水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)露頂式平面鋼閘門設(shè)計(jì)

1、水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)題目：露頂式平面鋼閘門設(shè)計(jì)專業(yè)：水利水電工程姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：22設(shè)計(jì)資料閘門形式：溢洪道露頂式平面鋼閘門；孔口凈寬：0.00m;設(shè)計(jì)水頭：4.40m;結(jié)構(gòu)材料：Q244鋼；焊條：E44;MCS-2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 混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C20。2.2閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置圖1閘門主賈尺寸圖（單位：冊(cè)）P=I4S,黑琲從-=（：.（2）閘門尺寸的確定（圖2）2）閘門高度：考慮風(fēng)浪所產(chǎn)生的水位超高為0.2m，故閘門高度 =4.4+0.2=4.7m；2）閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L1 9m ；4）閘門計(jì)算跨度：L L。2d

2、9 2 0.2 9.40m ；（2）主梁的形式。主梁的形式應(yīng)根據(jù)水頭的大小和跨度大小而定，本閘門屬 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。（4）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(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)稱于水壓力合力的作用線 y H/31.83m （圖2）并要求下懸臂 a0.22H和a0.4m、上懸臂c0.44H且不大于4.6m,今取a 0.65 0.12H0.66m主梁間距2b 2( y a) 2.35m則 c H 2b a 5.5 2.35 0.65 2.5 0.45H (滿足要求)(4)梁格的布置和形式。梁格采用復(fù)式布置和等

3、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撐。 水平次梁為連續(xù)梁，其間距應(yīng)上疏下密，使面橫向隔板205(065235(0650邊梁I水平次梁頂梁膠木滑塊n主梁出IV水平次梁V主梁底梁2350601 194002350235012350730圖2.梁格布置尺寸圖(4)連接系的布置和形式。2)橫向連接系，根據(jù)主梁的跨度，決定布置 4道橫隔板，其間距為2.44m, 橫隔板兼做豎直梁。2)縱向連接系，設(shè)在兩個(gè)主梁下翼緣的豎直平面內(nèi)，采用斜杠式桁架(6)邊梁與行走支承。邊梁采用單腹式，行走支承采用膠木滑道2.4面板設(shè)計(jì)根據(jù)鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范(SL 74-04 )及2006修訂送審稿，關(guān)于面板的計(jì) 算

4、，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。(2)估算面板厚度。假定梁格布置尺寸如圖 2所示，面板厚度按下式計(jì)算t伸玄*0.9當(dāng) b/a4 時(shí)， =2.4，則 t 0.07a kp現(xiàn)列表2進(jìn)行計(jì)算。區(qū)格a(mm)b(mm)b/ak2p(N/ mm )t(mm)I244024402.420.4720.00660.0626.44n020:24402.440.4000.02040.0086.24:川77024404.040.4000.02870.2206.46IV60024404.400.4000.04670.2446.44V620:24404.840.400

5、0.04400.2486.44:48024404.880.7400.04020.2046.42表2面板厚度的估算注2 面板邊長(zhǎng)a、b都從面板與梁格的連接焊縫算起。2 區(qū)格1、切中系數(shù)k由三邊固定一邊簡(jiǎn)支板查得。 根據(jù)表2計(jì)算，選用面板厚度t=8mm(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 橫向拉力 P按下式計(jì)算，已知t=8mm,并且近似地取板中最大彎曲應(yīng)力max160N/mm2，則P 0.07t max 0.07 8 16089.6N/mm面板與主梁連接焊縫方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的剪力為VS2 I 0333450 580 8 2632 1064960000191N /mm面

6、板與主梁連接的焊縫厚度為22Whf P T /(.7 F): 2 289.6 191 /(.7 115)2.62mm面板與梁格連接焊縫取其最小厚度 hf 6mm2.4水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計(jì)(2)荷載與內(nèi)力計(jì)算。水平次梁和頂、底梁都是支承在橫隔板上的連續(xù)梁, 作用在它們上面的水平壓力1.45 14.2 1.45q pT，且 Ri2 1.633.11KN/m列表2計(jì)算后得q 240.22KN/m+4.22KN/m=242.42KN/m表2水平次梁、頂梁和底梁均布荷載的計(jì)算梁號(hào)梁軸線處水壓 力強(qiáng)度P（kN/mm）梁間距（ma上a下2(ma上a下q=p2 (kN/m)2（頂梁）2.60224.22

