钢结构课程设计-露顶式平面钢闸门设计.docx

钢结构课程设计报告题 目： 露顶式平面钢闸门设计 学生姓名： 学 号： 指导老师： 设计地点： 东大九龙湖校区 交通学院 港航系露顶式平面钢闸门设计一、设计资料1) 闸门型式。露顶式平面钢闸门。2) 空口尺寸（宽高）。12m6.0m。3) 上游水位。9.0。4) 下游水位。无。5) 闸底高程。3.0。6) 启闭方式。电动固定式启闭机。7) 材料。钢结构：q235af；8) 焊条：e43型； 行走支承：胶木滑道，压合胶木为mcs-2； 止水橡皮：侧止水用p型橡皮，底止水用条形橡皮； 混泥土强度等级：c20（200号）。9) 制造条件。金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足级焊缝质量检验标准。10) 规范。水利水电工程钢闸门设计规范 （sl 74-1995）。二、闸门结构的型式及布置1. 闸门尺寸的确定2. 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+0.2=6.2m闸门的荷载跨度为两侧止水间的间距 lq=12.0m闸门计算跨度 l=l0+2d=12+20.2=12.4m2. 主梁的型式主梁的型式应根据水头和跨度大小而定，本闸门属于中等跨度，为了便于制造和维护，采用实腹式组合梁。3. 主梁的布置根据闸门的高垮比，决定采用双主梁。为使2根主梁在设计时水压力相等，2根主梁的位置应对称于水压力合力的作用线yc=h3=2.0m，并要求上悬臂c0.45h，且使底主梁到底止水的距离尽量符合底缘布置要求（即30），取c=0.45h=2.7m，则主梁间距2b=2h-yc-c=26.0-2.0-2.7=2.6ma=h-2b-c=6.0-2.6-2.7=0.7m4. 梁格的布置和形式梁格采用复式布置和齐平连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支承。水平次梁为连续梁，其间距上疏下密，面板各区格所需要的厚度大致相等。5. 联结系的布置和形式（1）横向联结系。根据主梁的跨度，采用布置3道横隔板，其间距为3.1m，横隔板兼作竖直次梁。（2）纵向联结系。采用斜杆式桁架，布置在2根主梁下翼缘的竖平面内。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1. 估算面板厚度当ba3 时，t=akp1.5当ba3 时，t=akp1.4p=gh=0.0098 h n2；（h为区格中心的水头，单位m）=160n2；设计时选用 20b计算结果注 1.竖直次梁腹板厚取8；2.主梁上翼缘宽度取140。3.区格1，4中系数k按三边固定一边简支查得根据计算结果，选用面板厚度 t=8。2. 面板与梁格的连接焊缝计算面板局部弯曲式产生的垂直于焊缝长度方向上的横拉力nt。近似取板中最大弯应力max=160n/mm2nt=0.07tmax=0.078160=89.6n面板与梁连接焊缝方向单位长度内剪力t=vs2i0=529.2103680836422802106=187.0n面板与主梁连接的焊缝厚度hf nt2+t20.7fw=89.62+18720.7115=2.6mmhfmax 1.2tmin=9.6 hfmin1.5tmax=1.520=6.71mm 面板与梁格的连接焊缝取其最小厚度 hf=8。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，作用在他们上面的水压力的计算式为g=pa上+a下2计算列表 梁 号梁轴线处水压强度p（kn/m2）梁间距（m） a上+a下2(m)q=pa上+a下2(kn/m)1（顶梁）3.681.72215.3861.42521.951.133（上主梁）26.461.04027.560.95435.770.89532.040.84544.002082536.300.816（下主梁）51.940.70536.590.607（底梁）57.820.40023.120.10 根据表计算结果，水平次梁计算荷载取最大值36.30kn/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度为3.1m，水平次梁边跨中的正弯矩为m次中=0.077ql2=0.07736.33.12=26.86knm2支座b处的负弯矩为m次b=0.10736.33.12=37.33knm2.截面选择w=m=37.33106160=233312mm3考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选20b由附表3-6，查得a=3280mm2,wx=191000mm3 ix=1914104mm4bl=75mm，d(即tw)=9.0mm面板参加次梁翼缘工作的有效宽度bbl+60t=75+608=555mm按5号梁进行计算，该梁平均间距 b=a上+a下2=840+8102=825mm。对于第一跨中正弯矩段，零点之间的距离 l0=0.8l=0.83100=2480mm，由l0b=3.006查表得1=0.84，b=1b=693mm；对于支座负弯矩段，l0=0.4l=0.43100=1240mm，由l0b=1.503查表得2=0.42，b=2b=346.5mm。