鋼閘門課程設(shè)計(jì)露頂式平面鋼閘門

1、 課程設(shè)計(jì)說明書課 程 名 稱:水利水電工程鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)課 程 代 碼: 題 目: 露頂式平面鋼閘門 學(xué)院(直屬系) : 能源與環(huán)境學(xué)院 年級/專業(yè)/班: 2009級/水利水電工程 學(xué) 生 姓 名: 學(xué) 號: 指 導(dǎo) 教 師: 開 題 時(shí) 間: 2011 年 12 月 日完 成 時(shí) 間: 2011 年 12 月 日目 錄1.設(shè)計(jì)資料2.閘門結(jié)構(gòu)的型式及布置3.面板設(shè)計(jì)4.水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計(jì)5.主梁設(shè)計(jì)6.面板參加主（次）梁工作的折算應(yīng)力驗(yàn)算7.橫隔板設(shè)計(jì)8.縱向連接系設(shè)計(jì)9.邊梁設(shè)計(jì)10.行走支承設(shè)計(jì)11.軌道設(shè)計(jì)12.閘門啟閉力和吊耳計(jì)算工程概況：閘門是用來關(guān)閉、開啟或者局部開啟水

2、工建筑物中過水孔口的活動(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。水工剛結(jié)構(gòu)露頂式焊接平面鋼閘門設(shè)計(jì)計(jì)算書一、 設(shè)計(jì)資料及有關(guān)規(guī)定：閘門形式：樓頂式平面鋼閘門孔口尺寸（寬高）：10m11m上游水位：10.8m下游水位：0.1m閘底高程：0.0m啟閉方式：電動(dòng)固定式啟閉機(jī)材料 鋼結(jié)構(gòu)：Q235-A.F; 焊條：E43型; 行走支承：滾輪支承; 止水橡皮：側(cè)止水用P型橡皮，底止水用條形橡皮制造條件 金屬結(jié)構(gòu)制造廠制造，手工電弧焊，滿足級焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范SL 1974-2005二、閘

3、門結(jié)構(gòu)的形式及布置 1. 閘門尺寸的確定閘門高度：考慮風(fēng)浪所產(chǎn)生的水位超高0.2m,故閘門高度=10.8+0.2=11m;閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：=10m 閘門計(jì)算跨度：=+=10+20.2=10.4m 圖1 2.主梁的形式主梁的形式應(yīng)根據(jù)水頭和跨度大小而定，本閘門屬中等跨度，為了制造和維護(hù)，決定采用實(shí)腹式組合梁。3. 主梁的布置 根據(jù)閘門的高跨比，采用4根主梁。根據(jù)公式 計(jì)算每一根主梁距水面的距離K及第K跟主梁，得：3.60 m；6.58 m；8.52 m；10.09 m4. 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，

4、其間距應(yīng)上疏下密，使面板各區(qū)格所需要的厚度大致相等，梁格的布置具體尺寸見圖25. 連接系的布置和形式 （1）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2m，橫隔板兼作豎直次梁。 （2） 縱向連接系，設(shè)在兩個(gè)主梁下翼緣的豎平面內(nèi)，采用斜桿式桁架。 6. 邊梁與行走支承 邊梁采用單腹式，行走支撐采用膠木滑道。三、面板設(shè)計(jì)根據(jù)SL1974-1995水利水電工程鋼閘門設(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玩去的折算應(yīng)力。1.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=a 當(dāng)b/a3時(shí)，a=1.5,則t=a=

5、0.068 當(dāng)b/a >3時(shí)，a=1.4,則t=a=0.07現(xiàn)列表1計(jì)算如下：表1區(qū)格a(mm)b(mm)b/akpt(mm)1820 20001.100.3860.0090.0597.30178020001.120.3560.0270.09811.86165020001.210.3960.0430.12914.47133020001.500.4540.0580.16214.65100020002.000.4970.0690.18512.5894020002.130.4980.0790.19812.6680020002.500.5000.0870.20911.3777020002.600

6、.5000.0950.21811.4171020002.820.7370.1020.27413.23根據(jù)上表計(jì)算，選用面板厚度t=15mm 。2.面板與梁格的連接計(jì)算已知面板厚度t=15mm ,并且近似地取板中最大彎應(yīng)力max=160N/mm2,則168N/mm ,面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)地剪力：T=367N/mm面板與主梁連接的焊縫厚度： 5.1mm面板與梁格連接焊縫厚度取起最小厚度。四、水平次梁，頂梁和底梁地設(shè)計(jì)1.荷載與內(nèi)力地驗(yàn)算水平次梁和頂，底梁都時(shí)支承在橫隔板上地連續(xù)梁，作用在它們上面的水壓力可按下式計(jì)算，即現(xiàn)列表2計(jì)算后得 575.88kN/m表2梁號梁軸線處水壓強(qiáng)度梁間距