7、.42428.822.044 （上主梁）24.40.04424.400.86442.00.82026.640.76440.40.74440.200.746 （下主 梁）47.40.64040.400.447 （底 梁）42.00.47420.84根據(jù)上表計(jì)算，水平次梁計(jì)算荷載取 40.20KN/m,水平次梁為4跨連續(xù)梁， 跨度為2.44m （圖4 ）,水平次梁彎曲時(shí)的邊跨彎距為： M次中二 0.077ql 2=0.077 x 40.2 x 2.44 2=22.8kN?m支座B處的彎距：M次b= 0.207ql 2=0.207 x 40.2 x 2.44 2=27.8kN?m(2)截面選擇W=1

8、7.8 1061604111250 mm考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選24b,由附錄6.4表查得:經(jīng)濟(jì)梁高：hec 3.1W2/598.38cm。圖 面板參加水平 次梁工作后的組合 截面4I x=6000000mm b=60mm ; d=8mm 。24A=2242mm W x=87200mm面板參加次梁工作的有效寬度分別按式下式計(jì)算，然后取其中較小值。BB=B=梁間距三btZ 2bZ 2bb丄2c 60 60 8540mm（對(duì)跨中正彎距段）（對(duì)支座負(fù)彎距段）a 760 7302745mm 。2 210=0.81= 0.8 X 2440=2880mm對(duì)于支座負(fù)彎距段 根據(jù)la/b查表6

9、2:對(duì)于 10/b = 2880/744 = 2.424 得 Z 2= 0.78對(duì)于 10/b = 040/744 = 2.262 得 Z 2 = 0.464對(duì)于第一跨中正彎距段10=0.41 = 0.4 X 2440= 040mm。,得 B=Z 2b=482mm ,得 B=Z 2b=272mm ,對(duì)第一跨中選用B= 440mm則水平次梁組合截面面積（圖 4）:A=2242+44CX 8=6442mFn組合截面形心到槽鋼中心線得距離：540 8 74 “e=40mm ;6451跨中組合截面的慣性距及截面模量為：224I 次中=6000000+2242X40 +440X8X24 = 240048

10、20mm“139058202VUn=115882 mm1202對(duì)支座段選用B= 272mm則組合截面面積：A=2242+27X 8=4200mm;組合截面形心到槽鋼中心線得距離：271 8 74 一e=47mm4299支座初組合截面的慣性距及截面模量為：I 次b= 6000000+2242X 472+272X 8 X 47s = 22074442mmXA/ 119753312Win=111919mm(4)水平次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算由于支座B處(圖4)處彎距最大，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17.8 10226次=159N / mm 160N / mm ,111919說(shuō)明水平次

11、梁選用24b滿足要求。軋成梁的剪應(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支座處截面的彎距已經(jīng)求得M次B=27.8kN?m,則邊跨撓度可近似地按下式計(jì)ir-U5ql3M次b1l384El次16EI 次5 30.1 2350317.810623503842.065101390582016 2.0610513905820=0.00086 U0.004I 250故水平次梁選用24b滿足強(qiáng)度和剛度要求。(4)頂梁和底梁。頂梁所受的荷載較小，但考慮水面漂浮物的撞擊等影響, 必須加強(qiáng)頂梁的剛度，所以也采用24b。2.4主梁設(shè)計(jì)(2)設(shè)計(jì)資

12、料2)主梁跨度：凈跨(孔口凈寬)L。二0m ;計(jì)算跨度L二0.4m ;荷載跨度l1 =0m。2) 主梁荷載：q p/274.1kN4)橫向隔板間距：2.44m。4)主梁容許撓度：U=L/600。(2)主梁設(shè)計(jì)。2)截面選擇彎距和剪力彎距與剪力計(jì)算如下：彎距：Mmax74.1 9(9.42 ( 2 ql174.1 99)817kN m4剪力：Vm.,、c2 2 需要的截面模量 自重引起附加應(yīng)力的影響， 面模量為；6W=M max 817 10144 腹板高度選擇iax333.45kN已知Q244鋼的容許應(yīng)力(T =260N/mm2 ,考慮鋼閘門 取容許應(yīng)力(7= 0.9 160 144N/mm2

13、,則需要的截5674 cm3。按剛度要求的最小梁高(變截面梁)為:3.1 (5674)2/5L14494 10hmin 0.96 0.230.96 0.23787.05cm,EU/I2.06 107 1/600由于鋼閘門中的橫向隔板重量將隨主梁增高而增加，故主梁高度宜選得比 hec為小，但不小于hmin?，F(xiàn)選用腹板厚度ho = 00cm。 腹板厚度選擇tw . h/11. 90/110.86cm,選用 tw= 2.0cm。 翼緣截面選擇：每個(gè)翼緣需要截面為56741 9090648.04cm2,下翼緣選用t2 = 2.0cm (符合鋼板規(guī)格)，需要b A 24.0cm,取= 24cm,t1上翼