对第一跨中，选用b=555mm，则水平次梁的组合截面积为a=3280+5558=7720mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离e=0+5558104772060mm跨中组合截面的惯性矩及截面模量为i次中=19140000+3280602+5558442=39543840mm4wmin=i次中ymax=39543840160=247149mm3对支座，选用b=346mm，则水平次梁的组合截面积为a=3280+3468=6048mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离e=3468104604848mm支座处截面的惯性矩及截面模量为i次支=19140000+3280482+3468562=3.538107mm4wmin=i次支ymax=3.538107148=239038mm33. 水平次梁的强度验算支座处弯矩最大截面模量较小，故只需检验支座处截面的抗弯强度，即次=m次支wmin=37.33106239038=156nmm2=160nmm2满足强度要求。轧成梁的剪应力一般很小，故不再验算。4. 水平次梁的扰度验算水平次梁为受均布荷载的四跨连续梁，最大扰度发生在边跨，查表得=l250，则l=ql3100ei=0.63236.302310031002.061053.538107=8.3910-4l=0.004满足刚度要求5. 顶梁和底梁顶梁和底梁也采用和中间次梁相同的截面，故也选用 20b。五、主梁设计（一）已知条件（1） 主梁跨度：计算跨度l=12.4m，荷载跨度lq=12m。（2） 主梁荷载：q=p2=gh2/(22)=88.2knm。（3） 横隔板间隔：3.1m。（4） 主梁容许绕度：l=1600。（二）主梁设计1. 截面选择（1）主梁内力mmax=qlq2l2-lq4=88.212212.42-124=1693.44knmvmax=qlq2=0.588.212=529.2kn（2）需要的截面抵抗矩（考虑闸门自重引起的附加应力的影响，取容许应力为0.9=0.9160=144nmm2）w=mmax0.9=1693.441000144=11760cm3（3）腹板高度h0选择为减小门槽的宽度，主梁采取变梁高形式，按刚度要求的最小梁高为hmin=0.960.230.9lel=0.960.231600.912.410002.061051600=114.8cm经济梁高hec=3.1w25=3.11176025=132cm则选取的梁高h一般应大于hmin但比hec稍小，选取h0=120cm。（4）腹板厚度选择由经验公式tw=h011=12011=1.0cm选用tw=1.0cm。（5）翼缘截面选择每个翼缘所需截面积为a1=wh0-16twh0=11760120-161.0120=78cm2下翼缘选用t1=2.0cm，需要b1=a1t1=39cm，选用b1=42cm。上翼缘的部分面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用t1=2.0cm，b1=20cm。面板兼做主梁上翼缘的有效宽度b可按下列二者计算，然后取较小值b=bl+60t=20+600.8=68cm下主梁与相邻两水平次梁的平均间距较小，为b=a上+a下2=81+602=70.5cm由lb=124070.5=17.59，查表得1=1.0，则b=1b=1.070.5=70.5cm故面板可利用的有效宽度为b=68cm，则主梁上翼缘的总面积为a1=202.0+680.8=94.4cm2（6）弯应力强度验算主梁跨中截面形心距面板表面的距离y1=aiyiai=680.80.4+2021.8+120162.8+422123.8680.8+202+1201+422=60.4cm截面惯性矩为i=112twh03+aiyi2=11211203+680.8602+20258.602+1202.42+42263.42=815533cm4截面抵抗矩为wmax=iy1=81553360.4=13502cm3wmin=iy2=81553364.4=12664cm3弯应力=mmaxwmin=1.69310912.664106=133.7nmm20.9=144nmm2弯应力强度满足要求。（7）整体稳定与绕度验算。因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按钢结构设计规范（gb500172003）规定可不必验算其整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的绕度也不必验算。2. 截面改变因主梁跨度较大，为节约钢材，同时减小门槽宽度，决定降低主梁端部高度，取主梁支承端腹板高度为h0d=0.6h0=0.61200=720mm梁高开始改变的位置取在邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧，若横隔板的下翼缘宽度取为200，则梁高改变位置离开支承端的距离为3100-200/2=3000剪切强度验算：主梁支承端截面参数截面形心距面板表面的距离y1=aiyiai=680.80.4+2021.8+72138.8+42275.8680.8+202+721+422=37.0cm截面惯性矩为ix=112twh0d3+aiyi2=1121723+680.836.62+20235.22+7211.82+42238.82=280227.9cm4截面下半部对中和轴的面积矩s=42238.8+37.81.037.82=3973.6cm3则 =vmaxsixt=5.2921053.97361062.80227910910=75.04nmm2=95nmm2剪切强度满足要求。