三峽大學(xué)水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)----露頂式平面剛閘門設(shè)計(jì)

1、露頂式平面鋼閘門設(shè)計(jì)一、 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：9.00m；設(shè)計(jì)水頭：5.50m；結(jié)構(gòu)材料：Q235鋼；焊條：E43；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(jí)：C20。規(guī)范：水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范 （SL 74-95）。二、 閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置（1）閘門尺寸的確定（圖1）。1）閘門高度：考慮到風(fēng)浪產(chǎn)生的水位超高為0.2m，故閘門高度= 5.5 + 0.2 = 5.7（m）；2）閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L1 = 9m； 3）閘門的計(jì)算跨度：L = L0 + 2d = 9 +2 0.2 = 9.4(m)；圖

2、1 閘門的主要尺寸圖（單位：m）（2）主梁的形式。主梁的形式應(yīng)根據(jù)水頭的大小和跨度的大小而定，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。（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(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)稱于水壓力的合力作用線 = H/3 1.83 (圖1) 并要求下臂梁和 0.4 。上臂梁 ,今取主梁間距則（滿足要求）（4）梁的布置和形式。梁格采用復(fù)式布置和等高連接，水平次梁穿過(guò)橫隔板上的預(yù)留孔冰被橫隔板所支承。水平次梁為連續(xù)梁，其間距應(yīng)上疏下密，使面板各區(qū)格需要的厚度大致相等，梁格布置具體尺寸如 (圖2) 所示。圖2 梁格布置尺

3、寸圖 （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 道橫隔板，其間距為 2.35 m，橫隔板兼作豎直次梁。2）縱向連接系，設(shè)在兩個(gè)主梁下的翼緣的豎平面內(nèi)。采用斜桿式桁架。（6）邊梁與行走支承。邊梁采用單復(fù)式，行走支承采用膠木滑道。三、面板設(shè)計(jì)根據(jù)水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范 （SL 74-95），關(guān)于面板的計(jì)算，先估算面板的厚度，在主梁截面選擇之后再驗(yàn)算面板的局部彎曲與主梁彎曲的折算應(yīng)力。（1） 估算面板厚度。假定梁格布置尺寸 (圖2) 所示。面板厚度按式計(jì)算 當(dāng)b/a 3 時(shí)，a = 1.5 ，則 當(dāng)b/a 3 時(shí)，a = 1.4 ，則現(xiàn)列 表 1 進(jìn)行計(jì)算。表1 面 板

4、 厚 度 的 估 算區(qū)格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm)t(mm)I154023401.520.5840.0070.0647.18II90023402.600.5000.0190.0975.94III79023402.960.5000.0290.1206.45IV70023403.340.5000.0370.1366.66V61023403.840.5000.0440.1486.32VI47023404.990.7500.0500.1946.38注 1、面板邊長(zhǎng)a、b都從面板宇梁格的連接焊縫算起，主梁上翼緣寬為140mm (詳見(jiàn)后面)2、區(qū)格I、VI中的系數(shù)k由三邊固定一邊簡(jiǎn)支板查得

5、。根據(jù)表1計(jì)算，選用面板厚度 t = 7 mm。（2）面板與梁格的連接計(jì)算。面板局部繞曲時(shí)產(chǎn)生的垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向拉力P按式max計(jì)算，則max =面板與主梁連接焊縫方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的剪力由式面板與梁格連接焊縫取其最小厚度。四、水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計(jì)表2 水 平 次 梁 、 頂 梁 和 底 梁 均 布 荷 載 的 計(jì) 算梁號(hào)梁軸線處水壓強(qiáng)度梁間距（m）（m）（kN/m）備注1頂梁頂梁荷載按下圖計(jì)算1.63214.51.31519.071.003上主梁24.30.94022.840.88432.90.82527.140.77540.50.75030.380.736下主梁47.60.635

6、30.230.547底梁52.90.37019.57（1）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可按式計(jì)算。列 表2 計(jì)算后得根據(jù) 表2 計(jì)算，水平次梁計(jì)算荷載取30.38kN/m,水平次梁為四跨連續(xù)梁，跨度為2.35m（圖3）。水平次梁彎曲時(shí)的邊跨中彎矩為支座B處的彎矩為圖3 水平次梁計(jì)算簡(jiǎn)圖和彎矩圖（2） 截面選擇?？紤]到利用面板作為次梁截面的一部分，初選 16a 由附表6.3查的： ；;。面板參加次梁工作有效寬度分別按式及式或（其中）計(jì)算，然后取其其中較小值。（對(duì)胯間正彎矩段）（對(duì)支座負(fù)彎矩段）按5號(hào)梁計(jì)算，設(shè)梁間距（770+730）/ 2

