水工钢结构课程设计拦污栅及钢闸门资料

1、水工钢结构106009699 露顶式钢闸门平面设计 及拦污栅设计课 程 名 称 : 课 程 代 码 : 题目 :年级 /专业 /班2014 级水利水电工程 1 班学院（直属系） : 能源与动力工程学院 指 导 教 师 :徐良芳课程设计说明书目录摘 要 - 3 -引 言 - 4 -任务与分析 - 5 -1 工程概况 - 6 -2.1 露顶式平面钢闸门设计 - 62.2 拦污栅设计 - 63 闸门的结构形式及布置 - 6 -3.1 闸门尺寸的确定 -63.2 主梁的形式 -73.3 主梁的布置 -73.4 梁格的布置和形式 -83.5 连接系的布置和形式 -83.6 边梁与行走支承 -84 面板设

2、计 - 8 -4.1 估算面板厚度 - 94.2 面板与梁格的连接计算 - 95 水平次梁、顶梁和底梁的设计 - 10 -5.1 荷载与内力计算 - 105.2 截面选择 - 115.3 水平次梁的强度验算 - 125.4 水平次梁的挠度验算 - 125.5 顶梁和底梁 -136 主梁设计 - 13 -6.1 设计资料 -136.2 主梁设计 -137 横隔板设计 - 17 -7.1 荷载和内力计算。 - 177.2 横隔板截面选择和强度计算 - 188 纵向连接系设计 - 19 -8.1 荷载和内力计算。 -198.2 斜杆截面计算 -199 边梁设计 - 20 -9 1 荷载和内力计算。

3、-219.2 边梁的强度验算 -2210 行走支梁设计 - 23 -课程设计说明书11.胶木滑块轨道设计 - 23 -11.1 确定轨道底板的宽度 - 2311.2 确定轨道底板厚度 - 2412 闸门启闭力和吊座计算 - 24 -12.1 启门力计算 -2412.2 闭门力计算 -2512.3 吊轴和吊耳验算 -2613 拦污栅的设计 - 27 -13.1 拦污栅的形式和构造 -2713.2 栅面结构 - 2813.3 栅栏整体稳定性验算 - 29-结 论 - 31 -参考文献 - 32 -课程设计成绩评定表 - 33 -课程设计说明书摘要此次课程设计内容为露顶式闸门以及拦污栅，它们都是水工

4、建筑物重要的设施， 我们通过提供的闸门尺寸、 拦污栅尺寸以及上下游设计水位等相关资料，对闸门的结 构形式和布置、面板尺寸、主次梁数量和尺寸以及支承结构的选择等进行分析计算， 对拦污栅栅面的结构布置、主梁数目和整体稳定性进行分析计算。关键词： 结构形式和布置、主次梁设计、整体稳定性分析计算课程设计说明书引言钢闸门是用于关闭和开放泄 （放）水通道的控制设施， 是水工建筑物的重要组成部 分，有拦截水流，控制水位、调节流量、排放泥沙和飘浮物等重要功能。拦污栅设在 进水口前，用于拦阻水流挟带的水草、漂木等杂物 （一般称污物 ）的框栅式结构。设计 闸门和拦污栅时，必须考虑全面，包括其具体用途及布置位置，孔

5、口尺寸和数量，上 下游水位高度，以及风荷载和波浪荷载等外界影响，并且还应考虑制造、运输和安装 等情况的限制。课程设计说明书任务与分析 课程设计任务：通过所学的知识以及查阅相关资料，掌握正确的设计原理和方法 对露顶式闸门以及拦污栅进行设计。课程设计分析：此次设计主要为闸门和拦污栅两个方面，露顶式闸门设计内容包 括：闸门的结构形式和布置， 闸门面板设计， 水平次梁、顶梁和底梁设计， 主梁设计， 横隔板设计，纵向连接系设计，边梁设计，行走支承设计，胶木滑道轨道设计，闸门 启闭力和吊座设计。拦污栅设计内容包括：拦污栅形式与构造，栅面设计，栅面整体 稳定性验算。课程设计说明书1 工程概况 闸门是用来关闭