3. 翼缘焊缝翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。最大剪力vmax=529.2kn，截面惯性矩ix=280227.9cm4。上翼缘对中和轴的面积矩s1=680.836.6+20235.2=3399.04cm3下翼缘对中和轴的面积矩s2=42238.8=3259cm3s1需要焊缝厚度hf=vs11.4ixfw=5.2921053.399041061.42.802279109115=4.0mm角焊缝hfmin1.520=6.7mmhfmax80235fy=80，故需设置横加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋，其间据a=3100mm。腹板区格划分如图。 梁高都较大的区格，按式（5-59）验算，即=vh0tw2区格ii左边截面的剪力 v=529.2-88.22.910-3=273.42kn该截面的弯矩m=529.23.1-88.2 2.92/2=1269.64kn.m腹板边缘的弯曲压应力=myix=1269.64106576815533104=89.67n/mm2(h0100tw)2=89.67(1201001)2=129查表5-9得内插法=0.9665 由a/b=310/120=2.6 查表5-10得2=0.6552=2（100tw/b）2=0.665(1001/120)2=0.455所以=vh0tw=273.4210312000=22.785n/mm22=0.4550.9665115=50.57n/mm2故在区段ii的横隔板之间不必再增设加劲肋。再从剪力最大的区格i来考虑h0平均=120+722=96cm h0平均tw=961.0=9680235fy=80需验算。故需局部稳定性验算。区格左边最大剪力 v=529.2kn，该截面弯矩 m=0knm。则腹板边缘的弯曲压应力=myix=0n/mm2(h0100tw)2=0查表得=1.0由a/b=310/72=4.3 查表得2=0.0616-4.3-4.05.0-4.00.616-0.588=0.6082=2（100tw/b）2=0.608(1001/96)2=0.660=vh0tw=529.210396010=61.7n/mm22=0.6601.0115=75.9n/mm2故在区段的横隔板之间不必再增设加劲肋。六、面板参加主（次）梁工作的折算应力验算 主（次）梁截面选定后，还需要按式8-4（p276）验算面板局部弯曲与主次梁整体弯曲的折算应力。因水平次梁的截面很不对称，面板参加水平次梁翼缘整体弯曲的应力0x次与其参加主梁翼缘工作的整体弯曲应力0x主要小的多，故只需验算面板参加主梁工作是的折算应力。由前文的面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格iii所需要的板厚较大，这意味着该区格的场边中点应力也较大，所以选取区格iii按式8-4验算其长边中点的折算应力。面板区格iii在长边中点的局部弯曲应力为my=kpa2t2=0.50.031860282=179n/mm2mx=my=0.3179=53.7n/mm2对应于面板区格的长边中点的主梁弯矩和弯应力为m=529.24.65-88.24.4522=1587.5knm0x=mw=1587.510613502103=117.6n/mm2面板区格的长边中点的折算应力为zh=my2+mx-0x2-mymx-0x=1792+53.7-117.62-19753.7-117.6=220.71n/mm23所以=1.4)故面板厚度选用8mm，满足强度要求。七、横隔板（竖向次梁）设计横隔板按支承在主梁上的双悬臂梁计算，则每道横隔板在上悬臂的最大负弯矩为m=12qcc3=1226.53.12.72.73=99.81knm横隔板的腹板选用与主梁腹板相近，采用1220mm8mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm10mm的扁钢。利用面板的宽度计算横隔板平均间距b=3100mm，l0b=0.62.62.6=0.6mm，查表得2=0.24。b=2b=0.242600=624mm；b=bl+60t=8+608=488mm。选择较小的利用宽度b=488mm。截面形心到腹板中心线的距离e=4888614-200106154888+12208+20010=74.5mm截面惯性矩i=112812203+1220874.52+4888539.52+20010689.52=3.35109mm4wmin=iymax=3.35109694.5=4.824106mm3弯应力验算=mwmin=9.9811074.824106=20.69nmm2=160nmm2满足强度要求。由于横隔板截面高度较大，剪切强度更不必验算。横隔板翼缘焊缝采用hf=8mm。