水利水电工程水工钢结构课程设计

1、.露顶式平面钢闸门设计2007101316王亮春一、 设计资料闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门；孔口净宽：14.00m；设计水头：6.00m；结构材料：Q235；焊条：E43；止水橡胶：侧止水用P形橡皮，底止水用条形橡皮；行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS2;混凝土强度等级：C20二、 闸门的结构形式及布置1、闸门尺寸的确定（图1）闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.3m，故闸门高度为9+0.3=9.3米闸门的荷载跨度为两侧止水的间距即为孔口净宽：闸门的计算跨度：2、主梁的形式本闸门为中等跨度，为了便于制造和维护决定采用实腹式组合梁3、主梁的布置闸门高跨比 采用双主梁，为使两个主梁在

2、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的作用线（图2），并要求下悬臂和。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见详图2 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，其间距为横隔板兼作竖直次梁。 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、边梁和行走支承 变量采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。三、 面板设计根据SL7495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，先估算面板的厚

3、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。1、 估算面板厚度假定梁格布置尺寸如上图所示。面板厚度按式（7-3）计算：当时，则当时，则现列表（如下）计算：表1注 1、面板边长a、b都从面板与梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽度为260mm（详见于后）； 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=14mm。2、 面板和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按式（7-6）计算。已知面板厚度t=14mm，并且近似地取版中最大弯应力，则面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：由式（7-7）计算面板与主梁连接的焊缝厚度：面板

4、与梁格连接焊缝取其最小厚度。四、 水平次梁、顶梁和底梁的设计1、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压力可按式（7-8）计算，即列表（如下）计算后得根据表2计算，水平次梁计算荷载去79.92KN/m。水平次梁为五跨连续梁，为2.92米。水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为2、 截面选择考虑利用面板作为次梁截面的一部分初选36b。由附录三表4查得 面板参加次梁工作有效宽度分别按式（711）及式（712）计算，然后取其中较小值。式（711）式（712）按5号梁计算。设梁间距。对于第一跨中正弯矩段取。对于支座负弯矩段。由查表71：对于 得 则对于 得 则对第一跨中选

5、用B=923mm，则水平次梁组合截面面积为组合截面形心到槽钢中心线的距离为跨中组合截面的惯性矩及截面模量为对支座段选用B=420mm。则组合截面面积：组合截面形心到槽钢中心线距离：支座处组合截面的惯性矩及截面模量：3、 水平次梁的强度验算由于支座B（图3）处弯矩最大，截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即说明水平次梁选用36b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支座处截面的弯矩已经求得。则边跨挠度可近似地按下式计算：故水平次梁选用36b满足强度和刚度要求。5、 顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂

6、浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度。所以采用36b，底梁也采用36b。五、 主梁设计（一） 设计资料1） 主梁跨度（如图5）：净跨（孔口宽度），计算跨度L=14.6m，荷载跨度;2） 主梁荷载：;3） 横向隔板间距：3.65m;4） 主梁容许挠度:。（二）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、 剪力和弯矩。弯矩与剪力计算如下：2、需要的截面模量。已知Q235A-F钢的容许应力,则需要的截面模量为3、腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为经济梁高由于钢闸门中的横向隔板

7、重量将随主梁增高而增加。故主梁高度宜选得比小，不小于。现选用腹板高度。4、 腹板厚度选择。按经验公式计算，选用。5、 翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为下翼缘选用需要 取。上翼缘的部分截面积可以利用面板，故需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用 面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为上翼缘截面积6、 弯应力强度验算，主梁跨中截面的几何特性见下表截面形心距：截面惯性矩：截面模量：上翼缘顶边下翼缘底边弯应力（安全）7、 整体稳定性与挠度验算。因为主梁上翼缘直接通钢面板相连，按规范规定可不必验算整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高。估量的挠度也不必验算。2）、截面改变因主梁跨度较大为减小门槽宽度和支承