14、緣的部分截面積可利用面板，故只需設(shè)置較小的翼緣板同面板相連，選用 t2= 2.0cm，b2= 20cm 面板兼作主梁上翼緣的有效高度為B= b2+60S= 20+60X0.8 = 48cm。上翼緣截面面積 A=20X 2.0+48 X 0.8=66.4cm2。 彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算截面形心距：W Ay 9046.5643&m,A 206.4截面慣性距：1 twh0121Ay21.0 903249117309867cm412截面模量：上翼緣頂邊WminI3098677074.59cm3,y143.8下翼緣底邊WminI3098676075.8cm3,y251彎應(yīng)力：Mmax 817 100 13.44

15、6kN/cm2 0.9 16 14.4kN / cm2,安全Wmin6075.8表4主梁跨中截面的幾何性質(zhì)部位截面尺寸(cmX cm)截面 面積A(cmf)各型 心離面板 表面距離 y(cm)Ay(cni)各型 心離中和 軸距離y=y-y 2(cm)Ay2 (cm4)面 板部分48 X 0.846.40.428.46-44.4874707.28上 翼緣20X 2.0202.846-4244280腹板00 X 2.000.047.8440242440下24 X 2.04004.8460040224000翼緣合計(jì)206.40046.46240227整體穩(wěn)定性與撓度驗(yàn)算。因主梁上翼緣直接同面板相連，

16、可不必驗(yàn)算整體穩(wěn)定性，因梁高大于按剛度度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗(yàn)算。2）截面改變。因主梁跨度較大，為減小門槽寬度與支承邊梁高度（節(jié)約鋼 材），有必要將主梁承端腹板高度減小為h0 0.6h0 54cm。（圖6）梁高開(kāi)始改變的位置取在鄰近支承端的橫向隔板下翼緣的外側(cè)（圖7），離開(kāi)支承端的距離為244-20=224cm。剪切強(qiáng)度驗(yàn)算：考慮到主梁端部腹板及翼緣相焊接， 故可按工字截面梁驗(yàn)算應(yīng)力剪力強(qiáng)度。尺寸表4所示:412部位截面 尺寸（cmX cm）截面 面積A（cnf）各型 心離面板 表面距離 y（cm）Ay(cni)各型 心離中和 軸距離y=y-y 2（cm）Ay2 (cm4)面 板部

17、分48 X 0.846.40.428.46-26.442004.426上 翼緣20X 2.020.02.846-24.022400.2腹板44 X 2.044.020.82600.24.2428.04下 翼緣24 X 2.040.047.8280042.248460.4合計(jì)270.44444.7604474表4主梁端部截面的幾何性質(zhì)I01 54393374yi26.7cm106496cm50 31.1 30.1 130.1VmaxS 333.45 2008lotw106496 1.02008cm3,26.29kN /cm9.5kN / cm2,因誤差未超過(guò) 20%,安全4）翼緣焊縫 翼緣焊縫厚

18、度hf按受力最大的支承端截面計(jì)算。Vmax二444.44kN4I o=2O64O6cm,上翼緣對(duì)中和軸的面積距： S=46.4 X 26.4+20 X 24.0=2728.42cm4, 下翼緣對(duì)中和軸的面積距：S=40X 42.2 = 2444cm2,則氓仏 J f y41 5.344(h0 a)22350.9因?yàn)?0.80.02440=2246mm取B= 2200mm。計(jì)算如圖8所示截面幾何特性。截面形心到腹板中心線的距離:1200 8 454200 8 454e3=207mm截面慣性距:8 900128 900 19728 200 65128 1200 257242077576800 mm

19、截面模量為驗(yàn)算應(yīng)力：3Wmin3171873mm ,57.84 106317187365518.24N /mm2 ,160N/mm2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最小焊縫 厚度 hf = 6mm。2.7縱向連接系設(shè)計(jì)(2)荷載和內(nèi)力計(jì)算?？v向連接系承受閘門自重。露頂式平面鋼閘門門葉自 重1.430.88GkzKckgHB 9.81.430.880.81 1.0 0.13 5 5109.8 89.6KN下游縱向連接系承受 0.4G=44.84KN縱向連接系視作簡(jiǎn)支的平面桁架，其桁架腹板桿布置如圖0所示，其節(jié)點(diǎn)荷 載為 44.84/4=8.06KN桁架內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如

20、圖0所示。(2)斜杠截面計(jì)算。斜杠承受最大拉力N=(27.02-4.48 ), 2 =20KN同時(shí)考慮閘門偶然扭曲時(shí)可能承受壓力，故長(zhǎng)細(xì)比的限制值應(yīng)與壓桿相同，即200選用單角鋼匚200X8，由附表6.4查得截面面積 A=2460 mm2,回轉(zhuǎn)半徑iy19.8mm斜杠計(jì)算長(zhǎng)度|0 0.92.352 2.352 0.423m2長(zhǎng)細(xì)比by。驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度為3 100019.8151.5200319 1021012.2N/mm0.851560133N /mm2.8邊梁設(shè)計(jì)邊梁的截面形式采用單腹式，如圖 20,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