7、 = 750（mm）。確定式中面板的有效寬度系數(shù) 時(shí)，需要知道梁彎矩零點(diǎn)之間的間距與梁間距b比值。對(duì)于第一跨中正彎矩段取= 。對(duì)于支座負(fù)彎矩段取 = 。表3 面 板 有 效 寬 度 系 數(shù) 和 0.51.01.52.02.53456810120.200.400.580.700.780.840.900.940.950.970.981.000.160.300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92根據(jù)查 表3，得對(duì)于= 1880/750 = 2.507 ，得= 0.78 ，則B = ;對(duì) 于 = 940/750 = 1.253 ，得= 0.364 ，則B =

8、;對(duì)第一跨中選用B=488mm ，則水平次梁組合截面面積 (圖4) 為圖4 面板參加水平次梁工作后的組合截面A = 組合截面形心到槽鋼中心線的距離為跨中組合截面的慣性矩及截面模量為對(duì)支座B = 273 mm ，則組合截面面積為A =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（3）水平次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算。由支座B（圖3）處彎矩最大，而截面模量最小，故只需驗(yàn)算支座B處的截面的抗彎強(qiáng)度，即說(shuō)明水平次梁選用 16a 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支座處截面的彎矩已經(jīng)求得，則邊跨撓度

9、可近似地計(jì)算為 故水平次梁選用 16a 滿足強(qiáng)度和剛度要求。（5）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 16a。底梁也采用 16a。五、主梁設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)資料。1）主梁跨度（圖5）；凈跨（孔口寬度） ，計(jì)算跨度 ,荷載跨度 ；圖5 平面鋼閘門的主梁位置和計(jì)算簡(jiǎn)圖2）主梁荷載： ；3）橫向隔板間距：2.35 ；4）主梁容許撓度。（2）主梁設(shè)計(jì)。主梁設(shè)計(jì)包括：截面選擇；梁高改變；翼緣焊縫；腹板局部穩(wěn)定驗(yàn)算；面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力驗(yàn)算。 1）截面選擇。彎矩與剪力。彎矩與剪力計(jì)算如下需要的截面模量。已知 Q235 鋼的容許應(yīng)力 ，考

10、慮鋼閘門自重應(yīng)力引起的附加應(yīng)力作用，取容許應(yīng)力為 ，則需要的截面模量為 腹板的高度選擇。按高度要求的最小高梁（變截面梁）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 小，但不小于 ?，F(xiàn)選用腹板高度 。 腹板厚度選擇。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： ，選用。 翼緣截面選擇。每個(gè)翼緣截面為 下翼緣選用（符合鋼板規(guī)格） 需要，選用(在 之間）。 上翼緣的部分截面面積可利用面板，故只需設(shè)置較小的上翼緣板同面板相連，選用，。 面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為 上翼緣的面積為彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。主梁跨中截面（圖6）的幾何特性見(jiàn) 表4 。截面形心矩為圖6 主梁跨中截面積截面慣性矩截面模量： 上翼

11、緣頂邊 下翼緣底邊 彎應(yīng)力表4 主 梁 跨 中 截 面 的 幾 何 特 性部位面板部分39.20.3513.7-48.7575031上翼緣板28.01.747.6-42.450337腹板9047.742933.61166下翼緣52.093.7487249.6合計(jì)209.29226整體穩(wěn)定性與撓度驗(yàn)算。因主梁上翼緣直接同鋼面板相連，按設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，可不必驗(yàn)算整體穩(wěn)定性。又因梁高大于按剛度要求的最小梁高，故梁的撓度不必驗(yàn)算。2)截面改變。因?yàn)榱嚎缍容^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（圖7）梁高開始改變的位置去載鄰近支承端的橫向隔板下翼緣的外側(cè)（圖8），

12、離開支承端的距離為23510 = 225 cm圖7 主梁支承端截面圖圖8 主梁變截面位置圖剪切強(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，故可按工字形截面來(lái)驗(yàn)算剪應(yīng)力的強(qiáng)度。主梁支承端截面的幾何性質(zhì)見(jiàn) 表5 。 表5 主 梁 端 部 截 面 的 幾 何 特 性部位面板部分39.20.3513.7-26.6527841上翼緣板28.01.747.6-25.317923腹板5429.716042.7394下翼緣52.057.7300030.749009合計(jì)173.2466595167 截面形心距 截面慣性矩 截面下半部對(duì)中和軸的面積矩 剪應(yīng)力 3）翼緣焊縫。翼緣焊縫厚度

13、（焊腳尺寸）按受力最大的支承端截面計(jì)算。最大剪應(yīng)力，截面慣性矩。 上翼緣對(duì)中和軸的面積矩 下翼緣對(duì)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。4）腹板的加勁肋和局部穩(wěn)定驗(yàn)算。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 = 235cm 。腹板區(qū)格劃分如 （圖8）所示。 梁高與彎矩都較大的區(qū)格II可按式驗(yàn)算：區(qū)格II左邊及右邊截面上的彎矩分別為 區(qū)格II截面的平均剪應(yīng)力 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的平距彎應(yīng)力為計(jì)算 計(jì)算，由于區(qū)格長(zhǎng)短邊之比為 2.35/0.9 1.0