8、边梁高度（节省钢材），有必要将主梁支承端腹板高度减小为（图7）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8）。离开支承端的距离为364-15=349cm。剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支承边的腹板及翼缘相焊接，可按工字形截面来验算剪应力强度。主梁与支承端截面的几何特性见下表截面形心距。截面下半部对中和轴的面积距：截面惯性矩剪应力：3）、翼缘焊缝翼缘焊缝厚度按受力最大的支承端截面计算。最大剪力, 截面惯性矩。上翼缘对中和轴的面积距：下翼缘对中和轴的面积距：需要角焊缝最小厚度全梁上下翼缘焊缝都采用4）、腹板的加劲梁河局部稳定验算加劲梁的布置：因为，故需设置横加劲肋

9、，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋，其间距。腹板区格划分见图8。梁高与弯矩都较大的区格可按式（4-66）即验算。区格左边及右边截面的剪力分别为区格截面的平均剪应力为区格左边及右边截面上的弯矩分别为区格的平均弯矩为区格的平均弯应力为由式461计算计算由于区格长短之比为3.64/1.2>1。采用式（454b）计算：因>1.2，则将以上数据代入式466得 （满足局部稳定要求）故在横隔板之间不必增设横加劲肋。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，这意味着该区格的场边重点应力也比较

10、大，所以选取区格，按式（7-4）验算其场边中间的折算应力。面板区格在场边中点的局部弯曲应力：对应于面板区格在长边中点的主梁弯矩和弯应力：面板区格的长边中点的折算应力：上式中、和的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。故面板厚度选用14mm满足强度要求。六、 横隔板设计1、 荷载及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，并且把横隔板作为支承在主梁上的双悬臂梁。则每篇横隔板在上悬臂梁的最大负弯矩为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2000mm14mm，上翼缘利用面板，

11、下翼缘采用300mm14mm的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度，按确定，其中b=3650mm。按，从表71查得。则，取B=2000mm。计算如图9所示的截面的几何特性截面惯性矩： 截面模量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。七、 纵向连接系设计1、荷载和内力计算纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹杆布置如图10所示，其结点荷载为188.72/4=47.18KN. 杆件内力计算结果如图10（如右）。3、 斜杆截面计算斜杆承受最大拉力N=97.4KN，同时考虑闸门偶人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12512，查表得 斜杆计算长

12、度长细比验算拉杆强度：考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行验算。八、 边梁设计边梁的截面形式采用单腹式（图11）。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，其布置尺寸见图121）、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。每个主梁作用于边梁的荷载

13、为R=1417.5KN.2)、竖向荷载。有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、起吊力等。上滑块所受的压力：下滑块所受的压力：最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力。估计为300KN（详细计算见后）。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阻力。该轴向力为：2、 边梁的强度验算截面面积面积距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：腹板和下翼缘连接处的折算应力验算：故以上验算满足条件。九、 行走支承设计胶木滑块计算：滑块位置如图12所示，下滑块受力最大，其值为设滑块长度为600mm，则滑块单位长度的承压力为根据上述q值由表72查得轨顶弧面半径R=200mm，轨头设计宽

14、度b=40mm。胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按式（7-13）进行验算：选定胶木高40mm，宽150mm，长600mm。十、 胶木滑块轨道设计（图13）1、确定轨道底板宽度 轨道底板宽度按混凝土承压强度决定，根据C30混凝土由附录十表2查得混凝土的容许承压力为,则所需轨道底板宽度为，取。故轨道地面压应力3、 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： 式中轨道底板的悬臂长度c=130mm。对于Q235由表28查得，故所需轨道底板厚度： 取t=70mm。十一、闸门启闭力和吊座计算1、 启闭力按式（7-25）计算 其中闸门自重：G=471.8KN滑道摩阻力：止水摩阻力：因 橡皮止水与钢板间摩擦系数 橡皮止水受压宽度取为 b=0.06m 每边侧止水受水压长度 H=9m 侧止水平均压强 p=44.1故 。下吸力地止水橡皮采用I11016型，其规格为宽16mm，长110mm。底止水沿门跨长14.6m。根据SL7495修订稿：启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20计算，则下吸力：故闸门启门力：2、 闭门力按式（7-2