水工钢结构课程设计讲解

1、课程设计说明书课 程 名 称 : 水利水电工程钢结构课程计 课 程 代 码 : 8203281题 目 : 潜孔式平面钢闸门设计学 生 姓 名 :学号 : 312009080801209年级/专业/班: 2009 级水利水电 2 班 学院（直属系） : 能源与环境学院 指 导 教 师 :徐良芳 开题时间： 2011 年 12 月 12 日 完成时间： 12 月 18 日目录1 设计资料2 闸门结构的形式及布置3 面板设计4 水平次梁、顶梁和底梁的设计5 主梁设计6 横隔板设计7 纵向连接系8 边梁设计9 行走支撑设计10 滚轮滑道设计11 闸门启闭力和吊耳计算设计资料闸门形式：潜孔式平面刚闸门

2、孔口尺寸（宽高） ： 10.0m 10.0m 上游水位： 55.0m下游水位： 0.1m闸底高程： 0m 启闭方式：电动固定式启闭机 材料钢结构： Q235A.F焊条： E43 型行走支承：胶木滑道或滚轮支承 止水橡皮：側止水和顶止水用 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 19742005二、闸门结构的形式及其布置（一）、闸门尺寸的确定如图 1图 1 闸门主要尺寸图（单位： m ）1. 闸门孔口尺寸： 孔口净宽： 10.0m 孔口高度： 10.0m 闸门高度： 10.0m 闸门的宽度： 10.4

3、m 荷载跨度： 10.0m 计算跨度： 10.4m2、计算水头： 54.9m二）主梁的布置1. 主梁的数目及形式 主梁是闸门的主要受力构件，其数目主要取决于闸门的尺寸。因为闸门跨度 L=10.4m, 闸门高度 h=10.0m,L3 时， a=1.55, 则 t=a kp =0.067 a kp0.9 1.55 160 k四边固定矩形弹性薄板在支承长边中点的弯应力系数， 第 1 和10区格按附录九表 3 查得， 其余区格按附录九表 2 查得。p面板计算区格中心的水压强度( p=hg=0.0098h N/mm2) 水的密度，一般淡水取 10KN/ ?h区格中心的水头，单位 m a、b面板的短边和长

4、边的长度 现列表 1 计算如下：表 1 面板厚度估算区格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm2)kpt(mm)193014761.590.5890.4460.51232.41289514761.650.6050.4560.52531.95389514761.650.6050.4660.53132.30489514761.650.6050.4750.53632.63589514761.650.6050.4850.54232.98689514761.650.6050.4950.54733.30789514761.650.6050.5050.55333.64889514761.650.6050.

5、5140.55833.95989514761.650.6050.5240.56334.281093014761.590.5890.5340.56835.94根据上表计算，选用面板厚度 t=36mm.2. 面板与梁格的连接计算 面板局部挠区时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力P按式 P=0.07t max计算，已知面板厚度 t=36mm,并且近似地取板中最大弯应力 max=160N/mm2, 则 p=0.0736160=403.2N/mm 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力： 由后面主梁的设计计算得 V=6119KN； I0=27059202cm4；S2663.664.161382.2 3 T

6、VS =611961382.2 106 694N / mm2I 0 2 2705920200 00面板与主梁连接的焊缝厚度：hfP2 T2 /0.7 tw 802.60.7 113 10.1mm，面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度 hf 11mm。四、水平次梁，顶梁和底梁地设计1. 荷载与内力地验算 水平次梁和顶，底梁都时支承在横隔板上地连续梁，作用在它们上面的水压力可 按下式计算，即q=pa 上 a下2现列表 2 计算如下：表2梁号梁轴线处水压 力强度 P（kN/mm2）梁间距（ m）a上 a下 上（ m）2a上 a 下 q=p 上 下 (kN/m) 21（顶梁）441.450.5220.7

7、312（水平次梁）451.261451.2613（主梁）461.071461.0714（水平次梁）470.881470.8815（主梁）480.691480.6916（水平次梁）490.501490.5017（主梁）500311500.3118（水平次梁）510.121510.1219（主梁）519.931519.93110（水平次梁）529.741529.74111（底梁）539.5505269.78q4905.01kN/m 根据上表计算，水平次梁计算荷载取 529.74 kN/m，水平次梁为 7 跨连续梁，跨度为 1.486m （如图 3）。水平次梁弯曲时的边跨中弯距为 :M 次中0.07