7、備注1（頂梁）4.28 頂梁荷載按下圖計(jì)算1.82217.81.80032.041.783（上主梁）35.51.71560.541.65451.51.49076.741.335（主梁）64.51.16575.141.00674.30.97072.070.947（主梁）83.50.87072.650.80891.30.78571.670.779（下主梁）98.90.74073.190.7110（底梁）105.80.35537.56根據(jù)表2計(jì)算，水平次梁計(jì)算荷載取76.74kN/m，水平次梁為五跨連續(xù)梁，跨度為2.0m，水平次梁彎曲時(shí)的邊跨彎距為: M次中0.077ql2=23.6kNm支座B處的

8、負(fù)彎距：M次B0.107ql2=32.84kNm 2.截面選擇考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選22b,由附錄三表四查得：A=3624mm2 ; Wx=233800mm3 ; Ix=25714000mm4 ; b1=79mm ; d=9mm 。面板參加次梁工作的有效寬度分別按式611及式612計(jì)算，然后取其中較小值。 式：611 Bb1+60t=79+60*13=859mm ; 式：612 B=1b (對跨間正彎距段) B=2b （對支座負(fù)彎距段） 。 梁間距b= 。 對于第一跨中正彎距段l0=0.8l=0.8*2050=1640mm ;對于支座負(fù)彎距段l0=0.4l0.4*2050820

9、mm 。根據(jù)l0/b查表61： 對于l0/b1640/8501.924 得10.68 ，得B=1b0.68850578mm , 對于l0/b820/8500.9647 得20.29 ，得B=2b0.29850246.5mm ,對第一跨中選用B578mm,則水平次梁組合截面面積（例圖4）: A=3624+57813=11138mm2 ;組合截面形心到槽鋼中心線得距離：e=79mm ;跨中組合截面的慣性距及截面模量為：I次中25714000+3624*792+578*13*37.5258897947mm4Wmin=對支座段選用B247mm，則組合截面面積：A=3624+247*13=8356mm2

10、 ;組合截面形心到槽鋼中心線得距離：e=54.7mm支座初組合截面的慣性距及截面模量為：I次B25714000+3624*552+247*13*61.5248821405mm4Wmin= 3.水平次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算由于支座B處（例圖3）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，即次說明水平次梁選用22b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)生在便跨，由于水平次梁在B支座處截面的彎距已經(jīng)求得M次B=22.0248kNm,則邊跨撓度可近似地按下式計(jì)算： 0.0004235 故水平次梁選用22b滿足強(qiáng)度和剛度要求。五

11、、主梁設(shè)計(jì)(一)設(shè)計(jì)資料1）主梁跨度：凈跨（孔口凈寬）10m；計(jì)算跨度10.4m；荷載跨度10m2）主梁荷載：3）橫向隔板間距： 2.0m4）主梁容許撓度： W=L/600 。（二）主梁設(shè)計(jì)1.截面選擇（1） 彎距和剪力 彎距與剪力計(jì)算如下：彎距： 2371.6剪力： 741.125kN（2）需要的截面模量。已知Q235鋼的容許應(yīng)力=160N/mm2 ,考慮鋼閘門自重引起附加應(yīng)力的影響，取容許應(yīng)力為= 則需要的截面模量為；（3） 腹板高度選擇 按剛度要求的最小梁高（變截面梁高）為：經(jīng)濟(jì)梁高：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小，但不小于hmin。現(xiàn)選用腹板厚

12、度h0100cm 。(4)腹板厚度選擇，選用tw1.2cm 。(5)翼緣截面選擇：每個(gè)翼緣需要截面為下翼緣選用t14.0cm（符合鋼板規(guī)格），需要36cm,選用38cm,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t14.0cm，b118cm，面板兼作主梁上翼緣的有效高度為上翼緣截面面積(6)彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算截面形心距：截面慣性距：截面抵抗距：上翼緣頂邊 下翼緣底邊 彎應(yīng)力：< 安全表3部位截面尺寸（cmcm）截面面積A(cm2)各型心離面板表面距離y（cm）Ay（cm3）各型心離中和軸距離y=y-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分1620.75121.5-45.

13、05328779上翼緣723.5252-42.30128829腹板10055.555509.709409下翼緣152107.51634061.70578647合計(jì)48622263.51045664（7）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，可不必驗(yàn)算整體穩(wěn)定性，因梁高大于按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。剪切強(qiáng)度驗(yàn)算： 考慮到主梁端部的腹板及翼緣都分別同支承邊梁的腹板及翼緣相焊接，故可按工字截面梁驗(yàn)算應(yīng)力剪力強(qiáng)度。幾何特性 表4所示：表4部位截面尺寸（cmcm）截面面積A

14、(cm2)各型心離面板表面距離y（cm）Ay（cm3）各型心離中和軸距離y=y-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分1620.75121.5-30.25148240上翼緣723.5252-27.5054450腹板6538.024707.003185下翼緣15272.51102041.50261782合計(jì)45113863.5467657截面形心距： 截面慣性矩： 截面下半部對中和軸的面積矩： 剪應(yīng)力：<=9.5kN/ （安全）3.翼緣焊縫翼緣焊縫厚度按受力最大的支承端截面計(jì)算。Vmax741.125kN；I0=495119.5cm4，上翼緣對中和軸的面積距：=6880.5cm3，下翼緣對中

