露顶式平面钢闸门课程设计钢结构 1

1、 课程设计(综合实验)报告( 2011- 2012年度第1学期)名 称： 水工钢结构 题 目： 露顶式平面钢闸门设计 院 系： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 2 成 绩： 日期：2012年1月3日目录一、设计资料1闸门形式1孔口净宽1设计水头1结构材料1焊条1止水橡皮1行走支承.1混凝土强度等级1二、闸门结构的形式及布置11.闸门尺寸的确定12.主梁的形式13.主梁的布置14.梁格的布置和形式25.连接系的布置和形式25-1横向联接系25-2纵向联接系26.边梁与行走支承2三、面板设计21.估算面板厚度22.面板与梁格的连接计算4四、水平次梁，顶梁和底梁的设计41.荷

2、载与内力计算42.截面选择63.水平次梁的强度验算84.水平次梁的挠度验算85.顶梁和底梁8五、主梁设计81.设计资料82.主梁设计82-1截面选择82-2截面改变122-3翼缘焊缝142-4腹板的加劲肋和局部稳定验算142-5面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算15六、横隔板设计161.荷载和内力计算162.横隔板截面选择和强度计算16七、纵向连接设计171.荷载和内力的计算172.斜杆截面计算17八、边梁设计181.荷载和内力的计算181-1水平荷载181-2竖向荷载182.边梁的强度验算19九、行走支承设计19十、胶木滑块轨道的设计201.确定轨道底板宽度202.确定轨道底板厚度20

3、十一、闸门启闭力和吊座计算201启门力计算202闭门力计算213吊轴和吊耳板213-1吊轴213-2吊耳板强度验算22总结23参考资料24 一、 设计资料闸门形式：单孔露顶式平面钢闸门孔口净宽：10.00mm设计水头：6.00m结构材料：平炉热轧碳素钢Q235焊条：E43止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮。行走支承：采用胶木滑道，压合木为MCS-2.混凝土强度等级：C20二、 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=6+0.2=6.2m；闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=10m；闸门的计算跨度：L=L0+2d=10+2&#

4、215;0.2=10.4m用autocad画出图形如下图 1 闸门主要尺寸图（单位 m）2. 主梁的形式主梁的形式根据水头合跨度大小而定，本闸门属中等跨度，为了便于制造和维护，决定采用实腹式组合梁。3. 主梁的布置根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。为使两个主梁在设计水位时所承受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线y=H/3=2m，并要求下悬臂a0.12H和a0.4m，上悬臂c0.45H，今取，a=0.7m0.12H=0.72主梁间距：2b=2(y-a)2×1.3=2.6m则c=H-2b-a=6-2.6-0.7=2.7m=0.45H满足要求4. 梁格的布置和形式梁格采

5、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，其间应上疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁布置的具体尺寸详见图2。5. 连接系的布置和形式5-1 横向联接系 根据主梁的跨度决定布置三道隔板，其间距为2.55m ，横隔板兼作竖直次梁。5-2 纵向联接系 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1. 估算面板厚度假定梁格布置如图2所示。面板厚度按下式计算：t=akp0.9a当b/a3时， a=1.5，则t=akp0.9a=akp0.9×1.5×160=0

6、.068akp当b/a3时，a =1.4，则t=akp0.9a=akp0.9×1.4×160=0.070akp列表计算，如表1表1 面板厚度的计算区格a(mm)b(mm)b/akp(N/mm2)kpt(mm)91320572.250.740.0060.0666334.13686391320572.250.50.0150.0866035.37663251620573.990.610.0240.1209964.24550358620573.510.50.0270.116194.62991968620573.000.50.0330.1284525.99204461620573.3

7、40.50.0370.1360155.69738458620573.510.50.0440.1483245.91041455620573.700.50.0510.1596876.037453图 2 梁格布置尺寸图（单位 mm）根据上表计算，选用面板厚度t=7mm2. 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=7mm，并且近似地取板中最大弯应力max=160N/mm2 由此P=0.07tmax=0.07×7×160=78.4(N/mm2)面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为T=VS÷2I0=441000×62

8、0×7×306÷(2×1617000000)=181(N/mm)计算面板与主梁连接的焊缝厚度：hf=P2+T2÷(0.7t)=78.42+1812÷(0.7×113)=2.5mm面板与梁格连接焊缝最小厚度hf=6mm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隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力按 q=p(a上+a下)÷2现列表计算如表格2：得出q=152kN/m表2 水平次梁、顶梁共和底梁的计算梁号梁轴线处的水压强度P(KN/m2)梁间距（m）a上+a下2pa上+a下2备注1（

