钢结构平面钢闸门设计

钢钢 结结 构构 课课 程程 设设 计计 题目 题目 露顶式平面钢闸门设计 专业 专业 水利水电工程 姓名 姓名 蔡号 班级 班级 学号 学号 指导老师 指导老师 姚朗 二二 一一年一一年 12 月月 25 日日 设计资料设计资料 闸门形式 露顶式平面钢闸门设计 孔口净宽 9 00m 设计水头 5 5m 结构材料 Q235 钢 焊条 E43 止水橡胶 侧止水用 P 型橡皮 行走支承 采用胶用滑道 压合胶木为 MCS 2 混凝土强度等级 C20 一 一 闸门结构的形式及布置闸门结构的形式及布置 d 0 20d 0 20 L1 9 00 L0 9 00 L 9 40 0 2c 2 44 H 5 5 5 7 H 3 1 83 b 1 23b 1 23 图 1 1 闸门主要尺寸图 单位 m 1 闸门尺寸的确定 闸门高度 考虑风浪所产生的水位超高为 0 2m 故闸门高度 5 5 0 2 5 7m 闸门的荷载跨度为两侧止水的间距 L1 9 0m 闸门计算跨度 L L0 2d 9 2 0 2 9 40m 2 主梁的形式 主梁的形式应根据水头和跨度大小而定 本闸门应用实腹式组合梁 3 主梁的布置 根据闸门的高跨比 决定采用双主梁 为使两个主梁设计水位时所受的水压力 相等 两个主梁的位置应对称与水压力合力的作用线 图 1 1 并31 83yH 要求下悬臂 a 0 12H 和 a 0 4m 上悬臂 c 0 45H 现取 a 0 6 0 12H 0 66 m 主梁间距 2b 2 a 2 1 23 2 46 m y 则 c H 2b a 5 5 2 46 0 6 2 44 m 0 44H 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 支承 水平次梁为连续梁 其间距应上疏下密 使面板各区格所需要的厚度大 致相等 梁格的布置具体尺寸见下图 横向隔板 水平次梁 水平次梁 主梁 主梁 底梁 胶木滑块 边梁 顶梁 1 1 横隔板 水平次梁 主梁 图 1 2 梁格布置尺寸图 5 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 2 35m 横 隔板兼做竖直次梁 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 面板设计三 面板设计 根据 SL1974 1995 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 1 2 所示 面板厚度按下式计算 t a 9 0 kp 当 b a 3 时 a 1 5 则 t a 0 068a 0 9 1 5 160 kp kp 当 b a 3 时 a 1 4 则 t a 0 07a 0 9 1 4 160 kp kp 面面 板板 厚厚 度度 的的 估估 算算 区格 a mm b mm b akp N mm2 kp t mm 149023401 570 5840 0060 0595 98 92523402 520 5000 0190 0976 10 82023402 850 5000 0280 1186 77 72523403 230 5000 0370 1366 90 66523403 520 5000 0440 1486 89 44023405 320 7500 0500 1945 98 注 1 面板边长 a b 都从面板与梁格的年连接焊缝算起 主梁上翼缘宽度为 120mm 详见后面 2 区格 中系数 k 由三边固定一边简支板查得 根据上表计算 选用面板厚度 t 7mm 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 已知面板厚度 t 7mm 并 且近似地取板中最大弯应力 max 160N mm2 则 P 0 07t max 0 07 7 160 78 4 N mm 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力 T N mm 0 2I VS 152 9711700002 5 2597540300000 计算面板与主梁连接的焊缝厚度 1 2 1157 0 1524 78 7 0 2222 mmTPh w ff 面板与梁格连接焊缝最小厚度 6mm f h 四 水平次梁 顶梁和底梁的设计四 水平次梁 顶梁和底梁的设计 1 荷载与内力的计算 水平次梁和顶底梁都是支承在隔板上的连续梁 作用在它们上面的水压力按 q P计算 2 下上 aa 现列表计算如下 152 08kN m q 水平次梁 顶梁和底梁均布荷载计算水平次梁 顶梁和底梁均布荷载计算 