水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、 水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 水利水電工程鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué)院名稱： 專業(yè)：水利水電工程 年級(jí)： 2012級(jí) 一、 設(shè)計(jì)題目 1、 某露頂式平面鋼閘門設(shè)計(jì)2、 某潛孔式平面鋼閘門設(shè)計(jì)3、 某小型露頂式閘門（或潛孔式平面鋼閘門）設(shè)計(jì)+攔污柵設(shè)計(jì)二、 主要內(nèi)容1、 某大型露頂式平面鋼閘門設(shè)計(jì)閘門型式：露頂式平面鋼閘門孔口尺寸（寬高）： 20 m 14 m上游水位： m下游水位： m閘底高程： m啟閉方式：材料 鋼結(jié)構(gòu)：Q235-A.F； 焊條：E43型； 行走支承：滾輪支承或膠木滑道 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(jí)焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：水

2、利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范SL 1974-2005三、具體要求學(xué)生應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，要求完成下列成果：1、設(shè)計(jì)書一份。包括：設(shè)計(jì)資料；閘門結(jié)構(gòu)的型式及布置；面板設(shè)計(jì)；水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計(jì)；主梁設(shè)計(jì)；面板參加主（次）梁工作的折算應(yīng)力驗(yàn)算；橫隔板設(shè)計(jì)；縱向連接系設(shè)計(jì)；邊梁設(shè)計(jì)；行走支承設(shè)計(jì)；軌道設(shè)計(jì)；埋設(shè)構(gòu)件設(shè)計(jì)，閘門啟閉力計(jì)算，啟閉設(shè)備選擇等；設(shè)計(jì)資料，攔污柵的結(jié)構(gòu)布置，柵面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，梁格設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)書要求分章節(jié)次序，采用設(shè)計(jì)紙來書寫；要求數(shù)字計(jì)算正確，書寫端正并符合規(guī)范化要求的格式，裝訂成冊。2、圖紙。要求設(shè)計(jì)中圖紙與設(shè)計(jì)計(jì)算相匹配，要求圖紙結(jié)構(gòu)布置合理，構(gòu)造合理正確、線條清晰勻稱，符合制圖標(biāo)

3、準(zhǔn)要求。圖紙包含：梁格布置尺寸圖，次梁截面圖，主梁截面圖，主梁變截面圖，橫隔板圖，縱向連接系圖，邊梁圖，軌道圖，啟閉設(shè)備圖紙等等；攔污柵結(jié)構(gòu)布置圖，柵面構(gòu)造圖，梁格設(shè)計(jì)圖。圖紙附在說明書里。四、主要技術(shù)路線提示 1、平面鋼閘門的設(shè)計(jì)路線 閘門結(jié)構(gòu)的型式及布置面板設(shè)計(jì)水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計(jì)主梁設(shè)計(jì)面板參加主（次）梁工作的折算應(yīng)力驗(yàn)算橫隔板設(shè)計(jì)縱向連接系設(shè)計(jì)邊梁設(shè)計(jì)行走支承設(shè)計(jì)，埋設(shè)構(gòu)件設(shè)計(jì)軌道設(shè)計(jì)以及閘門啟閉力計(jì)算，啟閉設(shè)備選擇2、攔污柵的設(shè)計(jì)路線攔污柵的結(jié)構(gòu)布置柵面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)梁格設(shè)計(jì)五、進(jìn)度安排1. 露頂式平面鋼閘門或潛孔式平面鋼閘門設(shè)計(jì)第一天上午：布置設(shè)計(jì)和理清設(shè)計(jì)思路第一天下午：閘門結(jié)構(gòu)

4、的型式及布置第二天： 面板，次梁和主梁的設(shè)計(jì)第三天：橫隔板，縱向連接系和邊梁的設(shè)計(jì)第四天：行走支承，軌道設(shè)計(jì)和閘門啟閉力計(jì)算，啟閉設(shè)備選擇，止水布置等第五天：上交課程設(shè)計(jì)成果和答辯2、攔污柵設(shè)計(jì)+小型潛孔式平面鋼閘門設(shè)計(jì)第一-第二天：攔污柵設(shè)計(jì)第三-第四天：小型鋼閘門設(shè)計(jì)第五天：上交課程設(shè)計(jì)成果和答辯六、完成后應(yīng)上交的材料1.水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)說明書七、推薦參考資料 1. 曹平周，朱召泉 .鋼結(jié)構(gòu). 北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社.2002，62. 范崇仁.水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).北京： 中國水利水電出版.2000，53. 水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范（SL 74-95） 指導(dǎo)教師 簽名日期 年 月 日 系

