毕业设计露顶式平面钢闸门设计

钢结构课程设计露顶式平面钢闸门设计题号：1号学院：水利与土木建筑工程学院专业：农业水利工程1、设计资料闸门形式:露顶式平面钢闸门孔口净宽：9.00m设计水头：6.80m结构材料：Q235B-F焊条：焊条采用E43型手工焊；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，压合胶木为MCS-2；启闭方式：电动固定式启闭机；制造条件：金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足Ⅲ级焊缝质量检验标准；执行标准：?水利水电工程钢闸门设计标准?〔SL74--1995〕。2、设计步骤2.1．闸门结构的型式及布置2.1.1闸门尺寸确实定闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m,故闸门高度=6.8+0.2=7(m);闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：;闸门计算跨度：;图2.12.1.2主梁的型式主梁的型式应根据水头和跨度大小而定，本闸门属中等跨度，为了便于造和维护，决定采用实腹式组合梁。2.1.3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时所受的水压力相等，两个梁的位置应对称于水压力合力的作用线并要求下悬臂、上悬臂，今取 主梁间距那么2.1.4梁格的布置和形式梁格采用复式布置和齐平连接，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，梁格布置的具体尺寸如图2.2所示。2.1.5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2.1m,横隔板兼作竖直次梁。〔2〕纵向连接系。采用斜杆式桁架，布置在2根主梁下翼缘的竖平面内。2.1.6边梁与行走支承边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。图2.23、面板设计根据?水利水电工程钢闸门设计标准?〔SL74-1995〕及2006修订送审稿，关于面板的计算，先估算面板厚度，在主〔次〕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。3.1估算面板厚度初步布置梁格尺寸如图2.2所示，面板厚度按下式计算当，那么当，那么现列表3.1进行计算。表3.1面板厚度的估算区格a(mm)b(mm)b/akⅠ177020901.180.5800.0070.0647.70Ⅱ113020901.850.5400.0210.1097.64Ⅲ96020902.180.5400.0310.1357.81Ⅳ89020902.350.5190.0400.1477.86Ⅴ81020903.030.5190.0480.1597.90Ⅵ65020903.940.7160.0550.1957.92注：1、面板边长a，b都从面板与粱格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽度取140mm;2、区格I、VI中系数按三边固定一边简支查得。根据表3.1计算，选用面板厚度t=8㎜。3.2面板与梁格的连接计算面板局部挠曲时产生的垂直与焊接长度方向的横向拉力P按下式计算，面板厚度t=8㎜,并且近似地取板中最大弯矩，那么面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为由式计算面板与主梁连接的焊缝厚度面板与梁格连接焊缝取其最小厚度。4、水平次梁、顶梁和底梁的设计4.1荷载与内力计算水平次梁和顶、底梁都是支承在横隔板的连续梁,作用在它们上面的水压力可按下式计算，即表63.2计算厚得表4.1水平次梁和顶、底梁均布荷载的计算梁号梁轴线水压强p梁间距备注1(顶梁)顶梁荷载按下列图算1.87215.41.57524.261.283(上主梁)26.51.1431.401.09435.80.96536.870.97544.00.88539.820.846(下主梁)51.80.78539.960.707(底梁)57.80.4528.9根据表4.1计算结果,水平次梁计算荷载取34.61kN/m,水平次梁为四跨连续梁,跨度为2.1m,如图4.1所示.水平次梁弯曲时的边跨中正弯矩为支座B处的弯矩为图4.1水平次梁计算简图和弯矩图4.2截面选择考虑利用面板作为次梁截面的一局部,初选由附录三附表3-6,查得面板参加次梁翼缘工作的有效宽度分别下式计算,然后取其中的最小值。(对跨间正弯矩段)(对支座负弯矩段)图4.2面板参加水平次梁工作后的组合载面按5号梁计算,设梁间距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比值。对于第一跨中正弯矩段取。对于支座负弯矩段取。根据查表6.1，得对于对于第一跨中选用B=548mm,那么水平次梁的组合截面面积为(6.48)组合截面形心到槽钢中心线的距离跨中组合截面的惯性矩及截面模量为对支座选用B=300mm,那么组合截面面积为组合截面形心到槽钢中心线的距离为支座处组合截面的惯性矩及截面模量为4.3水平次梁的强度验算因支座B(图6.47)处弯矩最大,而截面模量较小,故只需验算支座B处截面的抗弯强度,即说明水平次梁选用满足强度要求。