21、便于安裝 壓合膠木滑塊，下翼緣寬度不宜小于 400mm。邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，故在設(shè)計(jì)時(shí)將容許應(yīng)力值降低 20 %作為考慮受扭影響的安全儲(chǔ)備。r510rL4r3004圖10邊梁截面圖上主梁作用力333.45KN下主梁作用力333.45KNR1261.2kNR255 O53 2169.78kN.mM72.24KN圖11邊梁計(jì)算圖(2)荷載和內(nèi)力計(jì)算在閘門每側(cè)邊梁上各設(shè) 2個(gè)膠木滑塊，其布置如圖22:2)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 邊梁荷載為R= 444.44kN2)

22、豎向荷載。有閘門自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，啟吊力等。上滑塊所受壓力：333.45 2.353261.2kN ，下滑塊所受壓力:R2 2R r1405.7kN，最大彎矩max261.2 0.65169.78kN m,最大剪力Vmax 261.2kN ,最大軸向力作用于一個(gè)邊梁上的啟吊力，估計(jì)為 在最大彎矩作用截面上的軸向力，N 200 R f 200（2）邊梁強(qiáng)度驗(yàn)算截面面積面積矩截面慣性矩A 2Smax300 1414 3001012截面模量200kN （詳細(xì)計(jì)算簡(jiǎn)后面）。 等于啟吊力減去上滑塊的摩阻力，該軸向力為261.2 0.12168.66kN ,540277300101014138

23、00mm2,2702772I32731491.55mm。284截面邊緣最大應(yīng)力驗(yàn)算：N Mmax 168.66 103maxA W13800169.78 1062731491.55腹板最大剪應(yīng)力驗(yàn)算：Vmax Smaz261.2 103 1527900ItwI 10腹板與下翼緣連接處則算應(yīng)力驗(yàn)算：N Mmax y168.66 103A W y 13800VmaxS1261.2 103 300 14Itw10I1351527900mm3,775743600 mm4,274.4 N /mm251.45N / mm169.78 1062731491.552770.82702840.8 0.8 160

24、128N/mm20.8 95 76N/mm2,39.2N /mm2，2h . 2 3 2. 71.32 3 39.2298.4N/mm2 0.8以上驗(yàn)算均滿足強(qiáng)度要求2.0行走支承設(shè)計(jì)271.3N / mm ,0.8 160 128N/mm2r2 = 404.7kN。405 7103設(shè)滑塊長(zhǎng)度為424mm則滑塊單位長(zhǎng)度承受壓力為q1248N/mm,325由表查得軌頂弧面半徑 R=240mm軌頭設(shè)計(jì)寬度為b = 44mm膠木滑塊與規(guī) 定弧面的接觸應(yīng)力驗(yàn)算：膠木滑塊計(jì)算：滑塊位置如圖22下滑塊受力最大，起值為max 104 R選定膠木高40mm寬220mm長(zhǎng)424mmq 300N / mm2 j5

25、00N / mm2。2.20 膠木滑塊軌道設(shè)計(jì)(圖 22)(2)確定軌道底板寬度bR=150482.53582.5Bk= 200圖12膠木滑塊支承軌道截面圖軌道底板寬度按砼承壓強(qiáng)度 確定，查表得：砼C20允許承壓應(yīng)力為c = 7N/mm2,則所需軌道底板寬度為:Bn 汙哼 178.29mm 取 Bh=200mm故軌道底面壓應(yīng)力:124820026.24N /mm(2)確定軌道底版厚度軌道底板厚度S按其彎曲強(qiáng)度確定，軌道底版的最大彎應(yīng)力:23 n軌道底板懸臂長(zhǎng)度 C= 82.4mm對(duì)于A4查表得c = 200N/mm2, 故: t , 3 nC3_6.24 82.535.7mm, 故 t = 40mm。 1002.22閘門啟閉力和吊座驗(yàn)算(2)啟門力：T 啟=2.2G+2.2(T2d+s)+PxG=80.6KN滑道摩阻力：T2d fp 0.12 148.225 9 160.083kN,止水摩阻力：T2s 2fbHp 2 0.65 0.06 5.5 26.9511.56kN.因橡皮止水與鋼板間摩擦系數(shù)f二0.64 ,橡皮止水受壓寬度取為b = 0.06m,每邊側(cè)止水受壓長(zhǎng)度H= 4.4m ,側(cè)止水