畢業(yè)設計露頂式平面鋼閘門設計

鋼結構課程設計露頂式平面鋼閘門設計題號：1號學院：水利與土木建筑工程學院專業(yè)：農業(yè)水利工程1、設計資料閘門形式:露頂式平面鋼閘門孔口凈寬：9.00m設計水頭：6.80m結構材料：Q235B-F焊條：焊條采用E43型手工焊；止水橡皮：側止水用P型橡皮，底止水用條形橡皮；行走支承：采用膠木滑道，壓合膠木為MCS-2；啟閉方式：電動固定式啟閉機；制造條件：金屬結構制造廠制造，手工電弧焊，滿足Ⅲ級焊縫質量檢驗標準；執(zhí)行標準：?水利水電工程鋼閘門設計標準?〔SL74--1995〕。2、設計步驟2.1．閘門結構的型式及布置2.1.1閘門尺寸確實定閘門高度：考慮風浪所產生的水位超高為0.2m,故閘門高度=6.8+0.2=7(m);閘門的荷載跨度為兩側止水的間距：;閘門計算跨度：;圖2.12.1.2主梁的型式主梁的型式應根據(jù)水頭和跨度大小而定，本閘門屬中等跨度，為了便于造和維護，決定采用實腹式組合梁。2.1.3主梁的布置根據(jù)閘門的高跨比，決定采用雙主梁。為使兩個主梁在設計時所受的水壓力相等，兩個梁的位置應對稱于水壓力合力的作用線并要求下懸臂、上懸臂，今取 主梁間距那么2.1.4梁格的布置和形式梁格采用復式布置和齊平連接，水平次梁穿過橫隔板上的預留孔并被橫隔板所支承。水平次梁為連續(xù)梁，其間距應上疏下密，使面板各區(qū)格所需要的厚度大致相等，梁格布置的具體尺寸如圖2.2所示。2.1.5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3道橫隔板，其間距為2.1m,橫隔板兼作豎直次梁?！?〕縱向連接系。采用斜桿式桁架，布置在2根主梁下翼緣的豎平面內。2.1.6邊梁與行走支承邊梁采用單腹式，行走支承采用膠木滑道。圖2.23、面板設計根據(jù)?水利水電工程鋼閘門設計標準?〔SL74-1995〕及2006修訂送審稿，關于面板的計算，先估算面板厚度，在主〔次〕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力。3.1估算面板厚度初步布置梁格尺寸如圖2.2所示，面板厚度按下式計算當，那么當，那么現(xiàn)列表3.1進行計算。表3.1面板厚度的估算區(qū)格a(mm)b(mm)b/akⅠ177020901.180.5800.0070.0647.70Ⅱ113020901.850.5400.0210.1097.64Ⅲ96020902.180.5400.0310.1357.81Ⅳ89020902.350.5190.0400.1477.86Ⅴ81020903.030.5190.0480.1597.90Ⅵ65020903.940.7160.0550.1957.92注：1、面板邊長a，b都從面板與粱格的連接焊縫算起，主梁上翼緣寬度取140mm;2、區(qū)格I、VI中系數(shù)按三邊固定一邊簡支查得。根據(jù)表3.1計算，選用面板厚度t=8㎜。3.2面板與梁格的連接計算面板局部撓曲時產生的垂直與焊接長度方向的橫向拉力P按下式計算，面板厚度t=8㎜,并且近似地取板中最大彎矩，那么面板與主梁連接焊縫方向單位長度內的剪力為由式計算面板與主梁連接的焊縫厚度面板與梁格連接焊縫取其最小厚度。4、水平次梁、頂梁和底梁的設計4.1荷載與內力計算水平次梁和頂、底梁都是支承在橫隔板的連續(xù)梁,作用在它們上面的水壓力可按下式計算，即表63.2計算厚得表4.1水平次梁和頂、底梁均布荷載的計算梁號梁軸線水壓強p梁間距備注1(頂梁)頂梁荷載按下列圖算1.87215.41.57524.261.283(上主梁)26.51.1431.401.09435.80.96536.870.97544.00.88539.820.846(下主梁)51.80.78539.960.707(底梁)57.80.4528.9根據(jù)表4.1計算結果,水平次梁計算荷載取34.61kN/m,水平次梁為四跨連續(xù)梁,跨度為2.1m,如圖4.1所示.