露顶式平面钢闸门设计.doc

水利水电工程钢结构课程设计水工钢结构露顶式平面钢闸门设计一、 设计资料 闸门形式：露顶式平面钢闸门； 孔口尺寸（宽高）：22m15m； 上游水位：14.8m； 下游水位：0.2m； 闸底高程：0m； 启闭方式：电动固定式启闭机； 材料：钢结构：Q235-A.F；焊条：E43；行走支承：滚轮支承或者胶木滑道；止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮； 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； 规范：水利水电工程钢闸门设计规范SL 1974-2005二、 闸门结构的形式及布置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=14.8+0.2=15m； 闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=22m； 闸门计算跨度：L=L0+2d=22+20.2=22.40m。 图一 闸门主要尺寸 (单位：m)2.主梁的形式 主梁的形式应根据水头和跨度大小而定，本闸门属于大跨度，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 因为L=22.40m1.5H=1.515=22.5m，所以选取7根主梁。根据公式=计算每一根主梁距水面的距离，取值为y1=4m； y2=7m； y3=9m； y4=11m； y5=12m； y6=13m；y7=14m。 具体布置见下图： 图二 主梁的布置 单位（m)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 图三 梁格布置尺寸图 单位（dm） 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10道横隔板，其间距为2m，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。 边梁采用双腹式，行走支承采用滚轮支承。三、面板设计根据SL1974-2005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2所示，面板厚度按下式计算：t=a当b/a3时，=1.5，则t=a=0.068a当b/a3时，=1.4,则t=a=0.07a现列表计算如下：梁格a(m)b(m)b/akP(N/)t(mm)1140020001.4000.5160.0070.0605.712133020001.5030.4540.0200.0968.673127020001.5750.4680.0330.12410.734100020002.0000.4970.0440.14810.815100020002.0000.4970.0540.15910.066100020002.0000.4970.0640.17811.70770020002.8400.5000.0720.1827.84870020002.8400.5000.0780.1919.10960020003.3200.5000.0830.2009.531070020002.8400.5000.0910.2068.701170020002.8400.5000.0980.21410.201260020003.3200.5000.1030.22110.481350020003.9800.5000.1040.2258.101450020003.9800.5000.1100.2318.251550020003.9800.5000.1200.2358.281650020003.9800.5000.1240.2418.401750020003.9800.5000.1300.2458.571850020003.9800.5000.1350.2488.711950020003.9800.5000.1400.2528.832050020003.9800.5000.1450.2699.41根据上表计算，选用面板厚度t=12mm。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拉力P，已知面板厚度t=12mm,并且近似地取板中最大弯应力=160 ，则 P=0.07t=0.0712160=134.4(N/mm) 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力： T=VS/2IO=207（N/mm） 计算面板与主梁连接的焊缝厚度：=3.0(mm) 面板与梁格连接焊缝最小厚度hf=12mm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现列表计算如下： =1143.23kN/m梁号梁轴线处水压强度p()梁间距(m)(m)q=P(kN/m)1(顶梁)2.031.40211.761.36515.871.33327.91.30031.821.274(主梁)40.01.13542.821.00549.11.00047.051.00657.81.00056.841.007(主梁)66.20.85053.300.70875.300.70056.100.70982.100.65059.860.6010(主梁)87.100.65069.200.701196.720.70063.500.7012 103.340.65055.360.6013(主梁)109.230.55057.800.5014114.940.50060.260.5015(主梁)120.250.50062.250.5016125.240.50063.450.5017(主梁)130.110.50064.580.5018134.920.50068.200.5019(主梁)139.620.50069.300.5020144.100.50070.100.5021（底梁）147.080.50073.54顶梁荷载按下图计算： 图四 顶梁载荷图 根据上表计算，水平次梁计算荷载取73.54KN/m, 水平次梁为10跨连续梁，跨度为2m.如下图所示。根据结构力学求解器求得水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为：=22.75(KN.m)支座B处的负弯矩为：=26.20(KN.m) 图五 水平次梁计算简图和弯矩图2. 截面选择 W= =219625() 考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选，由附录三表4表查得： A=2883()；=178000()；=17804000()；=73(mm)；d=7(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=73+6012=733(mm) B=1b( 对跨间正弯矩段）； B=2b(对支座负弯矩段）；按9号梁计算，设梁间距b=(b1+b2)/2=(500+500)/2=500(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=0.82000=1600(mm)；对于支座负弯矩段取l0=0.4l=0.42000=800(mm)。根据l0/b查表7-1得： 对于l0/b=1600/500=3.2得1=0.852则B=1b=0.852500=426(mm) 对于l0/b=800/500=1.6得2=0.429则 B=2b=0.429500=214.5(mm) 图六 面板参加水平次梁工作后的组合截面(单位：mm)对于第一跨中弯矩选用B=550(mm)，则水平次梁组合截面面积： A=2883+55012=9483(mm2)组合截面形心到槽钢中心线的距离： e=(55012106)/9483=74(mm)跨中组合截面的惯性矩及截面模量为： I次中=17804000+2883742+55012323=40349708(mm4) Wmin=40349708/174=231894(mm2)对支座段选用B=220(mm).则组合截面面积： A=2883+22012=5523(mm2)组合截面形心到槽钢中心线的距离： e=(22012106)/5523=51(mm)。