6、、开启或者局部开启的水工建筑物中过水孔口的活动结构。其主 要作用是控制水位、 调节流量。 闸门是水工建筑物的重要组成部分， 它的安全与适用， 在很大程度影响着整个水工建筑物的原型效果。2 设计资料2.1 露顶式平面钢闸门设计 闸门型式：露顶式平面钢闸门 （小） 孔口尺寸（宽 *高）： 宽 9 m * 高4.5 m 上游水位：4.3 m 下游水位：0 m 闸底高程：0 m 启闭方式：卷扬式启闭 材料 ：钢结构： Q235-A.F焊条： E43型行走支承：胶木滑道止水橡皮：侧止水用 P 型橡皮，底止水用条形橡皮 混凝土强度等级： C20 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

7、标准规范：水利水电工程钢闸门设计规范 SL 1974-2005 2.2 拦污栅设计闸门型式：露顶式平面钢闸门孔口尺寸（宽 *高）： 宽 9 m* 高4.5 m 水头： 2m3 闸门的结构形式及布置3.1 闸门尺寸的确定闸门的高度：考虑风浪所产生的水位超高为 0.2m，故闸门高度 =4.5+0.2m=4.7m；课程设计说明书闸门的荷载跨度为两侧止水的间距： L1=9m图 3-1 闸门主要尺寸图闸门的计算跨度： L=L0+2d=9+2*0.2=9.4m3.2 主梁的形式主梁的形式根据水头和跨度大小而定， 本闸门属中等跨度， 为了方便制造和维护， 决定采用实腹式组合梁。3.3 主梁的布置根据闸门的高

8、跨比，决定采用双主梁。为了使两个主梁在设计水位时所受的水压课程设计说明书力相等， 两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线 y=H/3=1.5m，并要求下悬臂a0.12H和 a0.4m、上悬臂 c0.45H，今取a=0.525 0.12H=0.54m主梁的间距： 2b=2（ y -a ）=2*0.975 =1.95m则 c=H-2b-a=4.5-1.95-0.525=2.025m=0.45H （满足要求）3.4 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，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁 格布置的具体尺寸详

9、见图。图 3-2 梁格布置图（单位 mm）3.5 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，设在两个主梁的下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。3.6 边梁与行走支承边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。4 面板设计根据 SL74-95水利水电工程钢闸门设计规范修订送审稿，先估算面板厚度，课程设计说明书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4.1 估算面板厚度假定梁格布置尺寸，面板厚度 t 按照公式 t ）mm计算。（0.9 面板参加贮量工作需要保留一定的强度储备系数； 弹塑性调

10、整系数，当 b/a3 时， =1.5 ，当 b/a3时，=1.4；钢材的抗弯容许应力，以 N/mm2计）则初取 t=当 b/a 3 时，=1.4 则 t=当b/a 3 时，=1.5 则t=0.068P=0.0098h N/mm2,h 为区格中心水头表 4-1 面板厚度的估算区格a（mm）b（ mm）b/akp(N/mm2)kpt ( mm)110023402.130.6960.0050.0594.4180023402.930.5000.0150.0874.7170023403.340.5000.0220.1055.1461023403.840.5000.0290.1205.1453023404

11、.420.5000.0340.1304.8440023405.850.7500.0380.1694.73K值查附录 9 矩形弹性波薄板弯矩系数据上表计算，选用面板厚度 t=6mm4.2 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橫拉力P按照 P=0.07t max计算，其中max表示厚度 t （mm）的面板中最大弯应力，计算时候可以采取 max= ，因 为已经求知面板厚度 t=6mm，并且近似地取板中最大弯应力 max= =160N/mm2则P=0.07tmax=0.07*6*160=67.2(N/mm 2)面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力： = =138N/mm课程设

12、计说明书又面板与主梁连接的焊缝厚度 hf 可以近似的按照 hf/（0.7 wf） 和hf/（0.7 wf）=/ （hf 不应小于 6mm确定，公式中的 wf 表示角焊缝容许剪应力，于是0.7）=1.9mm面板与梁格连接焊缝最小厚度 hf =6mm5 水平次梁、顶梁和底梁的设计5.1 荷载与内力计算水平次梁和顶、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其中 p表示次梁横轴线处的水压强度； a上和 a下分别表示水平次梁轴线到上、下相邻梁之间的距离表 5-1 水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算梁号梁轴线处 水压强度 p（KN/）梁间距（m）（a 上+a 下）/2 （m）q=p（a 上

