水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計

1、水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計題目：露頂式平面鋼閘門設(shè)計專業(yè)：水利水電工程姓名：班級：學(xué)號：指導(dǎo)老師：二年月日2.2設(shè)計資料閘門形式：溢洪道露頂式平面鋼閘門；孔口凈寬： 0.00m；設(shè)計水頭： 4.40m；結(jié)構(gòu)材料： Q244 鋼；焊條： E44；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： C20。2.2閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置（ 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：L9m ；14）閘門計算跨度：LL0 2d 9

2、 2 0.2 9.40 m ；（ 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。為使兩個主梁設(shè)計水位時所受的水壓力相等，兩個主梁的位置應(yīng)對稱于水壓力合力的作用線y H / 3 1.83m （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a0.650.12H0.66m主梁間距2b2( ya)2.35m則cH2ba5.52.350.652.50.45H ( 滿足要求 )（ 4）梁格的布置和形式。 梁格采用復(fù)式布置和等高

3、連接， 水平次梁穿過橫隔板上的預(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， 使面板各區(qū)格需要0的厚度大致相等，梁格布置具體尺寸如圖2004151橫隔板07 02 水平次梁0 94 0017主梁7 0907 60 014 601 8401橫向隔板頂梁邊梁2050水平次梁膠木滑塊主梁650水平次梁23502 所示。072053205605006105010075860760主梁650底梁23502350235023509400圖 2.梁格布置尺寸圖730550001（ 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

4、做豎直梁。2）縱向連接系，設(shè)在兩個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)計根據(jù)鋼閘門設(shè)計規(guī)范 （SL 74-04 ）及 2006 修訂送審稿，關(guān)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(yīng)力。（ 2）估算面板厚度。假定梁格布置尺寸如圖2 所示，面板厚度按下式計算tkpa0.9當(dāng) b / a 4 時，=2.4 ，則 t0.068akp當(dāng) b / a 4 時，=2.4 ，則 t0.07akp現(xiàn)列表 2 進(jìn)行計算。表 2面板厚度的估算區(qū)格a(mm)b(mm)b/akp(N/ m

5、m2 )kpt(mm)244024402.420.4720.00660.0626.4402024402.440.4000.02040.0086.2477024404.040.4000.02870.2206.4660024404.400.4000.04670.2446.4462024404.840.4000.04400.2486.4448024404.880.7400.04020.2046.42注 2 面板邊長 a、 b 都從面板與梁格的連接焊縫算起。2區(qū)格、中系數(shù) k 由三邊固定一邊簡支板查得。根據(jù)表 2 計算，選用面板厚度 t=8mm。（ 2）面板與梁格的連接計算。 面板局部撓曲時產(chǎn)生的垂直

6、于焊縫長度方向的橫向拉力P 按下式計算，已知t=8mm，并且近似地取板中最大彎曲應(yīng)力max160N /2 ，則mmP 0.07tmax0.07816089.6 N /面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)的剪力為mmVS333450 580 8263NmmT191 /2 I 02 1064960000面板與主梁連接的焊縫厚度為22W22hf PT /( 0.7F )89.6191 /(0.7 115) 2.62 mm面板與梁格連接焊縫取其最小厚度hf6mm.。2.4水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計（ 2）荷載與內(nèi)力計算。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1.4514.2

7、1.45q p a上2a下 ，且 R121.633.11KN / m列表 2 計算后得q240.22KN/m+4.22KN/m=242.42KN/m表 2水平次梁、頂梁和底梁均布荷載的計算梁軸線處水壓a上a下q=p a上a下梁號力強(qiáng)度 P2梁間距（ m）22（kN/mm）（m）(kN/m)2( 頂梁)2.60224.22.42428.822.044（上主梁）24.40.04424.400.86442.00.82026.640.76440.40.74440.200.746（下主47.40.64040.40梁）0.447 （ 底42.00.47420.84梁）根據(jù)上表計算，水平次梁計算荷載取40.

8、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 的 邊 跨 彎 距 為 :M 次中0.077ql 2=0.077 40.2 2.44 2=22.8kN?m支座 B 處的彎距：M次 B0.207ql 2=0.207 40.2 2.44 2=27.8kN?m(2) 截面選擇M17.8 1064W=160111250mm 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：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;Wx =87200mm;面板參

9、加次梁工作的有效寬度分別按式下式計算，然后取其中較小值。B bt 2c 60 60 8 540mmB= 2b ( 對跨中正彎距段 )B= 2b （對支座負(fù)彎距段） 。梁間距 b= b1b2760 730mm 。對于第一跨中正彎距段22745l 0=0.8 l= 0.8 2440=2880mm; 對于支座負(fù)彎距段l 0=0.4 l 0.4 2440040mm。根據(jù) l 0/b 查表 62：對于 l 0/b 2880/744 2.424 得2 0.78 ，得 B=2b482mm , 對于 l 0/b 040/744 2.262 得 20.464 ，得 B=2b272mm ,對第一跨中選用B 440

