鋼結(jié)構(gòu)課程設計露頂式平面鋼閘門設計

1、鋼結(jié)構(gòu)課程設計題目：露頂式平面鋼閘門設計一.工程概況： 閘門是用來關閉、開啟或者局部開啟水工建筑物中過水孔口的活動結(jié)構(gòu)。其主要作用是控制水位、調(diào)節(jié)流量。閘門是水工建筑物的重要組成部分，它的安全與適用，在很大程度影響著整個水工建筑物的原行效果。二.設計資料閘門形式：溢洪道露頂式平面鋼閘門；孔口凈寬：9.00m；設計水頭：5.50m；結(jié)構(gòu)材料：q235鋼；焊條：e43；止水橡皮：側(cè)止水用p形橡皮；行走支承：采用膠木滑道，壓合膠木為mcs-2；混凝土強度等級：c20。三.閘門結(jié)構(gòu)形式與布置 （一）閘門尺寸的確定（圖一）1.閘門高度：考慮風浪產(chǎn)生水位超高為0.2m,故閘門高度=5.5+0.2=5.7（

2、m）;2.閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的距離：=9m;3.閘門計算跨度：=+2d=9+20.2=9.40（m）;(二) 主梁的形式主梁的形式根據(jù)水頭的大小和跨度大小決定，本閘門屬于中等跨度，為了方便制造和維護，決定采用實腹式組合梁。（三）主梁的布置。根據(jù)閘門的高跨比，決定采用雙主梁。為使兩個主梁設計水位時所受的水壓力相等，兩個主梁的位置應對稱于水壓力合力的作用線（圖一）并要求下懸臂和、上懸臂，今取 主梁間距則 （四）梁格的布置和形式 梁格采用復式布置和等高連接，水平次梁穿過橫隔板上的預留孔并被橫隔板所支承。水平次梁為連續(xù)梁，其間應上疏下密，使面板各區(qū)格所需要的厚度大致相等，梁格布局具體的尺寸如圖二

3、。（五）連接系的布置和形式（1） 橫向聯(lián)接系，根據(jù)主梁的跨度，決定布置3道隔板，其間距為2.346m,橫隔板兼作豎直次梁。（2）縱向聯(lián)接系，設在兩個主梁下翼緣的豎平面內(nèi)，采用斜桿式桁架。5.邊梁與行走支承邊梁采用單腹式，行走支承采用膠木滑道，壓合膠木為msc-2。四.面板設計根據(jù)sl74-95水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范修訂送審稿，關于面板的計算，先估算面板厚度，在主梁截面選擇之后再驗算面板的局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力。1、估算面板厚度假定梁格布置如圖二所示。面板厚度按公式t（mm）計算，其中0.9-面板參加貯量工作需要保留一定的強度儲備系數(shù)；-彈塑性調(diào)整系數(shù)，當b/a3時，=1.，當b/

4、a3時，=1.；-鋼材的抗彎容許應力，以n/mm計則初取 t=a；當b/a3時，a=1.5，則t=a=0.068a當b/a3時，a=1.4,則t=a=0.07a現(xiàn)列表一表示計算結(jié)果如下：面板厚度的估計（表一）區(qū)格a(mm)b(mm)b/akp()t(mm) 150023401.560.5800.0060.0596.02 92023402.540.5000.0190.0976.07 78023403.000.5000.0280.1186.26 70023403.340.5000.0370.1366.66 62023403.770.5000.0440.1486.42 49023404.780.75

5、00.0510.1966.72 根據(jù)上表計算，選用面板厚度t=7mm。2、面板與梁格的連接計算面板局部撓曲時產(chǎn)生的垂直于焊縫長度方向的橫拉力p按照p=0.07t計算，其中表示厚度為（mm）的面板中最大彎應力，計算時候可以采取，因為已經(jīng)求知面板厚度t=7mm,并且近似地取板中最大彎應力=160 則 p=0.07t=0.07x7x160=78.4（/mm）面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)的剪力： t=又面板與主梁連接的焊縫厚度可以近視的按照（0.7）和不應小于6mm確定，公式中的表示角焊縫容許剪應力，于是（0.7）面板與梁格連接焊縫最小厚度=6mm。五.水平次梁，頂梁和底梁的設計1、荷載與內(nèi)力計算