水平次梁彎曲時的邊跨中正彎矩為支座B處的彎矩為圖4.1水平次梁計算簡圖和彎矩圖4.2截面選擇考慮利用面板作為次梁截面的一局部,初選由附錄三附表3-6,查得面板參加次梁翼緣工作的有效寬度分別下式計算,然后取其中的最小值。(對跨間正彎矩段)(對支座負彎矩段)圖4.2面板參加水平次梁工作后的組合載面按5號梁計算,設梁間距確定上式中面板的有效寬度系數(shù)時，需要知道梁彎矩零點之間的距離與梁間距b比值。對于第一跨中正彎矩段取。對于支座負彎矩段取。根據(jù)查表6.1，得對于對于第一跨中選用B=548mm,那么水平次梁的組合截面面積為(6.48)組合截面形心到槽鋼中心線的距離跨中組合截面的慣性矩及截面模量為對支座選用B=300mm,那么組合截面面積為組合截面形心到槽鋼中心線的距離為支座處組合截面的慣性矩及截面模量為4.3水平次梁的強度驗算因支座B(圖6.47)處彎矩最大,而截面模量較小,故只需驗算支座B處截面的抗彎強度,即說明水平次梁選用滿足強度要求。軋成梁的剪應力一般很小,可不必驗算。4.4水平次梁的撓度驗算水平次梁為受均布荷載的四跨連續(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求得那么邊跨撓度可近似地計算為：故水平次梁選用[18a滿足強度和剛度要求。4.5頂梁與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，必須加強頂梁的剛度，所以也采用[18a。地梁也采用[18a。5、主梁設計5.1設計資料主梁跨度(圖5.1):凈跨(空口寬度)計算跨度,荷載跨度;圖5.1平面鋼閘門的主梁位置和計算見圖主梁荷載:橫隔板間距:2.1m;主梁允許撓度:。5.2.主梁設計主梁設計包括①截面選擇；②梁高改變；③冀緣焊縫；④腹板局部穩(wěn)定算；⑤面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力驗算。截面選擇。1〕.彎矩與剪力。彎矩與剪力計算式如下2〕.需要的截面模量。鋼Q235鋼的允許應力，考慮閘門自重引起的附加應力作用,取容許應力為,那么所需的截面模量為3〕.腹板高度選擇。按剛度要求的最小梁高〔變截面梁〕為經濟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小，但不小于?，F(xiàn)選用腹板高度。4〕.腹板厚度選擇.按經驗公式計算：，選用。5〕.翼緣截面選擇。每個翼緣所需截面為下翼緣選用〔符合鋼板規(guī)格〕需要,選用〔在之間〕。上翼緣的局部面積可利用面板,故只需設置較小的上翼緣板同面板相連,選用。面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為取上翼緣截面積為6〕.彎應力強度驗算。主梁跨中截面〔如圖6.50〕的幾何特性見表6.5。截面形心矩為圖5.2主梁跨中截面圖截面慣性矩為截面模量：上翼緣頂邊下翼緣底邊彎應力〔平安〕表5.1主梁跨中截面的幾何特性部位截面尺寸截面面積A〔〕各形心離面板表距離A各形心離中和軸距離面板局部62×0.849.60.419.8-50.1124300上冀緣板14×2.028.01.850.3-48.747978腹板80×1.08042.834245.42332下冀緣26×2.052.083.8435846.4111954合計209.678522865647〕．整體穩(wěn)定與撓度驗算。因主梁上翼緣直接同鋼面板相連，按?鋼結構設計標準?