鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)露頂式平面鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)

1、鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)題目：露頂式平面鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)一.工程概況： 閘門(mén)是用來(lái)關(guān)閉、開(kāi)啟或者局部開(kāi)啟水工建筑物中過(guò)水孔口的活動(dòng)結(jié)構(gòu)。其主要作用是控制水位、調(diào)節(jié)流量。閘門(mén)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(gè)水工建筑物的原行效果。二.設(shè)計(jì)資料閘門(mén)形式：溢洪道露頂式平面鋼閘門(mén)；孔口凈寬：9.00m；設(shè)計(jì)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(qiáng)度等級(jí)：c20。三.閘門(mén)結(jié)構(gòu)形式與布置 （一）閘門(mén)尺寸的確定（圖一）1.閘門(mén)高度：考慮風(fēng)浪產(chǎn)生水位超高為0.2m,故閘門(mén)高度=5.5+0.2=5.7（

2、m）;2.閘門(mén)的荷載跨度為兩側(cè)止水的距離：=9m;3.閘門(mén)計(jì)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(mén)屬于中等跨度，為了方便制造和維護(hù)，決定采用實(shí)腹式組合梁。（三）主梁的布置。根據(jù)閘門(mén)的高跨比，決定采用雙主梁。為使兩個(gè)主梁設(shè)計(jì)水位時(shí)所受的水壓力相等，兩個(gè)主梁的位置應(yīng)對(duì)稱(chēng)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(fù)式布置和等高連接，水平次梁穿過(guò)橫隔板上的預(yù)留孔并被橫隔板所支承。水平次梁為連續(xù)梁，其間應(yīng)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(shè)在兩個(gè)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(shè)計(jì)根據(jù)sl74-95水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范修訂送審稿，關(guān)于面板的計(jì)算，先估算面板厚度，在主梁截面選擇之后再驗(yàn)算面板的局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)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(jì)算，其中0.9-面板參加貯量工作需要保留一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)；-彈塑性調(diào)整系數(shù)，當(dāng)b/a3時(shí)，=1.，當(dāng)b/

4、a3時(shí)，=1.；-鋼材的抗彎容許應(yīng)力，以n/mm計(jì)則初取 t=a；當(dāng)b/a3時(shí)，a=1.5，則t=a=0.068a當(dāng)b/a3時(shí)，a=1.4,則t=a=0.07a現(xiàn)列表一表示計(jì)算結(jié)果如下：面板厚度的估計(jì)（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(jì)算，選用面板厚度t=7mm。2、面板與梁格的連接計(jì)算面板局部撓曲時(shí)產(chǎn)生的垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫拉力p按照p=0.07t計(jì)算，其中表示厚度為（mm）的面板中最大彎應(yīng)力，計(jì)算時(shí)候可以采取，因?yàn)橐呀?jīng)求知面板厚度t=7mm,并且近似地取板中最大彎應(yīng)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(zhǎng)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(yīng)小于6mm確定，公式中的表示角焊縫容許剪應(yīng)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(shè)計(jì)1、荷載與內(nèi)力計(jì)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(jì)算。其中p表示次梁軸線處的水壓強(qiáng)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(jì)算結(jié)果如下：梁間距 水平次梁、頂梁和底梁均布荷載的計(jì)算表（表二）梁號(hào)梁軸線處水壓強(qiáng)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(jì)算，水平次梁計(jì)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(shí)的邊跨跨中彎矩為： =0.077ql2=0.077x30.43x=12.9(kn.m)支座b處的負(fù)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(jì)算，然后取其中最小值。（1）考慮面板兼作梁翼緣在受壓時(shí)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(yīng)力分布不均二折算的有效高度b=1b( 對(duì)跨間正彎矩段）；b=2b(對(duì)支座負(fù)彎矩段）；按5號(hào)梁計(jì)算，設(shè)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(shí)，需要知道梁彎矩零點(diǎn)之間的距離l0與梁間距b之比值。對(duì)于第一跨中正彎矩段取l0=0.8l=0.82350=1880mm;對(duì)于支座負(fù)彎矩段取l0=0.4l=0.42350=940mm.根據(jù)l0/b查表得： 對(duì)于l0/b=1880/755=2.490得1=0.78則b=1b=0.78755=589mm 對(duì)于l0/b=940/755=1.245得2=0.490則 b=2b=0.490

9、755=370mm對(duì)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(duì)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(qiáng)度驗(yàn)算 由于支座b（圖三）處彎矩最大，而截面模量較小，故只需驗(yàn)算支座b處截面的抗彎強(qiáng)度，即： =17.98106/156954=114.6n/mm2=160n/mm2說(shuō)明水平次梁選用16b槽鋼滿(mǎn)足要求。 同時(shí)扎成梁的剪應(yīng)力一般很小，可不必驗(yàn)算。4、水平次梁的撓度驗(yàn)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(jì)算： =- =- =0.00063=0.004故水平次梁選用16b

11、槽鋼滿(mǎn)足強(qiáng)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(qiáng)頂梁剛度，所以也采用16b槽鋼。六.主梁設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)資料 （1）.主梁跨度（圖5）凈寬l0=9.00m;計(jì)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(shè)計(jì)主梁設(shè)計(jì)包括：截面選擇；梁高改變；翼緣焊縫；腹板局部穩(wěn)定驗(yàn)算；面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力計(jì)算。1）.截面選擇（1）彎矩與剪力。彎矩與剪力計(jì)算如下： mmax=817kn； (2)需要的截面模量。已知q235鋼的容許應(yīng)力=16