8、7ql 2=0.077 529.74 1.486 2=90.07kN?m支座 B 处的负弯距：2M次B0.107ql 2=0.107 529.74 1.486 2=125.17 kN?m图 3 水平次梁计算简图和弯矩图2. 截面选择6M 125.17 1063W=782187.5mm3 160考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选 40a, 由附录三表四查得：2 3 4式：711式：712B=BB=A=7505mm2 ; W x=868900mm3 ; I x=175779000mm4 ; b1=100 mm ； d=tw=10.5mm 面板参加次梁工作的有效宽度分别按式 711 及式 7 1

9、2计算，然后取其中较小值。 b1+60t=100+60 36=2260mm ;1b （ 对跨间正弯距段 ）2b （对支座负弯距段）梁间距 b=b1b21000 1000 1000mm 。于第一跨中正弯距段 l 0=0.8 l= 0.8 1486=1188.8mm ;对于支座负弯距段 l 0=0.4 l 0.41486=594.4mm。根据 l 0/b 查表 71：对于 l 0/b 1188.8/1000 1.189 得10.472，得 B=1b0.472 1000 472 对于 l 0/b 594.4/1000 0.594 得20.188，得 B=2b0.1881000188 对第一跨中选用

10、B472mm水, 平次梁组合截面面积（图 41） :A=750547236244972槽钢的高为 400 组合截面形心到槽钢中心线得距离：472 36 (400 36)/2 e=24497=151mm ;图 4 1、 4 2 面板参加水平次梁后的工作截面跨中组合截面的惯性距及截面模量为：I 次中1757790007505151247236 49182423177593?423177593Wmin=12056343351对支座段选用 B 188mm，则组合截面面积（图 42）：A=75051883614273mm2 组合截面形心到槽钢中心线得距离：18836218e= =103mm14273支座

11、处组合截面的惯性距及截面模量为：I 次 B1757790007505103218836 97182344906345? 344906345 3Wmin= 1138305mm33033. 水平次梁的强度验算由于支座 B处（图3）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6125.17 10距已经求得 M次 B=125.17kN?m,则边跨挠度可近似地按下式计算： w5ql3M次Bl 55 l384EI次16EI 次384 2.06 104 5423177593 16 2.06 105 4231775932 2次125.17 10109.9N /mm2 160N /mm

12、2,1138305B 支座处截面的弯5 529.74 1486 3125.17 106 1486说明水平次梁选用 18b 满足要求。 轧成梁的剪应力一般很小，可不必验算。0.000126 wl 2150 0.004 故水平次梁选用 40a 满足强度和刚度要求。5、顶梁和底梁顶梁和底梁也采用 40a五、主梁设计（一） 设计资料1）主梁跨度（图 5）：净跨（孔口净宽） l 。 =10.0m ；计算跨度 l 10.4m ；荷载跨度 l ? 10.0m 。P总54.92）主梁荷载： q 总 （9.81 54.9 9.81 44.9 44.9/2）/4 1223.8kN423）横向隔板间距： 1.486

13、m 。4）主梁容许挠度： W=L/750 。（二）主梁设计内容包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板加劲肋；面板 局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。1. 截面选择（1） 弯距：弯距和剪力 弯距与剪力计算如下：M max 1223.810 (102.423077.4kN m6119 kN剪力：Vmax1223.8102图 5 平面钢闸门的主梁位置和计算简图（2）需要的截面抵抗距已知 Q235钢的容许应力 =160N/mm2, 考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力 = 0.9 160 144N /mm2, 则需要的截面抵抗矩为； W= M max 323077.4 10314416

14、0260cm3。3）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： hec 3.1W 2/5hmin 0.22 Ew /l l Ew /l2/53.1 (160260) 2/5 374.36cm。40.22 144 10.4 1047 119.95cm,2.06 107 1/ 750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，一般选择梁高比经济梁小 10 20。根据以上选择腹板高度 h0330cm 。（4）腹板厚度选择tw h/11 330 /11 1.65cm,选用 t w6.0cm（5）翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为 :A

15、1Wtwh01602606 330156cm2,1h0 6 330 6翼缘选用 t 12.0cm（符合钢板规格），需要b1156t1 1526 78cm（在腹板高度的三分之一A1到五分之一 66110cm之间）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t 12.0cm，b150cm，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为 Bb1+60t50603.6 266cm 上翼缘截面面积 A1=502.02663.61057.6 cm2（6）弯应力强度验算。主梁跨中截面（图 6 1）的几何特性见表 3图 6 1、6 2 主梁跨中截面（单位： mm）截面形心距： y Ay 392481.