6、水平次梁和頂?shù)琢憾际侵С性诟舭迳系倪B續(xù)梁，作用在它們上面的水壓力按 q=p計算。其中p表示次梁軸線處的水壓強度；分別表示水平次梁軸線到上、下相鄰梁之間的距離?，F(xiàn)列表二表示計算結(jié)果如下：梁間距 水平次梁、頂梁和底梁均布荷載的計算表（表二）梁號梁軸線處水壓強度p(kn/ m)梁間距（m）q=p(kn/m)備注1（頂梁）1.58214.01.31018.341.043（上主梁）24.20.95523.110.87432.70.82026.810.77540.30.75530.430.746（下主梁）47.50.64530.640.557（底梁）52.90.40021.16根據(jù)表二計算，水平次梁計算荷

7、載取q=30.43kn/m, 水平次梁為四跨連續(xù)梁，跨度為l=2.35m.如圖3所示。水平次梁彎曲時的邊跨跨中彎矩為： =0.077ql2=0.077x30.43x=12.9(kn.m)支座b處的負彎矩為： =0.107ql2=0.107x30.43x=17.98(kn.m)2、 截面選擇w=考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選槽鋼16b.由表查得： a=2515； =116800; =9350000；=65mm; d=8.5mm。面板參加次梁工作有效寬度按下式計算，然后取其中最小值。（1）考慮面板兼作梁翼緣在受壓時不致喪失穩(wěn)定而限制的有效高度b+2c=+60t=65+60x7=485mm

8、（2）考慮面板沿寬度上應力分布不均二折算的有效高度b=1b( 對跨間正彎矩段）；b=2b(對支座負彎矩段）；按5號梁計算，設梁間距b=(b1+b2)/2=(770+740)/2=755mm.確定上式中面板的有效寬度系數(shù)時，需要知道梁彎矩零點之間的距離l0與梁間距b之比值。對于第一跨中正彎矩段取l0=0.8l=0.82350=1880mm;對于支座負彎矩段取l0=0.4l=0.42350=940mm.根據(jù)l0/b查表得： 對于l0/b=1880/755=2.490得1=0.78則b=1b=0.78755=589mm 對于l0/b=940/755=1.245得2=0.490則 b=2b=0.490

9、755=370mm對于第一跨中彎矩選用b=485mm，則水平次梁組合截面面積（如圖4）為： a=2115+4857=5910mm2組合截面形心到槽鋼中心線的距離為： e=(485783.5)/5910=48mm跨中組合截面的慣性矩及截面模量為： i次中=9350000+2515482+485735.53=19423109mm4 wmin=19423109/128=151743mm2對支座段選用b=370mm.則組合截面面積：a=2515+3707=5105mm2組合截面形心到槽鋼中心線的距離：e=(370783.5)/5105=42mm.支座處組合截面的慣性矩及截面模量：i次b=9350000

10、+2515422+370745.52=19148408mm4 wmin=19148408/122=156954mm23、水平次梁的強度驗算 由于支座b（圖三）處彎矩最大，而截面模量較小，故只需驗算支座b處截面的抗彎強度，即： =17.98106/156954=114.6n/mm2=160n/mm2說明水平次梁選用16b槽鋼滿足要求。 同時扎成梁的剪應力一般很小，可不必驗算。4、水平次梁的撓度驗算受均布荷載的等跨連續(xù)梁，最大撓度發(fā)生在邊跨，由于水平次梁在b支座處，截面的彎矩已經(jīng)求得m次b=9.21knm,則邊跨撓度可近似地按下式計算： =- =- =0.00063=0.004故水平次梁選用16b

11、槽鋼滿足強度和剛度要求。4、 頂梁和底梁頂梁所受荷載較小，但考慮水面漂浮物的撞擊等影響，必須加強頂梁剛度，所以也采用16b槽鋼。六.主梁設計1、設計資料 （1）.主梁跨度（圖5）凈寬l0=9.00m;計算跨度l=9.4m；荷載跨度l1=9m. （2）.主梁荷載q=74.1kn/m. （3）.橫向隔間距：2.35m。 （4）.主梁容許撓度：=l/600 2、主梁設計主梁設計包括：截面選擇；梁高改變；翼緣焊縫；腹板局部穩(wěn)定驗算；面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力計算。1）.截面選擇（1）彎矩與剪力。彎矩與剪力計算如下： mmax=817kn； (2)需要的截面模量。已知q235鋼的容許應力=16