轧成梁的剪应力一般很小,可不必验算。4.4水平次梁的挠度验算水平次梁为受均布荷载的四跨连续梁,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那么边跨挠度可近似地计算为：故水平次梁选用[18a满足强度和刚度要求。4.5顶梁与底梁顶梁所受的荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度，所以也采用[18a。地梁也采用[18a。5、主梁设计5.1设计资料主梁跨度(图5.1):净跨(空口宽度)计算跨度,荷载跨度;图5.1平面钢闸门的主梁位置和计算见图主梁荷载:横隔板间距:2.1m;主梁允许挠度:。5.2.主梁设计主梁设计包括①截面选择；②梁高改变；③冀缘焊缝；④腹板局部稳定算；⑤面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。截面选择。1〕.弯矩与剪力。弯矩与剪力计算式如下2〕.需要的截面模量。钢Q235钢的允许应力，考虑闸门自重引起的附加应力作用,取容许应力为,那么所需的截面模量为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重量将随主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比小，但不小于。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。每个翼缘所需截面为下翼缘选用〔符合钢板规格〕需要,选用〔在之间〕。上翼缘的局部面积可利用面板,故只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取上翼缘截面积为6〕.弯应力强度验算。主梁跨中截面〔如图6.50〕的几何特性见表6.5。截面形心矩为图5.2主梁跨中截面图截面惯性矩为截面模量：上翼缘顶边下翼缘底边弯应力〔平安〕表5.1主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸截面面积A〔〕各形心离面板表距离A各形心离中和轴距离面板局部62×0.849.60.419.8-50.1124300上冀缘板14×2.028.01.850.3-48.747978腹板80×1.08042.834245.42332下冀缘26×2.052.083.8435846.4111954合计209.678522865647〕．整体稳定与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按?钢结构设计标准?〔GB50017—2003〕规定可不必验算其整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。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〔如图6.51〕。梁高开始改变的位置取在邻近支承的横向隔板下翼缘的外侧(图6.52),离开支承端的距离为。图5.3主梁支承端截面图图5.4主梁变截面位置图剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字型截面来验算剪应力强度。主梁支承端的截面的几何性质见表6.6。表5.2主梁支承端的截面的几何特性部位截面尺寸〔cmcm〕A面板局部62×0.849.60.419.8-30.646443上翼缘板14×2.028.01.850.3-29.223874腹板80×1.04832.819681.8492下翼缘26×2.052.051.8269428.843131合计189.64732113642截面形心矩截面惯性矩截面下半部对中和轴的面积矩剪应力(平安)5.2.3翼缘焊接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矩下翼缘对中和轴的面积矩需要角焊缝最小厚度全梁的上、下翼缘焊缝都采用。5.2.4腹板加劲肋和局部稳定验算加劲肋的布置：因为，故需设置横加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋，其间距。腹板区格划分如图6.52所示。梁高与弯矩都较大的区格Ⅱ可按验算：区格Ⅱ左边及右边截面的剪力分别为区格Ⅱ截面的平均剪应力为 区格Ⅱ左边及右边截面上的弯矩分别为 区格Ⅱ的平均弯矩为 区格Ⅱ的平均弯应力为计算计算，由于区格长短边之比为,那么那么将以上数据代入公式有〔这里无局部压应力〕。满足局稳要求，故在横隔板之间〔区格Ⅱ〕不必增设横向加劲肋。再从剪力最大的区格Ⅰ来考虑：该区格的腹板平均高度，因，不必验算，故在梁高减小的区格Ⅰ内也不必另设横向加劲肋。4.2.5.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，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格Ⅳ所需的板厚较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取图中的区格Ⅳ〔图6.46〕按式〔6.5〕验算其长边中点的折算应力。