八、纵向联结系设计纵向联结系承受闸门自重，露顶式平面钢闸门的自重g按附录五估算，即g=kzkckgh1.43b0.889.8=0.811.00.1361.43120.889.8=119.15kn下游面纵向联结系按承受0.4g=0.4119.15=47.66kn计算。纵向联结系按支承在边梁上的简支平面桁架设计。节点荷载为p=47.664=11.91kn选用单角钢1006，查附表3-8得a=11.9cm2，iy0=2.0cm斜杆计算长度l0=0.93.122.620.482=3.67m长细比=l0iy0=3672.0=183.5=200斜杆承受的最大拉力n=3.6710.92.617.845=28.0kn拉杆强度验算=na=280001190=23.5530.85=136nmm2满足强度要求。（0.85为考虑单角钢受力偏心影响的容许应力折减系数）九、边梁设计 边梁的截面形式采用单腹式，边梁的截面尺寸按构造要求确定，截面高度与主梁端部高度相同，腹板厚度与主梁腹板厚度相同。为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不宜小于300mm，上下翼缘取30020mm。 在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑块。其布置尺寸如图所示 边梁所受的水平荷载主要是主梁传来的支座反力及水平次梁、顶梁传来的水平荷载、为了简化计算，可假设这些荷载完全是由主梁传给边梁。每根主梁作用于边梁的集中荷载r=529.2kn。 边梁所受的竖向荷载包括：闸门自重、滑道摩擦力、止水摩擦力、起吊力等。如图所示，可计算出上滑块所受的压力为r1=529.22.63.3=417kn下滑块所受压力r2=2529.2-r1=641.4kn边梁最大弯矩mmax=4170.7=219.9 knm最大剪力 vmax=417kn最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，为373.32 kn。在最大弯矩作用的截面上的轴向力，等于起吊力减去上滑块的摩擦力，该轴向力为q=641.4300=2.138 kn/mm 查附表6-1得 f2=0.11n=373.32-r1f2=373.32-4170.11=327.45kn边梁的强度验算：截面面积a=72010+230020=19200mm2截面上半部分对中和轴的面积矩s=30020370+10360180=2868000mm3截面惯性矩i=112107203+2300203702=19538.4105mm4截面抵抗矩w=iy=19538.4105380=5141684mm3截面边缘最大应力max=na+mmaxw=32745019200+219.91065141684=59.82nmm20.8=0.8150=120nmm2式中，0.8系考虑到边梁为闸门的重要受力构件，且受力复杂，故将容许应力降低20%作为考虑受妞等影响的安全储备。以下计算相同。max=vmaxsitw=417103286800019538.410510=61.2nmm20.8=0.895=76nmm2腹板与下翼缘连接处折算应力验算=na+mmaxwyy=32745019200+219.91065141684360380=57.6nmm2=vmaxs1itw=4171033002037019538.410510=47.4nmm2zh=2+32=57.62+347.42=100.3nmm20.8=0.8160=128nmm2以上验算均满足强度要求。十、行走支承设计行走支承采用胶木滑道，滑块位置如图所示，下滑块受力最大，其值为r2=2529.2-r1=641.4kn设滑块长度为300mm，则滑块单位长度的支承压力为q=641.4300=2.138 kn/mm由所计算的q，查表8-2得轨道顶圆狐半径r=200mm, 轨头设计宽度为b=40mm。胶木滑道与轨顶弧面的接触应力为max=104qr=1042138200=340nmm2j=500nmm2选定胶木滑道高30mm，宽140mm，长300mm。十一、胶木滑块轨道设计1. 轨道底板宽度bk轨道底板宽度按混泥土承压强度决定。根据c20号混泥土的容许承压应力值h=7nmm2，所需的轨道底板宽度为bk=qh=21387=305.7mm取bk=340mm，故轨道底面压应力为h=qbk=2138340=6.29nmm2h=7nmm22. 轨道底板厚度轨道底板厚度按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力=3hc22式中，c=150mm，=100nmm2，即=3hc2=36.291502100=65.2mm取=68mm。十二、闸门启闭力和吊耳计算1. 启闭力计算（1）启门力计算公式8-29t启=1.2tzd+tzs+1.1g+px其中闸门自重g=119.15kn。滑道摩阻力tzd=f2w=0.11176.412=232.8kn止水摩阻力tzs=f3pzs=2f3bhp式中，橡皮止水与钢板间的摩擦系数f3=0.7，b=0.06m，h=6.0m，p=12h9.8=29.4knm2。故tzs=20.70.06629.4=14.82kn根据水利水电工程钢闸门设计规范（sl 741995），当底主梁到底止水的距离符合底缘布置要求，即30时，以及下游流态良好、通气充分