12、0kn/mm2， 考慮鋼閘門自重引起的附加應力作用，取容許應力=0.9160=144n/mm2,則需要的截面模量為 w=5674cm2.(3)腹板高度選擇。按剛度要求的最小梁高（變截面梁）為： min=0.960.23=0.960.23=87.1cm對于變截面梁的經(jīng)濟梁高，he=3.1w2/5=3.156742/5=98cm.由于鋼閘門中的橫向隔板重量將隨主梁增高而增高，故主梁高度宜選得比he小，但不小于min，現(xiàn)選用腹板高度h0=97cm.(4) 腹板厚度選擇。按經(jīng)驗公式計算： tw=0.90cm,選用 tw=1.0cm.(5) 翼緣截面選擇。每個翼緣需要截面為： a1=cm下翼緣選用 t1

13、=2.0cm(符合鋼板規(guī)格）需要b1=,選用b1=22cm（).上翼緣的部分截面可利用面板，故只需設置較小的上翼緣板同面板相連，選用t1=2.0cm,b1=14cm.面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為：b=b1+60t=14+600.7=56cm.上翼緣截面積142.0560.767.2（）彎應力強度驗算。主梁跨中截面（見圖)的幾何特性如下表：主梁跨中界面的幾何特性（表）部位截面尺寸(cmcm)截面面積a（）各形心離面板表面距離（cm）a()各形心離中和軸距離a（）面板部分56*0.739.20.3513.7-48.792970上翼緣板14*2.028.01.747.6-47.362644腹板9

14、7*1.09751.249662.2469下翼緣2*2.044.0100.8443551.7117607合計208.29462273690 截面形心矩：y1=截面慣性矩： =349746（cm4）截面抵抗矩：上翼緣頂邊wmax=.下翼緣底邊： wmax=彎應力：（7） 整體穩(wěn)定性與撓度驗算 因主梁上翼緣直接同鋼板相連，按規(guī)范規(guī)定可不必驗算整體穩(wěn)定性。又因梁高大于剛度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗算。2） .截面改變 因主梁跨度較大，為減小門槽寬度和支承邊梁高度（節(jié)省鋼材），有必要將主梁支承段腹板高度寬度減小h0s=0.6h0=0.697=58cm（圖）。梁高開始改變的位置取在臨近支承段的橫

15、向隔板下翼緣的外側(cè)（圖），離開支承段的距離為235-10=225cm. 剪切強度驗算：考慮到主梁段部的腹板及翼緣部分分別同支承邊梁的腹板及翼緣相焊接，故可按工字鋼截面來驗算剪應力強度。主梁支承端截面的幾何特性如下表。以及變截面后的尺寸。主梁端部界面的幾何特性（表）部位截面尺寸（cm*cm)a(cm2)y,(cm)ay,(cm3)y=y,-y1(cm)ay2(cm3)面板部分56x0.739.20.3513.7-29.834811上翼緣板14x2.028.01.747.6-28.422584腹板58x1.058.031.718391.6149下翼緣板22x2.044.060.8267530.74

16、1470合計169.2457699014截面形心距：y1.截面慣性矩：。截面下半部中和軸的面積矩：s=4430.7+29.71.0。剪應力：。（安全）。3).翼緣焊縫 翼緣焊縫厚度hf按受力最大的支承端截面計算。最大剪力vmax=333kn.截面慣性矩i=115273cm.上翼緣對中和軸的面積矩 s=39.229.8+2828.4=1963(cm3).下翼緣對中和軸的面積矩 s=4431.6=13901.5全梁的上下翼緣焊縫都采用hf=8mm.4).腹板的加勁肋和局部穩(wěn)定驗算。加勁肋的布置為,故需設置橫向加勁肋，以保證腹板的局部穩(wěn)定性。因閘門已布置橫向隔板可兼作橫加勁肋，其間距a=235cm.