9、顶梁）3.68顶梁荷载按下图计算R1=1.57×1.542×1.5731.72=3.68kN/m2 1.7427.3151.5811.591.433（上主梁）17.3581.2822.241.14423.0341.0524.250.97529.480.8825.830.786（下主梁）37.0260.6724.910.56743.8020.4620.340.37850.2480.2713.660.189（底梁）56.3640.095.02根据上表计算，水平次梁计算荷载取25.83KN/m， 水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.067m.如图3和图4所示。图 3 梁格布置局部尺寸

10、图（单位 mm）图 4 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：M次中=0.077ql2=0.077×25.83×2.0672=8.50KN·m支座B处的负弯矩为：M次B=0.107ql2=0.107×25.83×2.0672=11.81KN·m2. 截面选择W=M=11.81×106160=73812.5mm3考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选槽钢14b ，由表查得：A=1851mm2;Wx=80500mm3；Ix =5637000mm4；b1=60mm; d=8.0mm面板参加次梁工作有效宽度按下式计

11、算，然后取最小值。Bb1+60t=60+60×7=480mmB=1b1（对跨间正弯矩段）B=2b1（对支座负弯矩段）按5号梁计算，设梁间距b=b1+b22=580+5702=575mm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=0.8×2067=1654mm;对于支座负弯矩段取l0=0.4l=0.4×2067=827mm.根据l0b=1654575=2.88得1=0.839则B=1b=0.839×575=482mm 根据l0b=827575=1.44得1=0.418则B=2b=

12、0.418×575=240mm对于第一跨中弯矩选用B=460mm作图（图5）图 5 面板参加水平次梁工作后的截面（单位 mm）则水平次梁组合截面面积：A=1851+460×6=4611mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离：e=(460×6×73)÷4611=44mm跨中组合截面的惯性矩及截面模量为： I次中=5637000+1851×442+460×6×322=12046766mm4Wmin=12046766÷116=103852mm2对支座段选用B=385mm.则组合截面面积：A=1851+385

13、15;6=79520mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离：e=(360×6×73)÷4161=38mm.支座处组合截面的惯性矩及截面模量：I次B=5637000+1851×442+460×6×322=11432376mm4wmin=11432376÷116=98554mm43. 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：次=M次Wmin=6.21×10698554=63.018 N /mm2<=160N/mm2说明水平次梁选用14b槽钢满足要求。扎成梁的剪应

14、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=9.21KNm则边跨挠度可近似地按下式计算：l=5ql3384EI次-M次Bl16EI次=5×28.83×（2067）3384×2.06×105×12046766-9.21×106×206716×2.06×105×12046766=0.00019286<l=1250=0.004故水平次梁选用14b槽钢满足强度和刚度要求。5. 顶梁和底梁顶梁所受荷载较

15、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。五、 主梁设计1. 设计资料1-1 主梁跨度净宽L0=10.00m;计算跨度L=10.4m；荷载跨度L1=10m.（见图6）1-2 主梁荷载q=88.2KN/m.1-3 横向隔间距：2.6m。1-4 主梁容许挠度： w=1/600 2. 主梁设计2-1 截面选择2-1-1 弯矩与剪力 弯矩与剪力计算如下： Mmax=88.2×10÷2×10.4÷2-10÷4=1191(KN m)Vmax=1÷2×88.2×10=441KN 图 6 平面钢闸门

16、的主梁位置和计算简图2-1-2 需要的截面模量已知Q235钢的容许应力=160N/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=Mmax=1191×100144×0.1=8271cm32-1-3 腹板高度选择按刚度要求的最小梁高（变截面梁）： hmin=0.93×0.23LEl=0.93×0.23144×10.4×1042.06×107×1600=96.3cm3对于变截面梁的经济梁高hec=3.1W25=3.1×827125=114

17、cm.现选用腹板高度h0=100cm.2-1-4 腹板厚度选择按经验公式计算：tw=h11=0.91cm选用 tw=1.0cm.2-1-5 翼缘截面选择 每个翼缘需要截面为：A1=Wh0-twh06=8271100-1×1006=66cm下翼缘选用 t2=2.0cm(符合钢板规格）需要b1=A1t1=662=33cm由此b1=34cm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b1=14cm t1=2cm 面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为：B=b1+60=14+60×0.8=62cm上翼缘的截面面积A=14×2+60×0.8=77