10、mm,則水平次梁組合截面面積（圖4）:2A=2242+4408=6442mm;組合截面形心到槽鋼中心線得距離：e= 540 874 =40mm ;6451跨中組合截面的慣性距及截面模量為：224I 次中 6000000+2242 40 +44082424004820mm139058202Wmin=115882 mm2對支座段選用 B272mm，則組合截面面積： A=2242+2728=4200mm; 組合截面形心到槽鋼中心線得距離：e= 271874 =47mm4299支座初組合截面的慣性距及截面模量為：224I 次 B6000000+2242 47 +27284722074442mmWmin

11、=11975331111919mm2107（ 4）水平次梁的強(qiáng)度驗算由于支座 B 處（圖 4）處彎距最大，而截面模量較小，故只需驗算支座 B 處截面的抗彎強(qiáng)度，即次 17.8 106159N / mm2 160N / mm2,111919說明水平次梁選用 24b 滿足要求。軋成梁的剪應(yīng)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算：U5ql 3M 次 Bll384EI次16EI 次5 30.1 2350 317.810623502.0610513905

12、820162.0610513905820384 0.00086 U 10.004l250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(2) 設(shè)計資料2) 主梁跨度：凈跨（孔口凈寬） L0 0m ；計算跨度 L0.4m ；荷載跨度 L1 0m 。2)主梁荷載： qp / 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。2）截面選擇彎距和剪力彎距與剪力計算如下：彎距： M max74.199.492(2) 817kN

13、 m4ql174.19333.45kN剪力： Vmax22已知 Q244鋼的容許應(yīng)力 =260N/mm2 , 考慮鋼閘門需要的截面模量自重引起附加應(yīng)力的影響， 取容許應(yīng)力 =0.9 160 144N / mm2 , 則需要的截面模量為；M max817 1063W=1445674cm 。 腹板高度選擇按剛度要求的最小梁高（變截面梁）為：經(jīng)濟(jì)梁高：hW2 / 53.1 (5674)2 / 598.38cm。ec3.1hmin 0.96 0.23L1449.41040.96 0.232.0610787.05cm,EU / l 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

14、比 hec 為小，但不小于 hmin?，F(xiàn)選用腹板厚度 h0 00cm 。腹板厚度選擇twh / 1190 /110.86cm, 選用 t2.0cm 。w翼緣截面選擇：每個翼緣需要截面為A1Wtw h056741 9048.04cm2 ,h06906下翼緣選用 t 2 2.0cm（符合鋼板規(guī)格），需要A124.0cm, 取 b224cm,b1t1上翼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t 2 2.0cm，b2 20cm，面板兼作主梁上翼緣的有效高度為 Bb2 +60 20+60 0.8 48cm 。上翼緣截面面積 A2=20 2.0+48 0.8=66.4cm 2 。

15、彎應(yīng)力強(qiáng)度驗算截面形心距：y'Ay'9046.5643.8,A206.4cm截面慣性距： Itwh03Ay 21.0903249117309867 cm4 ,1212截面模量：上翼緣頂邊 WminI3098677074.59cm3 ,y143.8下翼緣底邊WminI3098676075.83,y251cm彎應(yīng)力：M max817 10013.446kN / cm20.91614.4kN / cm2 , 安全Wmin6075.8表 4主梁跨中截面的幾何性質(zhì)Ay2截面截 面各型Ay各 型部位尺寸面積心離面板4心離中和4（ cm）(cm )（ cmA(cm2)表面距離軸距離）y（ c

16、m）y=y cm-y 2(cm)面480.846.40.428.46-44.4874707.28板部分上202.0202.846-4244280翼緣腹002.000.047.8440242440板下242.04004.8460040224000翼緣合206.40046.46240227計整體穩(wěn)定性與撓度驗算。 因主梁上翼緣直接同面板相連， 可不必驗算整體穩(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 h0s0.6h054cm 。（圖 6）梁高開始改變的位置取在鄰近支承端的橫向

17、隔板下翼緣的外側(cè)（圖7），離開支承端的距離為 244-20=224cm。剪切強(qiáng)度驗算： 考慮到主梁端部腹板及翼緣相焊接，故可按工字截面梁驗算圖主梁支承端截面應(yīng)力剪力強(qiáng)度。尺寸表 4 所示：表 4主梁端部截面的幾何性質(zhì)2截面截 面各型Ay各 型Ay部位尺寸面積心離面板4心離中和4（ cm）(cm )（ cm A(cm2)表面距離軸距離）y（ cm）y=y cm-y 2 (cm)面480.846.40.428.46-26.442004.426板部分上202.020.02.846-24.022400.2翼緣腹442.044.020.82600.24.2428.04板下242.040.047.8280