13、+a 下）/2 （ m）备注1 顶梁1.81顶梁荷载计算R=（ 0.97*11.2*0.97 ）/（2*3*0.97）211.51.1201.01311.643 上主梁20.30.9050.85517.36428.20.8050.74320.94534.890.6800.65822.946 下主梁41.10.6350.52021.377 底梁46.10.4050.40018.44根据表计算，水平次梁计算荷载取 q=22.94KN/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度 课程设计说明书为 L=2.35m，如下图 5-1图 5-1 水平次梁计算简图和弯矩图水平次梁弯曲时边跨中弯矩 M次中 为：M 次中=0

14、.077ql 2=0.077*22.94*2.35 2=9.75 KN*m支座 B 处的负弯矩为：22M 次B=0.107ql 2=0.107*22.94*2.35 2=13.56 KN*m5.2 截面选择3W= =84750mm3考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选 14b ，由表查得：3 3 4A=2131m3m； WX=871000mm3； I X=6094000mm4； b 1=60mm； t w=8mm面板参加次梁工作有效宽度按照下面计算，然后取其中最小值。（1） 考虑面板兼作梁翼缘在受压是不至丧失稳定而限制的有效高度B b1+2c=b1+60t=60+60*6=420mm（2）

15、考虑面板眼宽度上应力分布不均而折算的有效高度B=1b （对胯间正弯矩段）B=2b （ 对支座负弯矩段 ）按照 5 号梁计算，设梁间距 b= =658mm。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=1880mm；对于支座负弯矩段取 L0=0.4L=0.4*2350=940mm。 根据 L0/b 查表 7-1 得：对于 L0/b=1880/658=2.857 得1=0.82 则 B= 1b=0.82*658=540mm对于 L0/b=940/658=1.429 得 2=0.40 则 B=2b=0.4

16、0*658=236mm 对于第一跨中弯矩选用 B=420m，m 则水平次梁组合截面面积为：2A=2131+420*6=4651m2m- 11 -课程设计说明书组合截面形心到槽钢中心线的距离为：e=420*6*73/4651=40mm跨中组合截面的惯性矩及截面模量为I 次中=6094000+2131*402+420*6* （32+3）2=12590600mm42W min=12590600/108=116580mm2最支座选用 B=236mm，则组合截面面积：2A=2131+236*6=3547m2m组合截面形心到槽钢中心线的距离：e=236*6*74/3547=30mm支座处组合截面的惯性矩及

17、截面模量： 图 5-1 面板参加水平次梁工作后的 组合荷载面（单位 mm ）I 次B=6094000+2131*302+236*6*452=10879300mm42W min=10879300/103=105624mm25.3 水平次梁的强度验算由于支座 B 处的弯矩最大，而截面模量较小， 故需要验算支座 B处截面的抗弯强度，即：次=M次B/Wmin=13.56*106/105624=128.4N/mm2=160 N/mm2说明水平次梁选用 14b 满足要求。同时轧成梁的剪应力一般很小，可不必验算5.4 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

18、的弯矩已经求得 M次B=13.56 KN*m，则边跨挠度课近似地按照下式计算：- 12 -=0.000727 = =0.004故水平次梁选用 14b 满足强度和刚度要求5.5 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 14b 槽钢。6 主梁设计6.1 设计资料（ 1）主梁的跨度净宽 L0=9.00m；计算跨度 L=9.4m；荷载跨度 L1=9m（ 2）主梁的荷载 q=50.2KN/m（ 3）横向隔间距： 2.35m4）主梁容许挠度： w=L/6006.2 主梁设计主梁设计包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板局部稳定验算；面板局部弯曲与主梁整体

19、弯曲的折算应力计算。- 13 -课程设计说明书课程设计说明书图 6-1 平面钢闸门的主梁位置和计算简图课程设计说明书由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增高，故主梁高度宜选的比hmin大，现在选用腹板高度 h0=97cm。4）腹板厚度的选择。按照经验公式计算：tw=0.9cm，选用 t w=1.0cm。5）翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为：1=23.4cm翼缘选用 t 1=2 cm（符合钢板规格）需要=11.7cm，选用 b1=22cm（通常采用b1=1不超过 =38.8cm）。上翼缘的部分截面可利用面板，故只需设置较小的上翼缘同面板相连，选用t 1=2cm， b1=14cm。面板兼作主梁