〔GB50017—2003〕規(guī)定可不必驗算其整體穩(wěn)定性。又因梁高大于按剛度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗算。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〔節(jié)省鋼材〕，有必要將主梁支承端腹板高度減小為〔如圖6.51〕。梁高開始改變的位置取在鄰近支承的橫向隔板下翼緣的外側(圖6.52),離開支承端的距離為。圖5.3主梁支承端截面圖圖5.4主梁變截面位置圖剪切強度驗算：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，故可按工字型截面來驗算剪應力強度。主梁支承端的截面的幾何性質見表6.6。表5.2主梁支承端的截面的幾何特性部位截面尺寸〔cmcm〕A面板局部62×0.849.60.419.8-30.646443上翼緣板14×2.028.01.850.3-29.223874腹板80×1.04832.819681.8492下翼緣26×2.052.051.8269428.843131合計189.64732113642截面形心矩截面慣性矩截面下半部對中和軸的面積矩剪應力(平安)5.2.3翼緣焊接翼緣焊縫厚度按受力最大的支承端截面計算。最大剪力，截面慣性矩。上翼緣對中和軸的面積矩下翼緣對中和軸的面積矩需要角焊縫最小厚度全梁的上、下翼緣焊縫都采用。5.2.4腹板加勁肋和局部穩(wěn)定驗算加勁肋的布置：因為，故需設置橫加勁肋，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。腹板區(qū)格劃分如圖6.52所示。梁高與彎矩都較大的區(qū)格Ⅱ可按驗算：區(qū)格Ⅱ左邊及右邊截面的剪力分別為區(qū)格Ⅱ截面的平均剪應力為 區(qū)格Ⅱ左邊及右邊截面上的彎矩分別為 區(qū)格Ⅱ的平均彎矩為 區(qū)格Ⅱ的平均彎應力為計算計算，由于區(qū)格長短邊之比為,那么那么將以上數(shù)據(jù)代入公式有〔這里無局部壓應力〕。滿足局穩(wěn)要求，故在橫隔板之間〔區(qū)格Ⅱ〕不必增設橫向加勁肋。再從剪力最大的區(qū)格Ⅰ來考慮：該區(qū)格的腹板平均高度，因，不必驗算，故在梁高減小的區(qū)格Ⅰ內也不必另設橫向加勁肋。4.2.5.面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力的驗算。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Ⅳ所需的板厚較大，這意味著該區(qū)格的長邊中點應力也較大，所以選取圖中的區(qū)格Ⅳ〔圖6.46〕按式〔6.5〕驗算其長邊中點的折算應力。面板區(qū)格Ⅳ在長邊中點的局部彎曲應力為對應于面板區(qū)格Ⅳ在長邊中點的主梁彎矩〔圖6.49〕和彎應力為面板區(qū)格Ⅳ的長邊中點的折算應力為上式中、和的取值均以拉應力為正號，壓應力為負號。故面板厚度選用8mm，滿足強度要求。6、橫隔板設計6.1荷載和內力計算橫隔板同時兼作豎直次梁，它主要承受水平次梁，頂梁和底梁傳來的集中荷載和面板傳來的分布荷載，計算時可把這些荷載用以三角形分布的水壓力來代替〔圖6.45〕。并且把橫隔板作為支承在主梁上的雙懸臂梁。那么每道橫隔板在上懸梁的最大負彎矩為6.2橫隔板截面板選擇與強度計算其腹板選用與主梁腹板同高，采用，上翼緣可利用面板，下翼緣采用的扁鋼。上翼緣可利用的面板的寬度按式確定，其中橫隔板平均間距，按，從表6.1查得有效寬度系數(shù)，那么，取。 圖6.1橫隔板截面圖計算如圖6.1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算彎應力為由于橫隔板截面高度較大，剪切強度更不必驗算。