梁 号 梁轴线处水压 强度 p kN m 梁间距 m 2 下上 aa m q P 2 下下上上 aa m 备 注 1 顶梁 1 56 213 81 29517 87 1 03 3 上主梁 23 90 96523 06 0 90 432 70 84527 63 0 79 540 50 78031 59 0 77 6 下主梁 480 63530 48 0 50 7 底梁 52 90 35018 52 顶梁荷载按下图计算 R1 93 2 56 1 3 41 1 2 38 1 41 1 1 56m 1 41m0 15m 13 8kN m2 R1R2 根据上表计算 水平次梁计算荷载取 31 59KN m 水平次梁为 4 跨连续梁 跨 度为 2 53m 如图 1 3 所示 483 29 51 131 16a 7 M次中 M次支 A BCDE CDEB A q 31 59kN m 图 1 3 水平次梁计算简图和弯矩图 水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为 0 077ql 2 0 077 31 59 2 352 13 43 kN m 次次中中 M 支座 B 处的负弯矩为 0 107ql 2 0 107 31 59 2 352 18 67 kN m B M次 次 2 截面选择 W 5 M 6 18 67 10 160 3 mm 考虑利用面板作为次梁截面的一部分 初选 16a 由附录三表 4 表查得 A 2195 WX 63 mm 2 mm 3 mm X I 4 mm 1 b d 6 5 mm 面板参加次梁工作有效宽度按下式计算 然后取其中最 小值 B 60t 63 60 7 483 mm 1 b B 1b 对跨间正弯矩段 B 2b 对支座负弯矩段 按 5 号梁计算 设梁间距 b b1 b2 2 770 790 2 780 mm 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段取 l0 0 8l 0 8 2350 1880 mm 对于支座负弯矩 段取 l0 0 4l 0 4 2350 940 mm 根据 l0 b 查表 7 1 得 对于 l0 b 1880 780 2 410 得 1 0 78 则 B 1b 0 78 780 510 mm 对于 l0 b 940 780 1 205 得 2 0 351 则 图 1 4 面板参加水平 次梁工作后的组合截 面 B 2b 0 351 780 274 mm 对于第一跨中弯矩选用 B 483 mm 则水平次梁组合截面面积 图 1 4 为 A 2195 483 7 5576 mm2 组合截面形心到槽钢中心线的距离 e 483 78 4 5576 51 mm 跨中组合截面的惯性矩及截面模量为 I次中 2195 592 483 7 333 mm4 Wmin 131 mm2 对支座段选用 B 274 mm 则组合截面面积 A 2195 274 7 4111 mm2 组合截面形心到槽钢中心线的距离 e 274 7 84 4111 39 mm 支座处组合截面的惯性矩及截面模量 I次 B 2195 392 274 7 452 mm4 Wmin 119 mm2 3 水平次梁的强度验算 由于支座处 B 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 18 67 106 139 9 N mm2 160 N mm2 次次 minW M B次次 说明水平次梁选用 16a 槽钢满足要求 扎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 截面的弯矩已经求得 M次 B 18 67kN m 则边跨挠度可近似地按下式计算 l 384 5 次 EI qL3 次次 次次 EI LM B 16 180511041006 2384 1035 259 315 5 3 3 180511041006 2 16 1035 2 1067 18 5 36 0 0 004 L w 250 1 故水平次梁选用 16a 槽钢满足强度和刚度要求 5 顶梁和底梁 顶梁所受荷载较小 但考虑水面漂浮物的撞击等影响 必须加强顶梁刚度 所以也采用 16a 槽钢 底梁也采用 16a 五 主梁设计五 主梁设计 一 设计资料 1 设计如图 1 5 主梁跨度净宽 L0 9 0m 计算跨度 L 9 40m 荷载跨度 L1 9m L 9 40 q P 2 66 7kN 1 1 c 2 44 H 5 5 5 7 H 3 1 83 1 231 23 主梁 横 隔 板 水平 次梁 主梁 1 1 0 7 0 2 d 0 20d 0 