20、上翼缘的有效宽度去为： B=b1+60t=14+60*0.6=50cm上翼缘截面积 A1=14*2+50*0.6=58cm26）弯应力强度验算。主梁跨中截面几何特性如表：表 6-1 主梁跨中截面几何特性表部位截面尺寸 （cm*cm）截面面积 A（cm2）各形心离面板 表面距离 y（cm）Ay(cm2)各形心离 中和轴距 离 y-y1Ay2( cm4)面板部分50*0.6300.39-47.166916.3上翼缘板14*2.0281.644.8-45.858807.4腹板97*1.09751.14956.73.71307.4下翼缘板22*2.044100.64426.453.2124864.8合

21、计1999458.2251896.0- 15 -截面形心矩： y1=47.5cmI=截面惯性矩：截面模量：上翼缘顶边：翼缘底边：3Wmax=6904cm3max3Wmax=6062cm3max弯应力：课程设计说明书=9.1KN/cm20.9 16=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刚面板相连， 按照规范可不必验 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 梁支承端腹板高度减小为 h0s=0.6h 0=0.6*97=58cm。梁高开始改变的位置取

22、在临 近支承段的横向隔板下翼缘的外侧，离开支承段的距离为 235-10=225cm。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，故可按工字刚截面来验算剪应力强度。 主梁支承端截面的几何特性 如表，以及变截面后的尺寸。- 16 -图 6-3 主梁支承端截面（单位 mm ）图 6-4 主梁变截面位置图（单位 mm ）课程设计说明书剪应力：（安全）表 6-2 主梁端部截面的几何特性部位截面尺寸 （cm*cm）截面面积 A（cm2）各形心离面板 表面距离 y（cm）Ay(cm2)各形心离 中和轴距 离 y-y1Ay2( cm4)面板部分50*0.6300.39-28

23、.424250.1上翼缘板14*2.0281.644.8-27.120610.9腹板58*1.05831.61832.82.9477.3下翼缘板22*2.04461.62710.432.947535.6合计160459792873.9截面形心矩： y1= =28cm截面惯性矩：I 0=+92873=109132cm4截面下半部中和轴的面积矩： S=44 32.9+31.9 1=1956cm322=4.05 KN/cm 2 =9.5 KN/cm 2。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=226KN，截面惯性矩 I=109132cm4 。上翼缘对中和轴的面

24、积矩： S1=30 28.4+28 27.1=1611cm3 下翼缘对中和轴的面积矩： S=44 32.9=14481.5 =1.5 =6.7mm 全梁的上下翼缘焊缝都采用 hf =8mm7 横隔板设计7.1 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- 17 -课程设计说明书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，并且M=58.8 KN*mm图 7-1 横隔板截面（单位 mm ）把横隔板作为支撑在主梁的双悬臂梁。则每片横隔板在悬臂的最大弯矩为：7.2 横隔板截面选择和强度计算其腹板选用与主梁腹板同高，采用 970*6

25、mm上翼缘利用面板，下翼缘采用 180*6mm的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度按 B= 2b 确定，其中 b=2350mm，按 l 0/b=2*2490/2350=2.119, 查的有效宽度系数 2=0.51 ， B=0.51*2350=1199mm，取 B=1200mm。截面形心到腹板中心线的距离：e= =212mm截面惯性矩为：I= =189511mm4截面模量为：- 18 -课程设计说明书3Wmin=2695747mm3验算弯应力为：=21.8N/mm2 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 =6mm。8 纵向连接系设计8.1 荷载和内力计算。向连接系承受闸门

26、自重。露顶式平面钢闸门叶自重 G按附录 11 中的式计算：G=9.8K ZKCKgH1.43B0.88=9.8下游纵向连接系承受5431011.43 90.88=75.7 KN0.4G=0.4*75.5=30.2 KN纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如图所示，其节点荷载为=7.55 KN杆件内力计算结果如图所示。图 8-1 纵向连接系计算图 （单位 mm）8.2 斜杆截面计算- 19 -课程设计说明书斜杆承受最大拉力 N=15.56KN，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 =200选用单角钢 100*8，由附录三查得 截面面积 A=15.6cm

27、2=1560mm2 回转半径 i y0=1.98cm=19.8mm斜杆计算长度l0=0.9=3.01m长细比= =152.02 =200验算拉杆强度22=10N/mm20.85 =133 N/mm2考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低 15%进行强度计算。9 边梁设计 边梁的截面形式采用单腹式，边梁的截面尺寸按照构造要求确定，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，为了便于安装压合胶木滑道，下 翼缘宽度不宜小于 300mm。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力降低 20%为考虑受扭影响的安全储备。- 20 -课程设计说明书图 9-1 边梁截