18、042.248460.4翼緣合270.44444.7604474計I 0154393374106496cm4y1 26.7cm12S5031.130.1130.12008cm3,2Vmax S333.4520086.29kN / cm2 9.5kN / cm2 , 因誤差未超過20，I 0tw1064961.0安全4）翼緣焊縫翼緣 焊縫 厚 度hf 按 受力 最大 的支 承端 截面 計算 。 Vmax 444.44kN 。4I 0=206406cm，上翼緣對中和軸的面積距：S2=46.4 26.4+20 24.0=2728.42cm4 ，4下翼緣對中和軸的面積距：S2=4042.2 2444c

19、m<S2,需要VS1333.45 1718.320.334 ,hf1.4 10649611.5cm1.4I 0 fw 角焊縫最小， hf1.5 t1.5 206.7mm。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：因h09090 80,故tw1.0需設(shè)置橫向加勁肋， 以保證腹板的局部穩(wěn)定性。 因閘門上已布置橫向隔板可兼作橫加勁肋，其間距 a244cm 。腹板區(qū)格劃分見圖 7。區(qū)格左邊及右邊截面的剪力分別為V333.45- 74.1（9/ 2）174.135KN ;V；左2.35右0區(qū)格截面的平均剪應(yīng)力為(VV）(174.1350)/2左右 / 22

20、9.67N / mm2h0 t w9010.967KN / cm區(qū)格左邊及右邊截面上的彎矩分別為(4.52.35)2右M max 817KN .mM 左333.45 2.35 74.12612.34KN .m, ,M區(qū)格的平均彎矩為M( M 右M左) /2714.67KN .m區(qū)格的平均彎曲應(yīng)力為MIy094.56N / mm2計算crh0 / twf y0.5080.852b177235cr160N / mm計算cr，由于區(qū)格長短邊之比為2.44/0.0=2.6>2,則sh0 / tw2f y0.9 因為 0.8<0.0<2.2415.344(h0a)23589.4N /

21、mm20所以cr10.59( s 0.8)c故 ()2()2c( 94.56 )2(11.5 )200.3661(這里無局部壓應(yīng)力)crcrc.cr16089.4滿足穩(wěn)定性要求，故在橫隔板之間（區(qū)格）不必增設(shè)橫向加勁肋。再從剪力最大的區(qū)格來考慮：該區(qū)格的腹板平均高度 h0 (90 54) / 2 72cm, ,因h0 / tw 72 80,故不必驗算。所以在梁高減小的區(qū)格內(nèi)也不必另設(shè)橫向加勁肋。4）面板的局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)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)格所需要的板厚較大， 這意味著該區(qū)格的長邊中點應(yīng)力也較大，所以選取區(qū)格（圖 2）取驗算其長邊點的

22、折算應(yīng)力mykpa20.50.036656902136.3N / mm2 ,t 282mxmy40.89N / mm2 ,對應(yīng)于面板區(qū)格在長邊中點的主梁彎距和彎應(yīng)力M74.14.574.13.5252765.8kN m,3.5252765.8 106M108.25 N / mm2,0xW7074590該區(qū)格長邊中點的折算應(yīng)力20 x )2my (0x )zhmy(mxmx136.32(136.3108.25) 2136.3(40.89108.25)240.9N / mm21.1 246.4N / mm2上式中拉應(yīng)力為正號壓應(yīng)力為負(fù)號。故面板厚度選用 8mm滿足強(qiáng)度要求。2.6橫隔板設(shè)計（ 2）

23、荷載和內(nèi)力計算。橫隔板同時兼做豎直次梁，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， 計算式可把這些荷載用以三角形分布的水壓力來代替（圖 2），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負(fù)彎矩為M12.471030.00982.472.352.4757.84kNm23（ 2）橫隔板和截面選擇和強(qiáng)度驗算。其腹板選用與主梁腹板同高，采用 000 8mm，上翼緣利用面板， 下翼緣采用 200mm8mm的扁鋼，上翼緣可利用面板的寬度公式按式 Bb 確定。l0/b2 2470 / 2350 2.1, 查表得 0.44，22B=0.44×2440=

24、2246mm，取 B2200mm。計算如圖 8 所示截面幾何特性。截面形心到腹板中心線的距離：120084542008454e8900820081200 207mm截面慣性距：89003900197282002812002572I8651122077576800mm4截面模量為WminI3171873 mm3，655驗算應(yīng)力：M57.841062,2Wmin317187318.24N / mm160N / mm由于橫隔板截面高度較大， 剪切強(qiáng)度更不必驗算， 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（ 2）荷載和內(nèi)力計算。 縱向連接系承受閘門自重。 露頂式平面鋼閘門門葉