20 L1 9 00 L0 9 00 L 9 40 胶木滑道 面板侧止水 横向隔板 边梁 主梁 图 1 5 平面钢闸门的主梁位置和计算件简图 2 主梁荷载 q 66 7kN m 3 横向隔间距 2 35m 4 主梁容许挠度 L 600 2 主梁设计 主梁设计内容包括 1 截面选择 2 梁高改变 3 翼缘焊缝 4 腹板局部稳 定验算 5 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 Mmax 735 kN m 4 9 2 4 9 2 9 7 66 2 需要的截面抵抗矩已知 Q235 钢的容许应力 160KN mm2 考虑钢闸门自 重引起的附加应力作用 取容许应力 0 9 160 144N mm2 则需要的截面抵 抗矩为 W 5104cm2 max M735 100 1440 1 3 腹板高度选择按刚度要求的最小梁高 变截面梁 hmin 0 96 0 23 0 96 0 23 87 1 cm LE L 600 1 1006 2 104 910144 7 22 对于变截面梁的经济梁高 he 3 1w2 5 3 1 51042 5 94 cm 现选用腹板高度 h0 90cm 4 腹板厚度选择按经验公式计算 tw 0 86cm 选用 11 h11 90 tw 1 0cm 5 翼缘截面选择 每个翼缘需要截面为 A1 42 6 900 1 90 5104 6 2 0 0 cm ht h W w 下翼缘选用 t1 2 0cm 符合钢板规格 需要 b1 选用 b1 22cm cm cm cm t A 21 0 6 42 2 1 1 之间在cm hh 16 36 55 2 上翼缘的部分截面可利用面板 故只需设置较小的上翼缘板同面板相连 选用 t1 2 0cm b1 12cm 面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为 B b1 60t 12 60 0 7 54cm 上翼缘面积 A1 12 2 54 0 7 61 8cm2 6 弯应力强度验算 主梁跨中截面 见图 1 6 的几何特性如下表 主梁跨中截面的几何特征主梁跨中截面的几何特征 部位 截面尺寸 cm cm A cm2 y cm Ay cm3 Y y y1 cm Ay2 cm4 面板部分54 0 737 80 3513 2 42 969567 上翼缘板12 2 0241 740 8 41 641533 腹 板90 1 09047 742934 41742 下翼缘板22 2 04493 7412350 4 合计195 88470 截面形心矩 y1 3 43 8 195 8470 cm A Ay 截面惯性矩 285359224609 12 900 1 12 4 3 2 3 0 cmAy ht I w 截面模量 上翼缘顶边 Wmon 6590 3 43 285359 3 1 cm y I 下翼缘底边 Wmax 5552 4 51 285359 3 2 cm y I 弯应力 0 9 16 14 4 kN cm2 安全 2 13 5552 100735 2 min max cmkN W 7 整体稳定性与挠度验算 因主梁上翼缘直接同钢板相连 按 设计规范 规定 可不必验算整体稳定性 又因梁高大于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 主梁支承段腹板高度宽度减小 h0s 0 6h0 0 6 90 54cm 图 1 7 梁高开始改变的位置取在临近支承段的横向隔板下翼缘的外侧 图 1 8 离开 支承段的距离为 253 10 243cm B 540 10 120 20 220 20 540 587 y1 263 540 23502350 900 面板 边梁 横隔板 图 1 7 主梁支承端截面图 图 1 8 主梁变截面位置图 图 1 6 主梁跨中截面 图 B 540 7 20900207 947 43 351 4 120 20 900 10 220 20 xx 剪切强度验算 考虑到主梁段部的腹板及翼缘部分分别同支承边梁的腹板 及翼缘相焊接 故可按工字钢截面来验算剪应力强度 主梁支承端截面的几何 特性如下表 截面形心距 y1 cm26 8 159 4197 截面惯性矩 9711783995 12 542 4 0 cmI 截面下半部中和轴的面积矩 1844 2 4 30 0 1 4 30 4 3144 2 cmS 剪应力 安全 2 0 max 70 5 0 197117 1844300 cmkN tI SV w 2 5 9cmKN 主梁跨中截面的几何特征主梁跨中截面的几何特征 部位 截面尺寸 cm cm A