28、面(单位 mm)91 荷载和内力计算。在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑道。其布置尺寸如图所示图 9-2 边梁计算图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的荷载为 R=226KN2) 竖向荷载。有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、起吊力等- 21 -课程设计说明书上滑块所受的压力R1=174 KN下滑块所受的压力R2=452-174=278 KN最大弯矩 Mmax=174 0.7=121.88 KN*m最大剪力 Vmax=R1=174 KN最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力， 估计为

29、200KN。在最大弯矩作用截 面上的轴力为 N=200-R1f=200-174 0.12=179.12KN。截面面积 A=5800032+01214=14200mm29.2 边梁的强度验算面积矩 Smax=14 300 297+10 290 150=1682400mm3截面惯性矩 I=截面模量 W=3=2877544mm3+2 300 14 2972=903548933mm4截面边缘最大应力验算max= +max=12.6+42.4 =55N/mm20.8 =0.8 160=128N/mm2腹板最大剪应力验算=32N/mm20.8 =0.8 95=76 N/mm2腹板与下翼缘连接处折算应力验算

30、=12.6+42.4=52 N/mm2- 22 -课程设计说明书=2=24 N/mm2=2160=128 N/mm22=57 N/mm20.8 =0.8以上验算均满足强度要求。10 行走支梁设计胶木滑块的计算：滑块位置如图所示，下滑块受力最大，其值为 R2=278KN。设滑 块长度为 300mm，则滑块单位长度的承压力为q=927 N/mm由所计算的 q，查表 7-2 得轨道顶弧面半径 R=100m，m 轨道设计宽度 b=25mm，胶 木轨道与轨顶弧面的接触应力为22 max=104 =104=317 N/mm =500 N/mm选定胶木滑道高 30mm，宽 120mm，长 300mm11.

31、胶木滑块轨道设计11.1 确定轨道底板的宽度轨道底板宽度按混凝土承压强度确定。根据 C20混凝土由附录 10 表 2 查的混凝 土的容许承压应力为 h=7 N/mm2，则所需的轨道底板宽度为B h= =132mm，取 Bh=140mmhh故轨道底面压应力为2 h= =6.6 N/mm2h- 23 -课程设计说明书图 10-1 胶木滑块支承轨道截面（单位 mm）11.2 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为 =3h 式中轨道底板的悬臂长度 c=102.5mm，对于 Q235钢，查得 =100 N/mm2。故所t=46mm取 t=50mm需轨道底板厚度为12 闸门

32、启闭力和吊座计算12.1 启门力计算T起=1.1G+1.2 （ TZd+TZs）+Px其中闸门自重 G=75.7KN滑道摩阻力T Zd=fP=0.12 904.4=109 KN止水摩阻力T ZS=2fbHp因为橡皮止水与钢板的摩擦系数 f=0.65 橡皮止水的受压宽度取为 b=0.06m 每边侧止水受水压长度 H=4.5m- 24 -侧止水平均压强p=21.38 KN/m课程设计说明书故 TZS=2 0.65 0.06 4.5 21.38=7.5 KN下吸力 Px底止水橡皮采用 I110-16 型，规格为宽 16mm、长 110mm。底止水沿门跨 长 9.4m。根据水利水电工程钢闸门设计规范

33、：启门时闸门底缘平均下吸强度一般 按 20 KN/m2 计算，则下吸力为P x=20 9.4 0.016=3 KN故闸门启门力为T起=1.1G+1.2 (TZd+TZs) +Px=1.1 75.7+1.2 (109+7.5)+3=319.27 KN12.2 闭门力计算75.7=72 KNT闭=1.2(TZd+TZs)-0.9G=1.2 (109+7.5)-0.9显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。由于该溢洪道闸门孔口较多，若把闸门行 走支承改为滚轮，则边梁需由单腹式改为双腹式，加上增设滚轮等设备，则总造价增 加较多。为此，应考虑采用一个总量为 200KKN的加载梁，在关闭时可以依次对需要 关闭的闸门加载下压关闭。- 25 -课程设计说明书12.3 吊轴和吊耳验算图 12-1 吊轴和吊耳板（单位 mm）1）吊轴采用 Q235 钢，由第二章表 2-8 查得P=1.2 =1.2=191.6 KN吊轴每边剪力V=96 KN需要吊轴截面积2A= =1477mm2A=0.785d =65- 26 -KN/mm2, 采用双吊点，每边起吊力为（ 2）吊耳板强度验