25、自重1.430 .88G k z K C kg H B9.81.430.880.811.00.135.5109.889.6KN下游縱向連接系承受0.4G=44.84KN0 所示，其節(jié)點荷縱向連接系視作簡支的平面桁架， 其桁架腹板桿布置如圖載為 44.84/4=8.06KN桁架內(nèi)力計算結(jié)果如圖0 所示。（ 2）斜杠截面計算。斜杠承受最大拉力N=（27.02-4.48）2 =20KN,同時考慮閘門偶然扭曲時可能承受壓力，故長細(xì)比的限制值應(yīng)與壓桿相同，即2004.48KN8.96kN8.96kN8.96kN4.48KN05322350940017.92KN17.92KN圖9縱向連接系計算圖選用單角鋼

26、 2008，由附表 6.4 查得截面面積A=2460 mm2 ,回轉(zhuǎn)半徑i y019.8mm斜杠計算長度l 00.9220.42m2.352.353長細(xì)比l 031000151.5200y019.83驗算拉桿強(qiáng)度為191012.2N / mm20.85133N / mm215602.8邊梁設(shè)計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)計時將容許應(yīng)力值降低20作為考慮受扭影響的安全儲備。430010

27、451041圖10 邊梁截面圖R1261.2kN5169.78kN.m6-上主梁作用力.0333.45KNMV5+3.2下主梁作用力R2333.45KN72.24KN圖11 邊梁計算圖（ 2）荷載和內(nèi)力計算在閘門每側(cè)邊梁上各設(shè) 2 個膠木滑塊，其布置如圖 22：2）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荷載為 R444.44kN2）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：333.452.35，R1261.2kN3下滑塊所受壓力：R22RR1405.7kN ，最

28、大彎矩M max261.20.65169.78kNm,最大剪力Vmax261.2kN ,最大軸向力作用于一個邊梁上的啟吊力，估計為200kN（詳細(xì)計算簡后面） 。在最大彎矩作用截面上的軸向力，等于啟吊力減去上滑塊的摩阻力，該軸向力為N200R1 f200 261.20.12168.66kN ,（ 2）邊梁強(qiáng)度驗算540 10 13800mm2,截面面積A 230014面積矩Smax14300277 102701351527900 mm3,截面慣性矩1054032 30014 27724I12775743600 mm ,截面模量W I 2731491.55mm3 。 284截面邊緣最大應(yīng)力驗算：

29、NM max168.66103169.7810620.82maxW1380074.4N / mm0.8 160 128N / mmA2731491.55腹板最大剪應(yīng)力驗算：Vmax Smaz261.2103 152790051.45N / mm20.80.895 76N / mm2 ,It wI10腹板與下翼緣連接處則算應(yīng)力驗算：NM maxy'168.66 103169.78 1062702AWy138002731491.5528471.3N / mm ,Vmax S1261.2103300 142772，It w10I39.2 N / mm2h23 271.323 39.2298.

30、4N / mm20.80.8160 128N / mm2。以上驗算均滿足強(qiáng)度要求2.0行走支承設(shè)計膠木滑塊計算：滑塊位置如圖22 下滑塊受力最大，起值為R2 404.7kN。設(shè)滑塊長度為 424mm，則滑塊單位長度承受壓力為405.7103q1248 N / mm,325由表查得軌頂弧面半徑 R=240mm，軌頭設(shè)計寬度為 b44mm，膠木滑塊與規(guī)定弧面的接觸應(yīng)力驗算：max104q300N / mm2j 500N / mm2 。R選定膠木高 40mm,寬 220mm,長 424mm。2.20膠木滑塊軌道設(shè)計（圖22）（ 2）確定軌道底板寬度。 bR=1500482.53582.5Bk= 20

31、0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 7N/mm2，則所需軌道底板寬度為：q1248178.29mm.取 BhBn7 n 200mm，故軌道底面壓應(yīng)力：12482h6.24 N / mm（ 2）確定軌道底版厚度軌道底板厚度 按其彎曲強(qiáng)度確定，軌道底版的最大彎應(yīng)力：c23nt 2軌道底板懸臂長度C 82.4mm，對于 A4 查表得 200N/mm2，3nc23 6.24 82.52故： t35.7mm ，故 t 40mm。1002.22閘門啟閉力和吊座驗算（ 2）啟門力： T 啟 2.2G+2.2(T 2d+T2s)+Px G=80.6KN滑道摩阻力： T2dfp