cm2 y cm Ay cm3 Y y y1 cm Ay2 cm3 面板部分 54 0 737 80 3513 2 25 6524869 上翼缘板12 2 241 740 8 24 314172 腹 板54 1 0 5429 716043 7739 下翼缘板22 2 0 4457 7253931 744215 合计 159 8419783995 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 300kN 截面惯 性矩 I 97117cm4 上翼缘对中和轴的面积矩 S1 37 8 25 9 24 24 6 1569cm3 下翼缘对中和轴的面积矩 S2 44 314 1382 S1 3 cm 需要 306 0 11 3971171 4 1569300 4 1 0 1 cm I VS h w f f 角焊缝最小厚度 hf1 5 7 6205 1cmt 所以全梁的上下翼缘焊缝都采用 hf 8mm 4 腹板的加劲肋和局部稳定验算 8090 0 1 90 0 w t h 加劲肋的布置 因为 故需设置横向加劲肋 以保证腹板的局 部稳定性 因闸门上已布置横向隔板兼作加劲肋 其间距 a 253cm 腹板区格 划如图梁高与弯矩都较大的区格 可按下式计算 1 22 crcccrcr 区格 左边及右边截面的剪力分别为 0k15735 2 5 47 66 300 右左 VNV 区格 截面的平均剪力为 7 8 87 0 0 190 2 1572 22 0 mmNcmkN th VV w 右左 区格 左边及右边截面上的弯矩分别为 左 mkNM 661 2 35 2 5 4 7 66 35 2 300 2 右 mkNMM 735 max 区格 的平均弯矩为 698 2 735661 2 mkN VV M 右左 区格 的平均弯应力为 3 99 10285359 10406698 2 4 6 0 mmN I yM 计算 cr 85 0 51 0 235 235 177 0 1 90 235177 0 y w b f th 计算 由于区格 长短边之比为 2 35 1 0 则 cr 9 0 235 235 253 90 434 5 41 0 1 90 235 434 5 41 22 0 0 y w s f ah th 则 4 8990 8 09 0 59 0 1 8 0 59 01 2 mmN scr 0 c 24 0 4 89 7 8 160 3 99 1 23 22 有将以上数据代入公式 crcccrcr 这里无局部压应力 0 125 001 0 满足局部稳定要求 故在横隔板之间 区格 不必增加横向加劲肋 该区格的腹板平均高度 因 不必验算 故 722 5490 0 cmh 72 0 w th 在梁高减小的区格 内也不必另设横向加劲肋 5 面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算 从上述的面板设计可见 直接与主梁相邻的面板区格 只有 区格所需板厚 度较大 这意味着该区格的长边中点应力也较大 所以选取区格 图 1 2 并验算其长边中点的折算应力 面板区格 3 在长边中点的局部弯曲应力 198 7 725037 0 5 0 2 2 2 2 2 mmN l kpa my 601983 0 2 mN mymy 对应于面板区格 3 在长边中点的主梁弯矩 图 5 和弯应力 687 2 3 3 7 66 5 35 4 7 66 2 mkNM 104 1059 6 10687 2 6 6 mmN W M ox 面板区格 3 的长边中点的折算应力 10460 198 10460 198 2222 oxmxmyoxmxmyzh 104 N mm2 8m 时 7 818 995 513 0 0 181 0 8 9 88 0 43 186 0 43 1 kNBHKKKG gcz 下游纵向连接系承受 0 4G 0 4 81 7 32 7kN 纵向连接系是做简支的平面桁架 其桁架腹杆布置如图 1 10 其节点荷载为 kN17 8 4 7 32 2 斜杆截面计算 斜杆承受最大拉力 N 17 43N 同时考虑闸门偶然扭曲是可能承受压力 故长细 比的限制值应与压杆相同 即 200 16 35kN 8 175kN4 088kN4 088kN8 175kN8 175kN 16 35kN 2350 4 2530 9400 选用双角钢 200 18 表查得 截面面积 A 13860 2回转半径 iy0 87 4mm 斜杆计算长度 ml91 104 095 11 2 9 0 222 0 长细比 200 5 14 4 87 1091 0 0 y i l 验算拉杆强度 