16、3 126.0cm,A 3193.6截面惯性距： I twh0Ay2 6.0 330 27102894 45071394 cm4 ,1212截面抵抗距：上翼缘顶边I 45071394 357709 3,Wmax 357709cm , y1126.0下翼缘底边I 45071394 209051 3,Wmin 209051cm , y2 215.6弯应力：MWmminax 23027079.4051100 11.0kN /cm2 0.9 16 14.4kN /cm2,安全表3部位截面尺寸 （ cm cm）截面面积A（cm2）各型心离 面板表面 距 离 y （cm）Ay (cm3)各型心离中和 轴距

17、离 y=y-y 1（cm）Ay2 (cm4)面板部分2663.6957.61.81723.7-124.214771593上翼缘502.0100.04.6460.0-121.41473796腹板3306.01980.0170.6337788.044.63938537下翼缘782.0156.0336.652509.6210.66918968合计3193.6392481.327102894（7）因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体稳定性，因梁高大于按高度要求 的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。，有必要将主梁承端腹板高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） 度减小

18、为 h0s0.6h00.6 330198cm （图 71）。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，离开支承端的距离为148.6-8.6=140cm （图 72）图 7 1 主梁支承端截面（单位： mm） 图 72 主梁变截面位置图（单位： mm）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 (cm3)各型心离中和 轴距离 y=y-y 1(cm)Ay2 (cm4)面板部分2663.6957.61.81723.7-64.13934597上翼缘502

19、.0100.04.6460.0-61.3375769腹板1986.01188.0104.6124264.838.71779256下翼缘782.0156.0204.631917.6138.73001080合计2401.6158366.1909070236.0 3303Ay249090702 27059202cm4 ,twh0I1212158366.1y12401.665.9cmS 782 138.7 137.7 6 137.7 78521cm3,2I 0twVmaxS 78512 6119 3.2kN /cm2 9.5kN /cm2,安全 270592023. 翼缘焊缝翼缘焊缝厚度 hf按受力最

20、大的支承端截面计算。 Vmax6119kN。I 0=27059202cm4， 上翼缘对中和轴的面积距： S1=2663.664.1 50261.367512cm3 下翼缘对中和轴的面积距： S2=782138.7 21637cm3S1需要VS11.4I0 wf 6119 675121.4 27059202 11.30.97cm,角焊缝最小， hf 1.5 t 1.5 20 6.7mm。 全梁的上下翼缘焊缝都采用 hf 10mm。4. 腹板加劲肋因 h0 330 55 80 不需设置横向加劲肋。 闸门上已布置横向隔板可兼作横加劲肋， 其间距 tw 6.0a 1.486m 。腹板区格划分见图 2。

21、5. 面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算 从上述的面板计算可见，直接与主梁相连的面板区格，只有区格 10 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 10 按下式验算长边中点的折算应力：zhm2y ( mx 0x )2 my( mx 0x) my0.589 0.446 93093023622175N /mm2 ,2mx V my 0.3 17553N/ mm2,面板区格的长边中点的主梁弯距和弯应力M 1223.8 10 1.486 1.486221223.8 (1.4861.486 0.2)22 11120kN m20x6M 11120 106W 357709

22、 103231.1N /mm2该区格长边中点的折算应力zh my ( mx0x )my( mx0x)-1752 (53 31.1)2175(53 31.1) 186.9N /mm2 1.55 160 248N / mm2上式中 mx, my, ox 的取值均以拉应力为正，压应力为负故面板厚度选用 36mm满足强度要求 。六、横隔板设计1. 荷载和内力计算横隔板同时兼作竖直次梁， 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，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替 ( 图 8) ，并且把横隔板作 为支承在主梁上的双悬臂梁。图 8 横隔板截面(单位： mm)如图

23、9 示水平次梁为 7跨均布连续梁， R可看作它 所受的最大剪力， 由规范表查知： 作用于竖直次梁 上由水平荷载传递的集中荷载：R (0.607 0.536)q次 ln =1.143 529.74 1.486 899.76KN 取 q q 次1 2 1 1 2 1M ql02Rl0529.74 1.402899.76 1.40 444.70kN m8 0 4 0 8 42. 横隔板的截面选择和强度验算腹板选用与主梁腹板同高，采用 3300mm 60mm，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 B 1b确定。 b=1486mm，l0 /b 1400 /

24、1486 0.942查表得 10.284 。B=0.2841486=422mm，取 B422mm。 计算如 下图所示截面几何特性截面型心到腹板中心线距离：e 422 36 1668 200 8 1654 106mm422 36 3300 60 200 8360 3300312截面惯性距：223300 60 1062 8 200 17602422 36 15622 221728 106 mm4 Wmin 17I64 125696291mm3 ， 验算应力：M444.70 1061256962913.54N / mm2 , 160N/mm2hf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