18、.6cm2-1-6 弯应力强度验算 主梁跨中截面（见图7)的几何特性如表3： 图 7 主梁跨中截面（单位mm）部位截面尺寸 (cm×cm)各形心离面板距离y，(cm2)Ay，(cm3)各形心离中合轴距离y=y，-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分62×0.849.60.4-50.1124300上翼缘板14×2281.8-48.766200腹板100×110052.82.3530下翼缘板34×268103.852.3193200合计245.6384230表3 主梁跨中截面的几何特性截面形心矩：y1=Ay，A=12408245.6=50.5cm截

19、面惯性矩：I=Ay2+twh0312=384230+1×100×10012=467600(cm4)截面模量：上翼缘顶边Wmax=Iy1=46760050.5=9276(cm3)下翼缘底边： Wmin=Iy2=46760054.3=8620(cm3)弯应力：=MmaxWmin=1191×1008620=13.8(KN/cm2)< 0.9×16= 14.4(KN/cm2)(安全)2-1-7 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。2-2 截面改变因主梁跨度较大

20、，为减小门槽宽度和支承边梁高度，有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小h0s=0.6h0=0.6×100=60cm 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，离开支承段的距离为260-10=250cm见图8和图9图 8 主梁支撑端截面（单位mm）图 9 主梁两边截面位置图（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。以及变截面后的尺寸。表4 主梁端部截面的几何特性部位截面尺寸 (cm×cm)A(cm2)y，(cm)y=y，-y1(cm)Ay2(cm4)面板

21、部分62×0.849.60.4-30.646443上翼缘板14×2281.8-29.223874腹板100×16032.81.8194下翼缘板34×26863.832.873157合计205.6143668截面形心距：y1=6367205.6=31cm截面惯性矩： I0=1×60312+143668=161668cm4截面下半部中和轴的面积矩：S=31.82+31.8+32.8×68=2376cm4剪应力：=SVmaxI0tw=2736×441161668×1=7.46 KN/cm2< =9.5KN/cm2(

22、安全)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=441KN，截面惯性矩I0=161668cm4上翼缘对中和轴的面积矩 S1=49.6×30.6+28×29.2=2335cm3下翼缘对中和轴的面积矩 S2=68×32.7=2220cm3<S1需要hf=VS11.4I0fw=441×23351.4×161668×11.3=0.403 cm角焊缝最小厚度hf1.5t=1.5×20=6.7cm全梁的上下翼缘焊缝都采用hf=7cm2-4 腹板的加劲肋和局部稳定验算加劲肋的布置为h0tw=100

23、1=100>80因闸门已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距a=280cm。腹板区格划分见图10。图 10 腹板区格划分（单位mm）梁高与弯矩都较大的区格 可按式(cr)2+(cr)2+(cc，cr)21验算。对于区格II，剪力为VII，左=441-88.2×5-2.6=229KN ；VII，右=0平均剪力为=(VII，左+VII，右)2h0tw=2292×100×1=11.5N/mm2该区格截面的弯矩MII左=441×2.6-88.2×(5-2.6)2÷2=893 kNmMII右=Mmax=1191 kNm平均弯矩MII=104

24、2 kNm平均弯应力II=MIIyI=1042×477×106467600×104=106.3N/mm2由于，区格长短边之比大于1，则s=10041×5.34+4(100÷260)2235235=1N/mm2则cr=1-0.59s-0.8=1-0.591-0.895=83.8N/mm2c=0验算(106.3160)2+(11.583.8)2+(0c，cr)2=0.461（安全）故，在区格II之间不必要增加劲肋。同理，区格II之间不必要增加劲肋。2-5 面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算面板区格IV在长边中点的局部弯曲应力：my=kpa2t

25、2=0.5×0.027×586282=±72.44Nmm2mx=my=±0.3×72.44=±21.73Nmm2对应于面板IV长边中点的主梁弯矩和弯应力M=88.2×5×3.9-88.2×3.722=1116KNm0x=MW=11169.27=120Nmm2面板IV长边中点的折算应力 zh=my2+(mx+0x)2-mx(mx+0x) =72.442+(21.73-120)2-72.44(21.73-120) =148.4Nmm2<1.55=248Nmm2满足要求，面板厚度取8mm。六、 横隔板设计