22 3 13385 0 2 118 13860 1015 1635 mmNmmN 考虑单角钢受力偏心的影响 将容许应力降低 15 进行强度验算 八 边梁设计八 边梁设计 边梁的截面形式采用双腹式 如图 1 11 边梁的截面尺按照构造要求确 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 于安装滚轮 两个下翼缘宽度不应小于 300mm 图 1 10 纵向连接系计算图 边梁是闸门的重要受力构件 由于受力情况复杂 故在设计师将容许应力 值降低 20 作为考虑受扭影响的安全储备 1 荷载和内力计算 在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑块 其布置尺寸可见下图 1 水平荷载 边梁所受的水平荷载主要是主梁传来的水平荷载及水平次梁 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 300kN 2 竖向荷载 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 241 06 3 46 2 300 1 kNR 上主梁作用力 下主梁作用力 R1 R2 300kN 300kN 144 6kN m241kN M 1454014 10 300 0 62 46 图 1 11 边梁截面图 图 1 12 边梁计算图 下滑块所受压力 359241600 2 kNR 边梁最大弯矩 6 1446 0241 max mkNM 最大剪力 241 1max kNRV 最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力 估计为 180kN 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 08 15112 0 241180180 1 kNfRN 2 边梁的强度验算 截面面积 A 500 10 2 300 14 13800 mm 2 面积矩 15684001353001027730014 3 max mmS 截面惯性矩 775743600277143002 12 54010 4 3 mmI 截面模量 2731492 284 775743600 3 mmW 截面边缘最大应力验算 N mm 1208 0 N mm 64 2731492 10 6 144 13800 1008 151 22 63 max max W M A N 腹板最大剪应力验算 N mm 76958 08 0 N mm 49 10775743600 156840010241 22 3 maxmax w It SV 腹板与下翼缘连接处应力验算 N mm 4 61 284 270 5311 2 max y y W M A N N mm 1 36 10775743600 2771430010241 2 3 max w i It SV N 1281608 08 0 N mm 88 1 3634 613 222222 2 mm h 以上的验算满足强度要求 9 9 行走支承设计行走支承设计 胶木滑块计算 滑块位置如图 1 12 所示 下滑块受力最大 其值 R2 359kN 设滑块长度为 300mm 则滑块单位长度的承压力为 1197 300 10359 2 mmNq 根据上述 Q 值由表 6 2 查得轨顶弧面半径 R 150mm 轨头设计宽度 b 35mm 胶 木滑道与轨顶弧面的接触应力按式 6 14 进行验算 500 294 150 1197 104104 22 max mmNmmN R q j 选定胶木高 mm30 宽 120mm 长 300mm 十 胶木滑块轨道设计 图十 胶木滑块轨道设计 图 1 131 13 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 所需的轨道底 板宽度为 mm180 171 7 1197 h h h Bmm q B取 取 故轨道底面压应力为 65 6 180 1197 2 mmN h 2 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 2 2 3 t c h 式中轨道底板的悬臂长度 c 72 5mm 对于 Q235 钢 查得 故 2 100mmN 所需轨道底板厚度为 mm40t 4 32 100 5 7265 633 22 取mm c t h 十一 闸门启闭力和吊耳计算十一 闸门启闭力和吊耳计算 1 启门力按式计算 xZd P1 2 TG1 1 启Zs TT 其中闸门自重 G 81 7 kN