5、主 任 審核日期 年 月 日 露頂式平面鋼閘門設(shè)計(jì)一：設(shè)計(jì)資料閘門形式：露頂式平面鋼閘門?？卓诔叽纾?0.0m × 14.0m空口凈寬：20.0m設(shè)計(jì)水頭：13.8m 結(jié)構(gòu)材料：Q235 焊條：E43型;止水橡皮：側(cè)止水用P型橡皮，底止水用條形橡皮。行走支承：滾輪支承混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C20 二：閘門結(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)生的水位超高為0.2m,故閘門高度=13.8+0.2=14m閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L1=20m 閘門的計(jì)算跨度：L=L1+2×0.3=20.6m2.主梁的形式主梁的形式根據(jù)水頭合跨度大小而定，本閘門屬大中等跨度為

6、了便于制造和維護(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，決定采用4根主梁，為使兩個(gè)主梁在設(shè)計(jì)水位時(shí)所承受的水壓力相等，兩個(gè)主梁的位置應(yīng)對(duì)稱于水壓力合力的作用線 H=13.8，n=4 則 =4.6m =8.4m = 10.9m =12.9m 4.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，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，梁布置的具體尺寸詳見上圖5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9道橫隔板，其間距為2m,橫隔板兼作豎直次梁。（2） 縱向聯(lián)接系 采用斜桿式桁架。6邊梁與行走支

7、承邊梁采用復(fù)合腹式，行走支承采用滾輪支承。三：面板設(shè)計(jì)1. 估算面板厚度當(dāng)b/a3時(shí)，a=1.5，當(dāng)b/a3時(shí)，a=1.4 現(xiàn)列表計(jì)算如下: 面板的厚度估算區(qū)格a(mm)b(mm) b/a k hpt (mm)1122520001.6330.60060.6050.00594.962117520001.7020.4791.81250.01787.373112520001.7780.4852.96250.0299.084107520001.860.4914.06250.039810.2351000200020.4975.10.0510.726 97520002.0510.49736.08750.0

8、59711.43792520002.1620.4987.03750.069011.66890020002.220.49837.950.078012.07987520002.2860.49878.83750.086612.371085020002.3530.4999.70.095112.601177520002.5810.510.51250.10311.971275020002.6670.511.2750.110511.991365020003.0770.511.9750.117411.091460020003.330.512.60.123510.515500200040.513.150.128

9、98.941630020006.70.7513.60.13346.68根據(jù)上表計(jì)算，選用面板厚度t=14mm.1.面板與梁格的連接計(jì)算面板局部撓曲時(shí)產(chǎn)生的垂直于焊縫長度方向的橫拉力P，已知面板厚度t=14mm,并且近似地取板中最大彎應(yīng)力=160 則 P=0.07t=0.0714160=156.8(N/mm)面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)的剪力 T=2335270124014730.8/(244989771400)=329.26(N/mm)計(jì)算面板與主梁連接的焊縫厚度： =/(0.7) = =1.6mm面板與梁格連接焊縫最小厚度=6mm4 水平次梁，頂梁和底梁的設(shè)計(jì) 1.荷載與內(nèi)力計(jì)算水平次梁

10、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現(xiàn)列表計(jì)算如下： =896.4482（KN/m） 梁號(hào)梁軸線水壓強(qiáng)度（）梁間距 (m)(m)q=p(m)1頂梁02.18641.225212.021.214.4241.175323.5441.1527.07561.125434.580.620.7481.0755主梁45.1260.537524.2551654.9360.987554.24930.975764.50.9561.2750.925873.5750.912567.1370.99主梁82.4040.887573.1340.8751090.990.862578.4790.8

11、51199.330.812580.7060.77512主梁106.9290.762581.5330.7513114.28650.7800.6514120.6630.62575.4140.615主梁126.5490.5569.6020.516131.4540.4559.15430.317底梁135.3780.227.0756 水平次梁，頂梁和底梁均布荷載的計(jì)算根據(jù)上表計(jì)算，水平次梁計(jì)算荷載取80.706KN/m, 水平次梁為10跨連續(xù)梁，跨度為2m.如下圖所示。水平次梁彎曲時(shí)的邊跨跨中彎矩為： M次中=0.077ql2=0.07780.7064=24.857（KNm） 支座B處的負(fù)彎矩為： M次