17、腹板區(qū)格劃分見圖。梁高與彎矩都較大的區(qū)格 可按式驗算：區(qū)格左邊及右邊截面的剪應力v左=333-74.1（4.5-2.35）=174kn；v右=0截面的平均剪應力為區(qū)格左邊及右邊截面上的彎矩分別為m左=333x2.35-74.1x=611（kn/m）.m左=817knm該區(qū)格截面的平均彎矩為 m=（611+817）/2=714knm.該區(qū)的平均彎應力為計算=160n/計算，由于區(qū)格長短邊之比為2.35/0.971.0,則則 將以上數(shù)據(jù)代入公式有 (這里無局部壓應力)。滿足局穩(wěn)要求，故在橫隔板之間（區(qū)格2）不必橫向加勁肋。再從剪力最大的區(qū)格1來考慮：該區(qū)格的腹板平均高度，因，不必驗算，故在梁高減小

18、的區(qū)格1內(nèi)也不必另設橫向加勁肋。5） .面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力的驗算。從上述的面板計算可見，直接與主梁相鄰的面板區(qū)格，只有區(qū)格4所需要的板厚較大，這意味著該區(qū)格的長邊中點應力也較大，所以選取4（圖2）按下式驗算長邊中點的折算應力。面板區(qū)格4長邊中點的局部彎曲應力為對應于面板區(qū)格4長邊中點的主梁彎矩（圖5）和彎應力為面板區(qū)格iv的長邊中點的折算應力為上式中、和的取值均以拉應力為正號，壓應力為負號。故面板厚度選用7m,滿足強度要求。七.橫隔板設計1、荷載和內(nèi)力計算。橫隔板同時兼作豎直次梁，它主要承受水平次梁、頂梁和底梁傳來的集中荷載以及面板傳來的分布荷載，計算時可把這些荷載用以三角形

19、分布的水壓力來代替（圖1），并且把橫隔板作為支撐在主梁上的雙懸臂梁。則每片橫隔板在上懸臂的最大彎矩為2、橫隔板截面選擇和強度計算。其腹板選用與主梁腹板同高，采用970，上翼緣利用面板，下翼緣采用的扁鋼，上翼緣可利用面板的寬度按確定，其中b=2350mm，按，從表6.1查得有效寬度系數(shù)。計算如圖9所示的截面幾何特性。截面形心到腹板中心線的距離為截面慣性矩為截面模量為驗算彎應力為由于橫隔板截面高度較大，剪切強度更不必驗算。橫隔板翼緣焊縫采用。八.縱向連接系設計1、荷載和內(nèi)力計算。向連接系承受閘門自重。露頂式平面鋼閘門葉自重g按附錄10中的式計算下游縱向連接系承受縱向連接系視作簡支的平面桁架，其桁架

20、腹板桿布置如圖10所示，其節(jié)點荷載為桿件內(nèi)力計算結(jié)果如圖10所示。2、斜桿截面計算。桿承受最大拉力n=17.33kn，同時考慮閘門偶然扭曲時可能承受壓力，故長系比的限制值應與壓桿相同，即。選用單角鋼，由附表6.4查得斜桿計算長度長細比驗算拉桿強度為考慮單角鋼受力偏心的影響，將容許應力降低15%進行強度計算。斜桿與結(jié)點的連接計算（略）。九.邊梁設計邊梁的截面形式采用單腹式，邊梁的截面尺寸按構(gòu)造要求確定，即截面高度與主梁端部高度相同，腹板厚度與主梁腹板厚度相同，為了便于安裝壓合膠木滑塊，下翼緣寬度不宜小于300mm。邊梁截面圖見圖11。邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復雜，故在設計時可將容許

21、應力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲備。1、荷載和內(nèi)力計算。在閘門每側(cè)邊梁上各設兩個膠木滑塊。其布置尺寸見圖12。 1）水平荷載。主要是主梁傳來的水平荷載，還有水平次梁和頂、底梁傳來的水平荷載。為了簡化起見。可假定這些荷載由主梁傳給邊梁。每個邊梁作用于邊梁的荷載為r=333kn。2）豎向荷載。有閘門自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、啟吊力等。上滑塊所受的壓力下滑快所受的壓力最大彎矩最大剪力最大軸向力為作用在一個邊梁上的啟吊力，估計為200kn。在最大彎矩作用截面上的軸力為。2、邊梁的強度驗算。截面面積面積矩截面慣性矩截面模量截面邊緣最大應力驗算腹板最大剪應力驗算腹板與下翼緣連接處折算應力驗算以上驗算均滿足強度要求。十.行走支梁設計膠木滑塊的計算：滑塊位置如圖所示，下滑塊受力最大，其值為r2=479kn。設滑塊長度為300mm，則滑塊單位長度的承壓力為由所計算的q，查表6.2得軌道頂圓狐半徑r=150mm, 軌頭設計寬度為b=35mm。膠木滑道與