支座处组合截面的惯性矩及截面模量： I次B=17804000+2883502+22012562=33290540(mm4) Wmin=33290540/150=221937(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： =26.20*106/221937=118N/mm2 160N/mm2说明水平次梁选用槽钢满足要求。 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=26.20KN.m,则边跨挠度可近似地按下式计算： =- = - =0.00131 =0.004故水平次梁选用槽钢20a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，所以也采用槽钢20a。底梁也采用槽钢20a。五、主梁设计（一）设计资料 1.设计如下图，主梁跨度净宽L0=22.00m，计算跨度L=22.40m，荷载跨度L1=22m； 2.主梁荷载q=153.3KN/m； 3.横向隔间距：2m； 4.主梁容许挠度：【w】=L/600 。 1-1 图七 平面钢闸门的主梁位置和计算简图（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=9612(kN.m) (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=0.9160=144N/mm2,则需要的截面模量为 W=66750cm2.(3)腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为： Hmin=对于变截面梁的经济梁高： hec=2.8w2/5=2.8667502/5=238(cm)。现选用腹板高度h0=260cm.(4) 腹板厚度选择。按经验公式计算： tw=1.47cm 选用 tw=2.0cm.(5) 翼缘截面选择 每个翼缘需要截面为： A1=下翼缘选用 t1=4.0cm(符合钢板规格）需要b1=,选用b1=60cm（)。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 =4.0cm,b1=30cm。面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为 B=b1+60t=30+601.2=102(cm)上翼缘面积 A1=304.0+1021.2=242.4(6) 弯应力强度验算。 主梁跨中截面（见图八)的几何特性如下表：部位截面尺寸（cmcm）截面面积A（）各形心离面板表面距离(cm)A（）各形心离中和轴距离y=y,-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分1021.2122.40.673.44-1342197814上翼缘板304.0120.03.2384-131.42071915腹 板2602.0520.0135.2703040.6187.2下翼缘板604.0240.0267.264128132.64219862.4合计1002.4134889.448489778.6 图八 主梁跨中截面 （单位：mm）截面形心矩：y1=截面惯性矩： 截面模量：上翼缘顶边 =下翼缘底边： =弯应力：0.916=14.4(kN/cm2)（安全）（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=0.6260=156cm（图九）。 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（图十），离开支承段的距离为440-10=430cm 图九 主梁支承端截面 （单位：mm） 图十 主梁变截面图 （单位：mm）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。部位截面尺寸（cmcm)A(cm2)y,(cm)Ay,(cm3)Y=y,-y1(cm)Ay2(cm3)面板部分1021.2122.40.673.44-82823017.6上翼缘板304.01203.2384-79.4756523腹 板1562.031283.225958.40.6112.3下翼缘板604.0240163.23916880.61559126.4合计794.465583.83138779.3截面形心距：y1截面惯性矩：截面下半部中和轴的面积矩：S=24080.6+782剪应力：(安全)。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=1686kN.截面惯性矩I=3771515.3cm4。上翼缘对中和轴的面积矩 S1=122.482+12081.2=19780.8下翼缘对中和轴的面积矩 S2=24082.4=302419776 80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=200cm。腹板区格划分见图十主梁变截面图。该区格的腹板平均高度是因 ,故在梁高减小的区格内要设置横加劲肋.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6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6（图三），并验算其长边中点的折算应力。面板区格6在长边中点的局部弯曲应力： 对应于面板区格6在长边中点的主梁弯矩（图七）和弯应力： 面板区格6的长边中点的折算应力：8m时 下游纵向连接系承受 0.4G=0.43122=1249（KN）纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹杆布置如图十二所示其节点荷载为 图十二 纵向连接系计算图 (单位：mm) 2.斜杆截面计算 斜杆承受最大拉力N=635KN，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。选用双角钢20016，查表得：截面面积 A=62.0cm2=6200mm2 回转半径 iy=87.1mm斜杆计算长度 长细比 验算拉杆强度： 八、边梁设计 边梁的截面形式采用双腹式（如图十三），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，两个下翼缘为用宽度为200mm的扁钢做成。 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15%作为考虑受扭影响的安全储备。 图十三 边梁截面 （单位：mm）1. 荷载和内力计算 在闸门每侧边梁上各设六个滚轮。其布置尺寸可见图十四。 图十四 滚轮布置和弯矩剪力图 最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为9812kN（详细计算见后）。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滚轮的摩阻力，该轴向力2. 边梁的强度验算截面面积 A=55040+2156020+220040=100400(mm)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应力验算： 以上的验算满足强度要求。九、行走支承设计滚轮计算：轮子的主要尺寸是轮径D和轮缘宽度b，这些尺寸是根据轮缘与轨道之间的接触应力的强度条件来确定的，对于圆柱形滚轮与平面轨道的接触情况是线接触，其接触应力可按下式计算，其中第五个滚轮受力最大，其值为2912kN。设滚轮轮缘宽度b=110mm，轮径D=480mm。 为了减少滚轮转动时的摩擦阻力，在滚轮的轴孔内还要设滑动轴承，选用钢对10-1铸铁铝磷青铜。轴和轴套间压力传递也是接触应力的形式，可按下式验算：取轴的直径d=250mm，轴套的工作长度b=300mm，滑动轴套容许应N/mm 轮轴选用45号优质碳素钢，取轮轴直径d=200mm，其工作长度为b=300mm，对其进行弯曲应力和剪应力验算： （满足要求） （满足要求）轴在轴承板的连接处还应按下式验算轮轴与轴承板之间的紧密接触局部承压应力： 轴承板所受的压力： 取轴承板叠总厚度 故 以上验算满足条件。十、滚轮轨道设计（图十五） 图十五 滚轮轨道截面图 （单位：mm）1. 确定轨道钢板宽度 轨道钢板宽度按钢板承压强度决定。根据Q235钢的容许承压应力为，则所需要的轨道底板宽度为 取=250m