25、焊缝采用最小焊缝厚度 10mm。七、纵向连接系设计1. 荷载和内力计算 纵向连接系受闸门自重。潜孔式平面滚轮闸门 G按下式计算： 由附录十一查得，其中A孔口面积， m2K?闸门工作性质系数，工作与事故闸门 K?1.0K ?孔口高宽比修正系数 HB1,K?1.0 K ?水头修正系数 ，Hs60m , K ?1.00.79 0.93G 0.073 KK 2 KH 0.79A0.93 9.8KN0.79 0.930.073 1.0 1.0 1.0 54.90.79 1000.93 9.8 1226.9kN下游纵向连接系承受 0.4G=0.4 1226.9=490.0KN纵向连接系是做简支的平面桁架。

26、其桁架腹杆布置 如图 9 点荷载为490.82123.37kN杆件内力计算结果如下图：图 9 纵向连接系计算图（单位： mm）2. 斜杆截面计算利用三角形的边长之比与两边的力之比相同的方法计算得斜杆承受最大拉力 N=290.97KN，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 。选用单角钢 100 12，表查得：截面面积 A=2280 2回转半径 i y0=19.5mm斜杆计算长度l0 0.9 22 1.4862 0.43.32 2.54m u长细比验算拉杆强度：l0i y02540 130.1 20019.53290.97 1032280127.6N /

27、 mm20.85133N/ mm2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15%作为考边梁的截面形式采用双腹式 （如图 10 ），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 400mm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虑受扭影响的安全储备图 10 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两个滚轮。其布置尺寸可见下 图边梁计算图（弯矩图、剪力图）（1）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

28、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。每个主梁作用于边梁的荷载为R=14014KN。（2）竖向荷载。有闸门自重、滚轮摩擦阻力、止水摩阻力、起吊力等。上滚轮所受的压力 R1 28028kN下滚轮所受的压力 R2 28028kN最大弯矩 M max 19620kN .m最大剪力Vmax 14014kN最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为 6621kN（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N 6621 0.12 f 2600 0.12 14014 2988.6kN2. 边梁的强度验算2 截面面积 A=900 36 2

29、40036 2 198060298800mm2面积矩截面惯性矩4I 139807036800mm4截面模量1398070368001026136264168mmSmax 900 36 100 60990 495 62062200mm3截面边缘最大应力验算maxN M maxAW362988.6 103 19620 10 6 298800 136264168125.0N/mm 20.80.8157120N/mm腹板最大剪应力验算：2Itw14014 103 620622002 139807036800 606.2N/mm 20.80.8 95 76N/mm 2腹板与下翼缘连接处应力验算：Vmax

30、Si2Itw314014 103 400 36 2 1008 2 2.81N/mm 22 139807036800 60N M max y 2988.6 103 116 1980A W y 298800 116 2052121.9N/mm2h 2 3 2121.92 3 2.812 122.0N/mm 20.80.8 160 128N / mm2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， 其中下滚轮受力最大， 其值

31、为 28028kN。设滚轮轮缘宽度 b=600mm，轮径 D 1000mm。max0.4181.1Pl EbR0.4181.1528028 2.06 105600 50060.7 N / mm22.5 235 587.5N /mm2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：cg1.1Pldb1cg取轴的直径 d=750mm，轴套的工作长度 b1 =850mm， 滑动轴套容许应 cg 50 N/mm36.4N / mm 20.80.8 9576N / mm2cg1.1Pldb11.1 2

32、8028 10348.4N/mm2 cg50N /mm2750 850b=850mm，对其进行弯轮轴选用 45 号优质碳素钢，取轮轴直径 d=700mm，其工作长度为曲应力和剪应力验算：M max 9809 KN md 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： 3.14 700 3 3W 897516667mm3 12 12M max 9809 10109.3N / mm20.80. 8 145116 N / mm2W 897516667maxPl 14014 KN23Vmax14014 1032d 2384650cjdtcj轴承板所受的压力 N Pl 2 14

33、014 KN取轴承板叠总厚度 t 160mmN 14014 1032 2故 cj125.1N / mm20.8 cj 0.8 160128N /mm2故 cj d t 700 160 cj十、滚轮轨道设计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100N /mm2 ，则所需要的轨道底板宽度为3Pl46713 N /mm28028 103 600q 46713B 100 467.13mm ，取 B=500mm 故轨道地面压应力：c 46713 93.43N /mm2c 5002. 确定轨道底板厚度 轨道底板厚度 按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力：23 c c2c t 2式中轨道底板的悬臂长度 c=40mm，对于 Q235由表查得100N /mm2故需要轨道底板厚度：3 cc23 93.43 402t c 100 67.0mm ，取值 t=70mm。一闸门启闭力和吊耳计算1、启闭力按下式计算：T启 1.1G 1.2(TZd TZs) Px其中闸门自重G=1226.9kN滑道摩阻力： Tzd fp 0.12 4 1223.8 10 5874kN , 止水摩阻力： T