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水工钢结构课程设计题目：露顶式平面钢闸门设计专业：水利水电工程姓名： 班级：学号：指导老师： 二年 月日2.2 设计资料闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门；孔口净宽：0.00m；设计水头：4.40m；结构材料：Q244钢；焊条：E44；止水橡皮：侧止水用p形橡皮；行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2；混凝土强度等级：C20。2.2 闸门结构的形式及布置（2）闸门尺寸的确定（图2）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=4.4+0.2=4.7m；2）闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：；4）闸门计算跨度：；（2）主梁的形式。主梁的形式应根据水头的大小和跨度大小而定，本闸门属于中等跨度，为了方便制造和维护，决定采用实腹式组合梁。（4）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（图2）并要求下悬臂a0.22H和a0.4m、上悬臂c0.44H且不大于4.6m，今取 主梁间距 则 (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，梁格布置具体尺寸如图2所示。 图2. 梁格布置尺寸图（4）连接系的布置和形式。2）横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置4道横隔板，其间距为2.44m，横隔板兼做竖直梁。2）纵向连接系，设在两个主梁下翼缘的竖直平面内，采用斜杠式桁架。（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。2.4 面板设计根据钢闸门设计规范（SL 74-04）及2006修订送审稿，关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁截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。 （2）估算面板厚度。假定梁格布置尺寸如图2所示，面板厚度按下式计算 当4时，=2.4，则当4时，=2.4，则现列表2进行计算。表2 面板厚度的估算区格 a(mm)b(mm)b/a kp(N/t(mm) 244024402.420.4720.00660.0626.44 02024402.440.4000.02040.0086.24 77024404.040.4000.02870.2206.46 60024404.400.4000.04670.2446.44 62024404.840.4000.04400.2486.44 48024404.880.7400.04020.2046.42 注 2 面板边长a、b都从面板与梁格的连接焊缝算起。 2 区格、中系数k由三边固定一边简支板查得。根据表2计算，选用面板厚度t=8mm。 （2）面板与梁格的连接计算。面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力P按下式计算，已知t=8mm，并且近似地取板中最大弯曲应力，则 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为 面板与主梁连接的焊缝厚度为 面板与梁格连接焊缝取其最小厚度。2.4 水平次梁、顶梁和底梁的设计 （2）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平压力 ，且列表2计算后得 240.22KN/m+4.22KN/m=242.42KN/m表2 水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算梁号梁轴线处水压力强度P（kN/mm2）梁间距（m）（m）q=p(kN/m)2(顶梁)2.60224.22.42428.822.044（上主梁）24.40.04424.400.864 42.00.82026.640.76440.40.74440.200.746（下主梁）47.40.64040.400.447（底梁）42.00.47420.84根据上表计算，水平次梁计算荷载取40.20KN/m，水平次梁为4跨连续梁，跨度为2.44m（图4），水平次梁弯曲时的边跨弯距为: M次中0.077ql2=0.07740.22.442=22.8kNm支座B处的弯距：M次B0.207ql2=0.20740.22.442=27.8kNm(2)截面选择W=mm4 考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选24b,由附录6.4表查得：A=2242mm2 ; Wx=87200mm4 ; Ix=6000000mm4 ; b=60mm ; d=8mm 。面板参加次梁工作的有效宽度分别按式下式计算，然后取其中较小值。 B B=2b (对跨中正弯距段) B=2b （对支座负弯距段） 。 梁间距b= 。 对于第一跨中正弯距段l0=0.8l=0.82440=2880mm ;对于支座负弯距段l0=0.4l0.42440040mm 。根据l0/b查表62： 对于l0/b2880/7442.424 得20.78 ，得B=2b482mm , 对于l0/b040/7442.262 得20.464 ，得B=2b272mm ,对第一跨中选用B440mm,则水平次梁组合截面面积（图4）:A=2242+4408=6442mm2 ;组合截面形心到槽钢中心线得距离：e=40mm ;跨中组合截面的惯性距及截面模量为：I次中6000000+2242402+440824224004820mm4Wmin=对支座段选用B272mm，则组合截面面积：A=2242+2728=4200mm2 ;组合截面形心到槽钢中心线得距离：e=47mm支座初组合截面的惯性距及截面模量为：I次B6000000+2242472+272847222074442mm4Wmin= （4）水平次梁的强度验算 由于支座B处（图4）处弯距最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即次说明水平次梁选用24b满足要求。 轧成梁的剪应力一般很小，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支座处截面的弯距已经求得M次B=27.8kNm,则边跨挠度可近似地按下式计算： 0.00086 故水平次梁选用24b满足强度和刚度要求。 （4）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，必须加强顶梁的刚度，所以也采用24b。2.4 主梁设计(2)设计资料 2)主梁跨度：净跨（孔口净宽）0m ；计算跨度L0.4m ；荷载跨度0m 。 2)主梁荷载： 4)横向隔板间距： 2.44m 。4)主梁容许挠度： U=L/600 。 (2)主梁设计。2）截面选择弯距和剪力 弯距与剪力计算如下：弯距： 剪力： 需要的截面模量 已知Q244钢的容许应力=260N/mm2 ,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力= 则需要的截面模量为；W= 腹板高度选择 按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为：经济梁高： 由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比hec为小，但不小于hmin。现选用腹板厚度h000cm 。腹板厚度选择选用tw2.0cm 。翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为下翼缘选用t22.0cm（符合钢板规格），需要取b224cm,上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的翼缘板同面板相连，选用t22.0cm，b220cm，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为Bb2+6020+600.848cm 。上翼缘截面面积A2=202.0+480.8=66.4cm2 。 弯应力强度验算截面形心距：截面惯性距：截面模量：上翼缘顶边 下翼缘底边 弯应力：安全表4 主梁跨中截面的几何性质部位截面尺寸（cmcm）截面面积A(cm2)各型心离面板表面距离y（cm）Ay（cm4）各型心离中和轴距离y=y-y2(cm)Ay2(cm4)面板部分480.846.40.428.46-44.4874707.28上翼缘202.0202.846-4244280腹板002.000.047.8440242440下翼缘242.04004.8460040224000合计206.40046.46240227整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体稳定性，因梁高大于按刚度度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。2）截面改变。因主梁跨度较大，为减小门槽宽度与支承边梁高度（节约钢材），有必要将主梁承端腹板高度减小为。（图6）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（图7），离开支承端的距离为244-20=224cm。剪切强度验算：考虑到主梁端部腹板及翼缘相焊接，故可按工字截面梁验算应力剪力强度。尺寸表4所示： 表4 主梁端部截面的几何性质部位截面尺寸（cmcm）截面面积A(cm2)各型心离面板表面距离y（cm）Ay（cm4）各型心离中和轴距离y=y-y2(cm)Ay2(cm4)面板部分480.846.40.428.46-26.442004.426上翼缘202.020.02.846-24.022400.2腹板442.044.020.82600.24.2428.04下翼缘242.040.047.8280042.248460.4合计270.44444.7604474 因误差未超过20，安全4）翼缘焊缝翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。Vmax444.44kN。I0=206406cm4，上翼缘对中和轴的面积距：S2=46.426.4+2024.0=2728.42cm4，下翼缘对中和轴的面积距：S2=4042.22444cm42,则 因为0.80.02.2所以 故满足稳定性要求，故在横隔板之间（区格）不必增设横向加劲肋。再从剪力最大的区格来考虑：该区格的腹板平均高度故不必验算。所以在梁高减小的区格内也不必另设横向加劲肋。4）面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。从上述的面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格所需要的板厚较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取区格（图2）取验算其长边点的折算应力 对应于面板区格在长边中点的主梁弯距和弯应力该区格长边中点的折算应力 上式中拉应力为正号压应力为负号。故面板厚度选用8mm满足强度要求 。2.6 横隔板设计（2）荷载和内力计算。横隔板同时兼做竖直次梁，它主要承受水平次梁、顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，计算式可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替（图2），并且把横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为 （2）横隔板和截面选择和强度验算。其腹板选用与主梁腹板同高，采用0008mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm8mm的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式Bb确定。查表得20.44 ，B=0.442440=2246mm，取B2200mm 。计算如图8所示截面几何特性。截面形心到腹板中心线的距离： 207mm截面惯性距： 截面模量为 ，验算应力： 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最小焊缝厚度hf6mm 。2.7 纵向连接系设计（2）荷载和内力计算。纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶自重下游纵向连接系承受 0.4G=44.84KN纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如图0所示，其节点荷载为44.84/4=8.06KN桁架内力计算结果如图0所示。（2）斜杠截面计算。斜杠承受最大拉力N=（27.02-4.48）=20KN,同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即选用单角钢2008，由附表6.4查得截面面积 A=2460,回转半径 斜杠计算长度 长细比 验算拉杆强度为 2.8 边梁设计边梁的截面形式采用单腹式，如图20，边梁的截面尺寸按构造要求确定，即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400mm 。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时将容许应力值降低20作为考虑受扭影响的安全储备。 （2）荷载和内力计算在闸门每侧边梁上各设2个胶木滑块，其布置如图22： 2）水平荷载。主要是主梁传来的水平荷载，还有水平次梁和顶，底梁传来的水平荷载，为了简化起见，可假定这些荷载由主梁传给边梁，每个边梁作用于边梁荷载为R444.44kN2） 竖向荷载。有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，启吊力等。上滑块所受压力：，下滑块所受压力：，最大弯矩 最大剪力,最大轴向力作用于一个边梁上的启吊力，估计为200kN（详细计算简后面）。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于启吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力为 ,（2）边梁强度验算截面面积 面积矩 截面惯性矩截面模量 。截面边缘最大应力验算：腹板最大剪应力验算：腹板与下翼缘连接处则算应力验算：， 。以上验算均满足强度要求2.0 行走支承设计胶木滑块计算：滑块位置如图22下滑块受力最大，起值为404.7kN。设滑块长度为424mm，则滑块单位长度承受压力为 由表查得轨顶弧面半径R=240mm，轨头设计宽度为b44mm，胶木滑块与规定弧面的接触应力验算：。选定胶木高40mm,宽220mm,长424mm。2.20 胶木滑块轨道设计（图22）（2）确定轨道底板宽度。轨道底板宽度按砼承压强度确定，查表得：砼C20允许承压应力为7N/mm2 ，则所需轨道底板宽度为： 取Bh200mm， 故轨道底面压应力： （2）确定轨道底版厚度轨道底板厚度按其弯曲强度确定，轨道底版的最大弯应力：轨道底板悬臂长度C82.4mm，对于A4查表得200N/mm2 ，故：，故t