26、1. 荷载和内力计算首先，吧荷载用三角形分布的水压力来代替，见图11。图 11 横隔板截面（单位mm）把隔板作为支撑在主梁上的双臂悬梁。则每块隔板的最大负载弯矩M=2.8×26.52×2.6×2.83=90.03KNm2. 横隔板截面选择和强度计算其腹板选用和主梁同高度，采用1000×8mm，上翼缘采用200×8mm 扁钢。上翼缘B=1200mm截面形心到腹板中心线的距离：e=1200×8×504-200×8×5041200×8+8×200+1000×8=210 mm截面惯性

27、矩I=287623×104mm4截面模量Wmin=287623×104760=3784513mm3验算弯应力=90.03×1063784513=23.79Nmm2<横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度hf=6mm七、 纵向连接设计1. 荷载和内力的计算纵向连接系承受闸门自重，其中G=KzKcKgH1.43B0.88×9.8=0.71×1×0.13×61.43×100.88×9.8=88.97KN 下游纵向连接系承受0.4G=0.4×88.97=35.59KN 由此，纵向连接系桁架腹杆布置图及其计

28、算结果如图12图 12 纵向连接系计算图（单位mm）2. 斜杆截面计算斜杆承受的最大压力为17.8KN，取长细比=200选用单角钢12.6，由此得出截面面积A=1569mm2 ；回转半径iy0=20.07mm ；斜杆计算长度l0=0.9×2.72+2.72+0.72=3.85m长细比=l0iy0=3.85×10320.07=185.8=200验算拉杆强度=17.8×1031569=11.34Nmm2<0.85=133Nmm2八、 边梁设计边梁设计采用单腹式，见图131. 荷载和内力的计算在每侧闸门上设置两个胶木滑块，其尺寸见图141-1 水平荷载主要用来传递

29、主梁的水平方向的荷载，每个边梁的荷载为450KN1-2 竖向荷载上滑块所受的压力R1=450×2.067÷3.3=281.9KN图 13 边梁截面（单位mm）图 13 边梁计算简图下滑块所受的压力R2=900-281.9=618.8KN最大弯矩Mmax=281.9×0.7=197.33KN·m最大剪力Vmax=618.8KN·m2. 边梁的强度验算截面面积A=600×10+400×14×2=17200mm2面积矩Smax=400×14×307+400×10×200=25192

30、00mm3截面惯性矩I=10×6003÷12+2×400×14×3072=707794400mm4截面模量W=707794400÷314=2254122mm3截面边界最大应力验算max=NA+MmaxW=158.2417200+197.32254.122=83Nmm2<0.8=126N/mm2腹板下翼缘连接处应力验算=NA+MmaxWy'y=158.2417200+197.32254.122×300314=72.6Nmm22h=2+32=72.62+3×22.042=82.024Nmm2<0.8

31、=128Nmm2九、 行走支承设计假设滑块的长度为400mm。则滑块承受的压力为q=618.8÷4×10=1547Nmm由此得出轨道顶部弧面半径R=160mm，轨道设计宽度为b=40mm验算max=104qR=104×1547160=302Nmm2<f=500Nmm2选定胶木滑块的高为40mm，宽130mm 长400mm十、 胶木滑块轨道的设计图 14 胶木滑块支撑轨道截面（单位 mm）1. 确定轨道底板宽度混凝土的容许压力h=7KNmm2所需要的轨道底板的宽度Bk=q÷h=1547÷7=221mm轨道底板面压力=1547÷30

32、0=5.16N/mm2。2. 确定轨道底板厚度轨道底板的厚度t=3hc2=3×5.16×1302100=51.14mm取厚度t=60mm十一、 闸门启闭力和吊座计算1-1- (2020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020

33、2020202020202020202020202020202020201 启门力计算T启=1.1G+1.2Tzs+Tzd+Px其中，闸门自重G=101.5KN滑道摩阻力Tzd=fp=0.12×1800=216KN止水摩阻力Tzs=2fpH=2×0.65×0.06×60.12×30=14KN下吸力Px底止水橡皮采用I110-16型，其规格是16×110，底止水沿门跨长10.4m。根据SL 74-95修订稿：启门时插门底缘平均下吸力按照20千牛每米计算，则下吸力Px20×10.4×0.016=3.3KN故闸门的启动力T启=1.1×101.5+1.2×216+14+3.3=390.95KN2 闭门力计算T闭=-0.9G+1.2Tzs+Tzd=-0.9×101.5+1.2×216+14=184.65KN图 15 吊轴和吊耳板（单位 mm）3 吊轴和吊耳板3-1 吊轴采用Q235钢，得=65Nmm2，采用双吊点，每边吊起的力