面板区格Ⅳ在长边中点的局部弯曲应力为对应于面板区格Ⅳ在长边中点的主梁弯矩〔图6.49〕和弯应力为面板区格Ⅳ的长边中点的折算应力为上式中、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8mm，满足强度要求。6、横隔板设计6.1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和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6.45〕。并且把横隔板作为支承在主梁上的双悬臂梁。那么每道横隔板在上悬梁的最大负弯矩为6.2横隔板截面板选择与强度计算其腹板选用与主梁腹板同高，采用，上翼缘可利用面板，下翼缘采用的扁钢。上翼缘可利用的面板的宽度按式确定，其中横隔板平均间距，按，从表6.1查得有效宽度系数，那么，取。 图6.1横隔板截面图计算如图6.1所示的截面几何特性。截面形心到腹板中心线的距离为截面惯性矩为截面模量为验算弯应力为由于横隔板截面高度较大，剪切强度更不必验算。横隔板冀缘焊缝采用最小焊缝厚度。7、纵向连接系设计7.1荷载和内力计算纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶自重可按附录10中的公〔附10.1〕计算下游纵向连接系承受纵向连接系视作简支平面桁架设计，其腹杆布置形式如图6.54所示，其结点荷载为杆件内力计算结果如图7.1所示。7.2斜杆截面计算斜杆承受最大拉力，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故其长细比的限值取与压杆相同，即。选用单角钢，由附表6.4查得截面面积回转半径斜杆计算长度图7.1纵向连接系计算图长细比验算拉杆强度为为考虑单角钢受力偏心影响，将容许应力降低15%进行验算。7.3斜杆与结点板的连接计算〔略〕8、边梁设计边梁的截面型式采用单腹式〔图6.55〕，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。边梁是闸门的主要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力值降低20%作为作为受扭影响的平安储藏。8.1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6.56。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，可假设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=441kN。2〕竖向荷载。有闸门自重、止水摩擦力、起吊力等。上滑块所受的压力下滑块所受的压力最大弯矩最大剪力最大轴向力为作用在一个边缘上的启吊力，估计为200kN〔详细计算见后面〕。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于启吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力。8.2边梁的强度验算截面面积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折算应力验算以上验算均满足强度要求。图8.1边梁截面图图8.2边梁计算9、行走支承设计胶木滑块计算位置如图8.2所示，下滑快受力最大，其值为。设滑块长度为350mm，那么滑块单位长度的支承压力为根据上述q值由6.2表得轨顶圆弧半径R=150mm，轨头设计宽度为b=35mm。胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按〔6.14〕式验算选定胶木滑道高30mm，宽120mm，长350mm。10、胶木滑块轨道设计〔图10.3〕10.1确定轨道底板宽度轨道底板宽度按混凝土承压强决定。根据混凝由附表9.2查得混凝土的容许承压应力为，那么所需的轨道底板宽度为故轨道底面压应力为10.2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式中，轨道底板的悬臂长度，对于钢，查得，故所需轨道底板厚度为图10.3胶木滑块支撑轨道截面图11、闸门启闭力和吊座计算11.1启闭力按下式计算其中闸门自重滑道摩擦阻力止水摩擦阻力因为橡皮止水与钢板间摩擦系数橡皮止水受压宽度取每边侧止水受压长度侧止水平均压强 故下吸力底止水橡皮采用Ⅰ110-16型，其规格为宽16㎜、长110㎜。底止水跨长8.4m.根据?刚闸门设计标准?启门时闸门底缘平均下吸强度一般按计算下吸力为 故闸门启门力为11.2闭门力按下式计算显然仅靠闸门自重是不能关闭的，由于该溢洪道闸门孔口较多，假设把闸门行走支承改为滚轮，那么边梁需由单腹式，加上增设滚轮等设备，那么总价增加较多。为此应考虑采用一个重量200的加载梁，再关闭时可以依次需要关闭的闸门加载下压关闭。加载梁的设计本章不予详述。11.3吊轴和吊耳板验算〔图11.1〕图11.1吊轴和吊耳板1).吊轴，采用Q235钢，查得，采用双吊点，每边起吊力为吊轴每边剪力需要吊轴截面积又故吊轴直径取吊轴直径为=80mm2).吊耳板强度验算。按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按式计算，查得Q235钢的，故在边梁腹板上端部的两侧各焊一块厚度