12、B=0.107ql2=0.107*80.706*4=34.542（KN·m）2. 截面選擇 W=(34.542106)/160=215887.5考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選槽鋼20b.由附錄三表4查得： A=3283； =1914000; =19137000；=75mm; d=9mm; h=200面板參加次梁工作有效寬度按下式計(jì)算，然后取最小值。 B+60t=75+60*14=915（mm） B=1b( 對(duì)跨間正彎矩段） B=2b(對(duì)支座負(fù)彎矩段）按11號(hào)梁計(jì)算，設(shè)梁間距b=(b1+b2)/2=(850+775)/2=812.5（mm）。確定上式中面板的有效寬度系數(shù)時(shí)，需要

13、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=0.8*2000=1600mm;對(duì)于支座負(fù)彎矩段取L0=0.4L=0.4*2000=800mm.根據(jù)L0/b查表2-1得： 對(duì)于L0/b=1600/812.5=1.97得 1=0.6928 則B=1b=0.6928*812.5=562.9mm. 對(duì)于L0/b=800/812.5=0.98 得2=0.2944 則 B=2b=0.2944*812.5=239.2mm對(duì)于第一跨中彎矩選用B=562.9mm，則水平次梁組合截面面積（如圖）：A=3283+14562.9=11163.6mm2組合截面形心到槽鋼中心線的距離

14、： e=(562.914107)/11163.6=75.53mm跨中組合截面的慣性矩及截面模量為： I次中=19137000+328375.532+562.91431.472=45670433.8mm4 Wmin=45670433.8/175.53=260185.9mm2對(duì)支座段選用B=239.2mm.則組合截面面積：A=3283+239.214=6631.8mm2組合截面形心到槽鋼中心線的距離：e=(239.2*14*107)/6631.8=54.03mm.支座處組合截面的慣性矩及截面模量： I次B=19137000+3283*54.032+239.2*14*52.972=38117000.

15、9mm4 Wmin=38117000.9/154.03=247464.79mm23. 水平次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算 由于支座處B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：說明水平次梁選用20b槽鋼滿足要求。 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=34.542KN·m,則邊跨撓度可近似地按下式計(jì)算：故水平次梁選用20b槽鋼滿足強(qiáng)度和剛度要求。5. 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20b槽鋼。5 主梁設(shè)計(jì) （

16、一）設(shè)計(jì)資料 1.主梁跨度如下圖，凈寬L0=20.00m;計(jì)算跨度L=20.6m；荷載跨度L1=20m. 2.主梁荷載q=233.527KN/m 3.橫向隔間距：2m 4.主梁容許撓度：=1/600 （2） 主梁設(shè)計(jì) 1.截面選擇 （1）彎矩與剪力 彎矩與剪力計(jì)算如下： Mmax=(233.527*20/2)*(20.6/2-20/4)=12376.931(kN·m) V=ql1/2=233.527*20/2=2335.27(kN) (2)需要的截面模量 已知Q235鋼的容許應(yīng)力=160KN/mm2 考慮鋼閘門自重引起的附加應(yīng)力作用，取容許應(yīng)力=0.9*160=144N/mm2,則需

17、要的截面抵抗矩為 W=12376.93*100/(144*0.1)=85950.9cm2. (3)腹板高度選擇按剛度要求的最小梁高（變截面梁）： Hmin=0.96*0.23* =0.96*0.23*144*100*20.6*100*600/(2.06*107)=190.78cm對(duì)于變截面梁的經(jīng)濟(jì)梁高，hec=2.8w2/5=2.8*85950.92/5=263.55cm.現(xiàn)選用腹板高度h0=220cm.(4) 腹板厚度選擇按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： tw=1.35cm,選用 tw=1.6cm(5) 翼緣截面選擇 每個(gè)翼緣需要截面為： A1=-=B1=h0/3h0/5=220/3220/5=73.344

18、（cm）B1<=h0/2.5=88（cm）下翼緣選用 =5.6（cm） 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=5.6cm,b1=40cm.面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為：(6)彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算 主梁跨中截面的幾何特性如下表： 部位截面尺寸（cm*cm）截面面積A(CM2)各形心離面板距離y,(cm)Ay,(cm3)各形心離中合軸距離y=y,-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分124*1.4 173.60.7121.52 -109.342075428.9上翼緣板40*5.6 2244.2 940.8-105.842509271.65腹板220*1.6