橫隔板冀緣焊縫采用最小焊縫厚度。7、縱向連接系設計7.1荷載和內力計算縱向連接系承受閘門自重。露頂式平面鋼閘門門葉自重可按附錄10中的公〔附10.1〕計算下游縱向連接系承受縱向連接系視作簡支平面桁架設計，其腹桿布置形式如圖6.54所示，其結點荷載為桿件內力計算結果如圖7.1所示。7.2斜桿截面計算斜桿承受最大拉力，同時考慮閘門偶然扭曲時可能承受壓力，故其長細比的限值取與壓桿相同，即。選用單角鋼，由附表6.4查得截面面積回轉半徑斜桿計算長度圖7.1縱向連接系計算圖長細比驗算拉桿強度為為考慮單角鋼受力偏心影響，將容許應力降低15%進行驗算。7.3斜桿與結點板的連接計算〔略〕8、邊梁設計邊梁的截面型式采用單腹式〔圖6.55〕，邊梁的截面尺寸按構造要求確定，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。邊梁是閘門的主要受力構件，由于受力情況復雜，故在設計時可將容許應力值降低20%作為作為受扭影響的平安儲藏。8.1荷載和內力計算在閘門每側邊梁上各設兩個膠木滑塊。其布置尺寸見圖6.56。1)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，可假設這些荷載由主梁傳給邊梁。每個主梁作用于邊梁的荷載為R=441kN。2〕豎向荷載。有閘門自重、止水摩擦力、起吊力等。上滑塊所受的壓力下滑塊所受的壓力最大彎矩最大剪力最大軸向力為作用在一個邊緣上的啟吊力，估計為200kN〔詳細計算見后面〕。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。8.2邊梁的強度驗算截面面積面積矩截面慣性矩截面模量截面邊緣最大應力驗算腹板最大剪應力驗算腹板與下翼緣連接處折算應力驗算以上驗算均滿足強度要求。圖8.1邊梁截面圖圖8.2邊梁計算9、行走支承設計膠木滑塊計算位置如圖8.2所示，下滑快受力最大，其值為。設滑塊長度為350mm，那么滑塊單位長度的支承壓力為根據(jù)上述q值由6.2表得軌頂圓弧半徑R=150mm，軌頭設計寬度為b=35mm。膠木滑道與軌頂弧面的接觸應力按〔6.14〕式驗算選定膠木滑道高30mm，寬120mm，長350mm。10、膠木滑塊軌道設計〔圖10.3〕10.1確定軌道底板寬度軌道底板寬度按混凝土承壓強決定。根據(jù)混凝由附表9.2查得混凝土的容許承壓應力為，那么所需的軌道底板寬度為故軌道底面壓應力為10.2確定軌道底板厚度軌道底板厚度按其彎曲強度確定。軌道底板的最大彎應力為式中，軌道底板的懸臂長度，對于鋼，查得，故所需軌道底板厚度為圖10.3膠木滑塊支撐軌道截面圖11、閘門啟閉力和吊座計算11.1啟閉力按下式計算其中閘門自重滑道摩擦阻力止水摩擦阻力因為橡皮止水與鋼板間摩擦系數(shù)橡皮止水受壓寬度取每邊側止水受壓長度側止水平均壓強 故下吸力底止水橡皮采用Ⅰ110-16型，其規(guī)格為寬16㎜、長110㎜。底止水跨長8.4m.根據(jù)?剛閘門設計標準?啟門時閘門底緣平均下吸強度一般按計算下吸力為 故閘門啟門力為11.2閉門力按下式計算顯然僅靠閘門自重是不能關閉的，由于該溢洪道閘門孔口較多，假設把閘門行走支承改為滾輪，那么邊梁需由單腹式，加上增設滾輪等設備，那么總價增加較多。為此應考慮采用一個重量200的加載梁，再關閉時可以依次需要關閉的閘門加載下壓關閉。加載梁的設計本章不予詳述。11.3吊軸和吊耳板驗算〔圖11.1〕圖11.1吊軸和吊耳板1).吊軸，采用Q235鋼，查得，采用雙吊點，每邊起吊力為吊軸每邊剪力需要吊軸截面積又故吊軸直徑取吊軸直徑為=80mm2).吊耳板強度驗算。按局部緊接承壓條件，吊耳板需要厚度按式計算，查得Q235鋼的，故在邊梁腹板上端部的兩側各焊一塊厚度