惯性矩及截面模量：)(4321235261834753318423939000422mmIB次)(265106163432123523minmmW3、水平次梁的强度验算由于支座B(图设-3)处弯矩最大，而截面模量较小故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即226min/160][)/(7.1402651061032.37mmNmmNWMB次次说明水平次梁选择［22a满足要求扎成梁的剪应力很小，可不必验算。4、水平次梁的挠度验算受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在边跨，由于水平次梁在B支座处截面的弯矩已经求得M次B=37.32KN·m，则边跨挠度可近似计算：004.02501][000692.0480751281006.216101.31032.37480751281006.2384101.33.3651638455365333lEIlMEIqllB）（次次次故水平次梁选用［22a满足强度要求和刚度要求。5、顶梁和底梁顶梁所受的荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚水工钢结构课程设计设计人：SQD第-6-页共17页度，所以也采用［22a。底梁也采用［22a。五、主梁设计（一）设计资料（1）主梁跨度（图设-5）：净跨（孔口宽度）L0=12m，计算跨度L=12.4m，荷载跨度L1=12m；（2）主梁荷载：mkNq/2.88；（3）横向隔板间距：3.1m；（4）主梁容许挠度.600/][L。（二）主梁设计主梁设计内容包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板局部稳定验算；面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。1、截面选择（1）弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下：)/(1693)41224.12(2122.88maxmkNM)(529122.882121maxkNqlV（2）需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力2/160][mmkN，考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力为2/1441609.0][mmkN，则需要的截面模量为)(117571.01441001693][3maxcmMW（3）腹板高度的选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为)(8.114)600/1(1006.2104.121014423.096.0]/[][23.096.0722mincmLELh水工钢结构课程设计设计人：SQD第-7-页共17页经济梁高)(67.131117571.31.35/25/2cmWhec由于钢闸门中的横行隔板重量将随主梁的增高而增加，故主梁高度宜选得比hec小，但是不小于hmin，现选用腹板高度h0=120cm。（4）腹板厚度的选择。按经验公式计算)(00.111/12011/cmhtw，选用cmtw00.1。（5）翼缘截面的选择。每个翼缘需要的截面为)(7861200.11201175762001cmhthWAw下翼缘选用t1=2.0cm（符合钢板规格）需要cmtAb390.2/78111，选用cmb401（在h/2.5~h/5=48~24cm之间）。上翼缘的部分截面可以利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用t1=2.0cm，b1=18.0cm。面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为)(668.06018601cmbB上翼缘截面面积)(8.888.0660.21821cmA（6）弯应力强度验算。主梁跨中截面（图设-6）的几何特性见表-3。截面形心距：)(7.6028917526'1cmAAyy截面惯性矩：)(779936635936121200.11243230cmAyhtIw截面模量：上翼缘顶边)(128497.6077993631maxcmyIW下翼缘底边)(128491.6477993632mincmyIW水工钢结构课程设计设计人：SQD第-8-页共17页弯应力：)/(4.14169.0)/(9.1312167100169322minmaxcmkNcmkNWM（安全）表-3主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸（cm×cm）截面面积(cm2)各形心离面板表面的距离y’(cm)Ay’(cm3)各形心离中和轴的距离y=y’-y1Ay2(cm4)面板部分66×0.852.80.412.12-60.3191986上翼缘板18×2.036.01.864.8-58.9124892腹板120×1.0120.062.875362.1529下翼缘40×2.080.0123.8990463.1318529合计28917526635936（7）整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按规范规定可不必验算整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。2、截面改变因主梁的跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度（节省钢材），有必要将主梁支承端腹板高度减小为)(721206.06.000cmhhs（图设-7）。梁高开始改变的位置取在邻近支承段的横向隔板下翼缘的外侧（图设-8），离开支承端的距离为310-10=300cm。剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字形截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何特性见表-4.水工钢结构课程设计设计人：SQD第-9-页共17页截面形心距：)(378.2405.89341cmy截面惯性矩：)(26710623600212721430cmI截面下半部对中和轴的面积矩：)(381828.37