12、0kn/mm2， 考慮鋼閘門(mén)自重引起的附加應(yīng)力作用，取容許應(yīng)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(duì)于變截面梁的經(jīng)濟(jì)梁高，he=3.1w2/5=3.156742/5=98cm.由于鋼閘門(mén)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(yàn)公式計(jì)算： tw=0.90cm,選用 tw=1.0cm.(5) 翼緣截面選擇。每個(gè)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(shè)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(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。主梁跨中截面（見(jiàn)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(jì)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(yīng)力：（7） 整體穩(wěn)定性與撓度驗(yàn)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(yàn)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(yàn)算。2） .截面改變 因主梁跨度較大，為減小門(mén)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(kāi)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(kāi)支承段的距離為235-10=225cm. 剪切強(qiáng)度驗(yàn)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(lái)驗(yàn)算剪應(yīng)力強(qiáng)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(jì)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(yīng)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(jì)算。最大剪力vmax=333kn.截面慣性矩i=115273cm.上翼緣對(duì)中和軸的面積矩 s=39.229.8+2828.4=1963(cm3).下翼緣對(duì)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(yàn)算。加勁肋的布置為,故需設(shè)置橫向加勁肋，以保證腹板的局部穩(wěn)定性。因閘門(mén)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(jiàn)圖。梁高與彎矩都較大的區(qū)格 可按式驗(yàn)算：區(qū)格左邊及右邊截面的剪應(yīng)力v左=333-74.1（4.5-2.35）=174kn；v右=0截面的平均剪應(yīng)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(yīng)力為計(jì)算=160n/計(jì)算，由于區(qū)格長(zhǎng)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(wú)局部壓應(yīng)力)。滿(mǎn)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?gòu)募袅ψ畲蟮膮^(qū)格1來(lái)考慮：該區(qū)格的腹板平均高度，因，不必驗(yàn)算，故在梁高減小

18、的區(qū)格1內(nèi)也不必另設(shè)橫向加勁肋。5） .面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力的驗(yàn)算。從上述的面板計(jì)算可見(jiàn)，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(zhǎng)邊中點(diǎn)應(yīng)力也較大，所以選取4（圖2）按下式驗(yàn)算長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力。面板區(qū)格4長(zhǎng)邊中點(diǎn)的局部彎曲應(yīng)力為對(duì)應(yīng)于面板區(qū)格4長(zhǎng)邊中點(diǎn)的主梁彎矩（圖5）和彎應(yīng)力為面板區(qū)格iv的長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力為上式中、和的取值均以拉應(yīng)力為正號(hào)，壓應(yīng)力為負(fù)號(hào)。故面板厚度選用7m,滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。七.橫隔板設(shè)計(jì)1、荷載和內(nèi)力計(jì)算。橫隔板同時(shí)兼作豎直次梁，它主要承受水平次梁、頂梁和底梁傳來(lái)的集中荷載以及面板傳來(lái)的分布荷載，計(jì)算時(shí)可把這些荷載用以三角形

19、分布的水壓力來(lái)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(qiáng)度計(jì)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(jì)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(yàn)算彎應(yīng)力為由于橫隔板截面高度較大，剪切強(qiáng)度更不必驗(yàn)算。橫隔板翼緣焊縫采用。八.縱向連接系設(shè)計(jì)1、荷載和內(nèi)力計(jì)算。向連接系承受閘門(mén)自重。露頂式平面鋼閘門(mén)葉自重g按附錄10中的式計(jì)算下游縱向連接系承受縱向連接系視作簡(jiǎn)支的平面桁架，其桁架

20、腹板桿布置如圖10所示，其節(jié)點(diǎn)荷載為桿件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖10所示。2、斜桿截面計(jì)算。桿承受最大拉力n=17.33kn，同時(shí)考慮閘門(mén)偶然扭曲時(shí)可能承受壓力，故長(zhǎng)系比的限制值應(yīng)與壓桿相同，即。選用單角鋼，由附表6.4查得斜桿計(jì)算長(zhǎng)度長(zhǎng)細(xì)比驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度為考慮單角鋼受力偏心的影響，將容許應(yīng)力降低15%進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。斜桿與結(jié)點(diǎn)的連接計(jì)算（略）。九.邊梁設(shè)計(jì)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(jiàn)圖11。邊梁是閘門(mén)的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，故在設(shè)計(jì)時(shí)可將容許

21、應(yīng)力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲(chǔ)備。1、荷載和內(nèi)力計(jì)算。在閘門(mén)每側(cè)邊梁上各設(shè)兩個(gè)膠木滑塊。其布置尺寸見(jiàn)圖12。 1）水平荷載。主要是主梁傳來(lái)的水平荷載，還有水平次梁和頂、底梁傳來(lái)的水平荷載。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)。可假定這些荷載由主梁傳給邊梁。每個(gè)邊梁作用于邊梁的荷載為r=333kn。2）豎向荷載。有閘門(mén)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(gè)邊梁上的啟吊力，估計(jì)為200kn。在最大彎矩作用截面上的軸力為。2、邊梁的強(qiáng)度驗(yàn)算。截面面積面積矩截面慣性矩截面模量截面邊緣最大應(yīng)力驗(yàn)算腹板最大剪應(yīng)力驗(yàn)算腹板與下翼緣連接處折算應(yīng)力驗(yàn)算以上驗(yàn)算均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。十.行走支梁設(shè)計(jì)膠木滑塊的計(jì)算：滑塊位置如圖所示，下滑塊受力最大，其值為r2=479kn。設(shè)滑塊長(zhǎng)度為300mm，則滑塊單位長(zhǎng)度的承壓力為由所計(jì)算的q，查表6.2得軌道頂圓狐半徑r=150mm, 軌頭設(shè)計(jì)寬度為b=35mm。膠木滑道與