15、和軸的面積距：=6308cm<,需要 0.651cm角焊縫最小厚度 全梁的上下翼緣焊縫都采用11mm。4.腹板的加勁肋加勁肋的布置：因?yàn)?, 故需設(shè)置橫向加勁肋,以保證腹板的局部穩(wěn)定性。因閘門上已布置橫向隔板可兼作橫向加勁肋，其間距a=200cm。六、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，頂梁和底梁傳來的集中荷載以及面板傳來的分布荷載，計(jì)算時(shí)可把這些荷載用以三角形分布的水壓力來代替（圖1），并且把橫隔板作為支承在主梁上的雙懸臂。則每片橫隔板在上懸臂的最大負(fù)彎矩為2.橫隔板截面選擇和強(qiáng)度驗(yàn)算其腹板選用與主梁腹板同高，采用，上翼緣利用面板，下翼緣采用的扁鋼，

16、上翼緣可利用面板的寬度按確定，其中b=2000mm,按，查表得，則1360mm計(jì)算如圖截面幾何特性。截面形心到腹板中心線的距離：mm 圖七截面慣性距：截面模量： 驗(yàn)算彎應(yīng)力：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。七、縱向連接系設(shè)計(jì)1.荷載和內(nèi)力計(jì)算縱向連接系承受閘門自重。露頂式平面鋼閘門門葉自重G按附錄十一式計(jì)算：當(dāng)H>8m時(shí)下游縱向連接系承受 0.4G=0.4×352.5=141kN縱向連接系是做簡支的平面桁架。其桁架腹桿布置，其節(jié)點(diǎn)荷載為桿件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如下圖。2.斜桿截面計(jì)算斜桿承受最大拉力N=91.34kN，同時(shí)考慮閘門偶然扭曲是可

17、能承受壓力，故長細(xì)比的限制值應(yīng)與壓桿相同，即。選用單角鋼160×16，查表得：截面面積 A=49.1=4910回轉(zhuǎn)半徑 斜桿計(jì)算長度 長細(xì)比 驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度：考慮單角鋼受力偏心的影響，將容許應(yīng)力降低進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。8、 邊梁設(shè)計(jì)邊梁的截面形式采用雙腹式（），邊梁的截面尺按照構(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，為了便于安裝滾輪，兩個(gè)下翼緣為用寬度為200mm的扁鋼做成。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)師將容許應(yīng)力值降低15%作為考慮受扭影響的安全儲(chǔ)備。1. 荷載和內(nèi)力計(jì)算在閘門每側(cè)邊梁上各設(shè)兩個(gè)滾輪。其布置尺寸可見下 （1） 水平荷載

18、。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(gè)主梁作用于邊梁的荷載為R=714.125KN。（2） 豎向荷載。有閘門自重、滾輪摩擦阻力、止水摩阻力、起吊力等。上滾輪所受的壓力中滾輪所受的壓力下滾輪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)邊梁上的起吊力，估計(jì)為2600kN（詳細(xì)計(jì)算見后）。在最大彎矩作用截面上的軸向力，等于起吊力減去上滾輪的摩阻力，該軸向力2. 邊梁的強(qiáng)度驗(yàn)算 截面面積 A=55200mm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應(yīng)力驗(yàn)算：以上的驗(yàn)算滿足

19、強(qiáng)度要求。九、行走支承設(shè)計(jì)滾輪計(jì)算：輪子的主要尺寸是輪徑D和輪緣寬度b，這些尺寸是根據(jù)輪緣與軌道之間的接觸應(yīng)力的強(qiáng)度條件來確定的，對于圓柱形滾輪與平面軌道的接觸情況是線接觸，其接觸應(yīng)力可按下式計(jì)算，其中下滾輪受力最大，其值為5884kN。設(shè)滾輪輪緣寬度b=120mm，輪徑D=520mm。 為了減少滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，在滾輪的軸孔內(nèi)還要設(shè)滑動(dòng)軸承，選用鋼對10-1鑄鐵鋁磷青銅。軸和軸套間壓力傳遞也是接觸應(yīng)力的形式，可按下式驗(yàn)算：取軸的直徑d=320mm，軸套的工作長度b=480mm，滑動(dòng)軸套容許應(yīng)N/mm輪軸選用45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼，取輪軸直徑d=280mm，其工作長度為b=480mm，對其進(jìn)行彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力驗(yàn)算：軸在軸承板的連接處還應(yīng)按下式驗(yàn)算輪軸與軸承板之間的緊密接觸局部承壓應(yīng)力：軸承板所受的壓力取軸承板疊總厚度故10、 滾輪軌道設(shè)計(jì)1. 確定軌道鋼板寬度軌道鋼板寬度按鋼板承壓強(qiáng)度決定。根據(jù)Q235鋼的容許承壓應(yīng)力為，則所需要的軌道底板寬度為，取B=500mm故軌道地面壓應(yīng)力：2. 確定軌道底