14、，則則 將以上數(shù)據(jù)代入公式有（這里無(wú)局部壓應(yīng)力）。 滿足局穩(wěn)要求，故在橫隔板之間（區(qū)格II）不必增設(shè)橫向加勁肋。 再?gòu)募袅ψ畲蟮膮^(qū)格I來(lái)考慮； 該區(qū)格的腹板平均高度，因，不必驗(yàn)算，故在梁高減小的區(qū)格I內(nèi)也不必另設(shè)橫向加勁肋。 5）面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力的驗(yàn)算。從上述的面板計(jì)算可見(jiàn)，直接與主梁相鄰的面板區(qū)格，只有區(qū)格IV所需要的板厚較大，這意味著該區(qū)格的長(zhǎng)邊中點(diǎn)應(yīng)力也較大，所以選取區(qū)格IV(圖2)按式（其中，）驗(yàn)算其長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力。 面板區(qū)格IV在長(zhǎng)邊中點(diǎn)的局部彎曲應(yīng)力為對(duì)應(yīng)于面板區(qū)格IV在長(zhǎng)邊中點(diǎn)的主梁彎矩（圖5）和彎應(yīng)力為 面板區(qū)格IV的長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力為 上式中、和的取

15、值均以拉應(yīng)力為正號(hào)，壓應(yīng)力為負(fù)號(hào)。故面板厚度選用7mm,滿足強(qiáng)度要求。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(lái)的集中荷載以及面板傳來(lái)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(lái)代替（圖1），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彎矩為（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，上翼緣利用面板，下翼緣采用的扁鋼。上翼緣可利用面板寬度按確定，其中b=2350mm,按1，從 表3查得有效寬度系數(shù)，則，取。計(jì)算如 (圖9) 所示的截面幾何特性。圖9 橫 隔 板 截 面 圖截面形心到腹板中心線

16、的距離為截面慣矩為截面模量為驗(yàn)算彎應(yīng)力為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6mm。七、縱向連接系設(shè)計(jì)（1）荷載和內(nèi)力計(jì)算?？v向連接系承受閘門自重。露頂式平面剛閘門門葉自重G按附錄10中的式計(jì)算下游縱向連接系承受 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10)所示，其結(jié)點(diǎn)荷載為桿件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如 (圖10) 所示。（2）斜桿截面計(jì)算。斜桿承受做大拉力N = 17.35kN，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。圖10 縱向連接系計(jì)算圖 選用單角鋼L,由表附表6.4查得 截面面積回轉(zhuǎn)半徑 斜桿計(jì)算長(zhǎng)度 長(zhǎng)細(xì)

17、比 驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度 考慮到單角鋼受力偏心的影響，將容許應(yīng)力降低15%進(jìn)行計(jì)算。（3）斜桿與結(jié)點(diǎn)板的連接計(jì)算（略）。八、邊梁設(shè)計(jì)邊梁的截面形式采用單腹式（圖11），邊梁的截面尺寸按構(gòu)造要求確定，即截面高度與主梁端高度相同，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。邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，故在設(shè)計(jì)時(shí)可將容許應(yīng)力值降低20%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)膠木滑塊。其布置尺寸見(jiàn) （圖12）。圖11 邊梁截面圖 圖12 邊梁計(jì)算圖 1）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

18、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)主梁作用于邊梁的荷載R =334。 2）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(gè)邊梁上的啟吊力，估計(jì)為200kN（詳細(xì)計(jì)算見(jiàn)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。（2）邊梁的強(qiáng)度驗(yàn)算。 截面面積 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折算應(yīng)力驗(yàn)算 以上驗(yàn)算均滿足強(qiáng)度要求。九、行走支承設(shè)計(jì)膠木滑道計(jì)算：滑塊的位置如 （圖12） 所示，下滑塊受力最大，其值為。設(shè)滑塊

19、長(zhǎng)度為300mm，則滑塊單位長(zhǎng)度的承壓力為 根據(jù) 表6 查得軌頂狐面半徑R = 150mm，軌頭設(shè)計(jì)寬度為b = 35mm。表6 鋼 軌 工 作 表 面 寬 度 與 圓 弧 半 徑支承壓力q(N/mm)1000100020002000300030004000軌道圓弧半徑R(mm)100150200300軌道設(shè)計(jì)寬度b(mm)25354050注 b值不得與滑塊中間的一條膠木同寬。 膠木滑道與軌頂弧面的接觸應(yīng)力按式進(jìn)行驗(yàn)算 選定膠木高30mm，寬120mm，長(zhǎng)300mm。十、膠木滑塊軌道設(shè)計(jì)（圖13）（1）確定軌道底板寬度。軌道底板寬度按混凝土承壓強(qiáng)度確定。根據(jù)C20混凝土附表9.2查得混凝土的容許承壓應(yīng)力為，則所需的軌道底板寬度為 故軌道底面壓應(yīng)力為圖13 膠木滑塊支承軌道