19、352 117 411846.9617051.4432下翼緣板60*5.6 336229.8 77212.8 119.764819065.75合計(jì)1085.6 119459.1214239883.5截面形心矩：截面慣性矩:截面抵抗矩： 上翼緣頂邊 下翼緣底邊 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，為減小門槽寬度和支承邊梁高度，有必要將主梁支承段腹板高度寬度減小h0s=0.65h0=0.65220=143cm梁高開始改變的位置取在臨近支承段的橫向隔板下

20、翼緣的外側(cè)，離開支承段的距離為200-10=190cm. 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 部位截面尺寸（cm*cm）A(cm2)y,(cm)Ay,(cm3)y=y,-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分124*1.4173.60.7121.52-74.22956294.42上翼緣板40*5.62244.2940.8-70.021098227.29腹板1.6*143228.878.517960.84.284191.25下翼緣板60*5.6336152.851340.

21、878.582074738.31合計(jì)948.170363.924133451.27截面形心距：截面慣性矩：截面下半部中和軸的面積矩：S=33678.58+=26459.715剪應(yīng)力：<=9.5KN/ 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=2335.27kN.截面慣性矩I=4498977.14cm.上翼緣對(duì)中和軸的面積矩 S1=173.6*74.22+224*70.02=28569.072cm3下翼緣對(duì)中和軸的面積矩 S2=336*78.58=26402.88cm3<S1需要 hf=V/(1.4f)=2335.27*28569.072/(1

22、.4*4498977.14*11.3) =0.937cm角焊縫最小厚度 hf>=1.5=1.5*=11.22mm全梁的上下翼緣焊縫都采用hf=12mm.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(jì)算時(shí)可把這些荷載用以三角形分布的水壓力來代替，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M=4.6*9.81*4.6/2*2*4.6/3=318.29(KN·m)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2200mm*8mm，上翼緣利用面板，下翼緣采用200

23、mm*10mm的扁鋼，上翼緣利用面板的寬度按B=2b確定，其中b=2000mm，按,查表可得有效寬度系數(shù)2=0.746，則B=0.746*2000=1492mm，取B=1450mm 如下圖: 截面形心到腹板中心線的距離：e=(1450*14*1107-200*10*1105)/(1450*14+200*10+2200*8)=507.8mm截面慣矩:I=(8*22003)/12+8*2200*507.82+10*200*1612.82+14*1450*599.22=2412779*104mm4截面模量：Wmin=2412779*104/1617.8=14913951.04mm3驗(yàn)算彎應(yīng)力：=M/

24、Wmin=318.29*106/14913951.04=21.34<=160N/mm2于由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=10mm。七、縱向連接系設(shè)計(jì)1. 荷載和內(nèi)力計(jì)算縱向連接系受閘門自重。露頂式平面鋼閘門G按式計(jì)算： 當(dāng)H>8m時(shí)G=0.012KzKc9.8KN=0.012119.8=2335.74KN H=14 Kc=1 Kz=1 B=20下游縱向連接系承受 0.4G=0.4×2335.74=934.296KN縱向連接系是做簡支的平面桁架。節(jié)點(diǎn)荷載為: 934.296/10=93.4296KN2. 斜桿截面計(jì)算斜桿承受最大拉力

25、N=594.58KN，同時(shí)考慮閘門偶然扭曲是可能承受壓力，故長細(xì)比的限制值應(yīng)與壓桿相同，即。選用雙角鋼180×14，表查得：截面面積A=489002回轉(zhuǎn)半徑iy0=35.6mm斜桿計(jì)算長度l0=0.94.336=3.9m 長細(xì)比 =/iy0=(3.9103)/35.6=109.55<=200 驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度：=(594.58)/48900=12.16<0.85=136(N/mm2) 考慮雙角鋼受力偏心的影響，將容許應(yīng)力降低15%進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。八 ：邊梁設(shè)計(jì)邊梁的截面形式采用雙腹式（如下圖），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

26、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。 雙腹式邊梁截面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)3個(gè)滾輪。邊梁計(jì)算圖如下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(gè)主梁作用于邊梁的荷載為R=583.8175KN。3.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R1=1292.025（kN） 其他滾輪所受的壓為 R2=1427.54（kN） 下滾輪所受的壓力R

27、3=1950.98（kN）最大彎矩 Mmax=934.11（kN·m） 最大剪力 Vmax=1167.64（kN） 最大軸向力為作用在一個(gè)邊梁上的起吊力，估計(jì)為7000kN（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4.邊梁的強(qiáng)度驗(yàn)算 截面面積 A=98960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(duì)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1167.64kN。設(shè)滾輪輪緣寬度b=120mm，輪徑D=540mm。 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(duì)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