水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計--露頂式閘門（大）

1、 課 程 設(shè) 計 說 明 書課程設(shè)計說明書 課 程 名 稱: 水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計 課 程 代 碼: 題 目: 露頂式閘門（大） 學(xué) 生 姓 名: 學(xué) 號: 年級/專業(yè)/班: 學(xué)院(直屬系) : 能源與動力工程學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師: 目錄1設(shè)計資料- 3 -2閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置- 3 -2.1閘門尺寸的確定- 3 -2.2主梁的形式- 4 -2.3主梁的布置- 4 -2.4梁格的布置和形式- 4 -2.5連接系的布置和形式- 4 -2.6邊梁與行走支承- 5 -3面板設(shè)計- 5 -3.1估算面板厚度- 5 -3.2面板與梁格的連接計算- 6 -4水平次梁，頂梁和底梁的設(shè)計- 6 -4.1荷載與

2、內(nèi)力計算- 6 -4.2截面選擇- 8 -4.3水平次梁的強(qiáng)度驗算- 9 -4.4水平次梁的撓度驗算- 9 -4.5頂梁和底梁- 10 -5主梁設(shè)計- 10 -5.1設(shè)計資料- 10 -5.2主梁設(shè)計- 10 -6橫隔板設(shè)計- 14 -6.1荷載和內(nèi)力計算- 14 -6.2橫隔板截面選擇和強(qiáng)度計算- 14 -7縱向連接設(shè)計- 15 -7.1荷載和內(nèi)力的計算- 15 -7.2斜桿截面計算- 16 -8邊梁設(shè)計- 16 -8.1荷載和內(nèi)力的計算- 16 -8.2邊梁的強(qiáng)度驗算- 17 -9行走支承設(shè)計- 18 -10滾輪軌道的設(shè)計- 18 -10.1確定軌道底板厚度- 18 -10.2確定軌道底板

3、的厚度- 19 -10.3軌道底板混凝體承壓應(yīng)力：- 19 -10.4軌道局部承壓應(yīng)力：- 19 -11閘門啟閉力和吊座計算- 20 -11.1啟門力計算- 20 -11.2閉門力計算- 20 -11.3吊軸和吊耳板- 20 -1設(shè)計資料閘門形式：單孔露頂式平面鋼閘門孔口凈寬：12.00mm上游水位：9.80m 下游水位：0m啟閉方式：液壓式啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)材料：平爐熱軋?zhí)妓劁換235 焊條：E43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：C202閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置2.1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=9.8+0.2=1

4、0.0m；閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L1=12.0m；閘門的計算跨度：L=L0+2d=12+20.2=12.40用autocad畫出圖形如下圖 1 閘門主要尺寸圖（單位 m）2.2主梁的形式主梁的形式根據(jù)水頭合跨度大小而定，本閘門屬中等跨度，為了便于制造和維護(hù)，決定采用實腹式組合梁。2.3主梁的布置根據(jù)閘門的高跨比，決定采用5根主梁。根據(jù)公式。則可算的y1=2.98m y2 =5.45m y3 = 7.06m y4=8.35m y5=9.48m2.4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

5、要的厚度大致相等，梁布置的具體尺寸詳見圖2。圖2 梁格布置尺寸圖2.5連接系的布置和形式橫向聯(lián)接系：根據(jù)主梁的跨度決定布置四道隔板，其間距2.48m ，橫隔板兼作豎直次梁?？v向聯(lián)接系：設(shè)在兩個主梁下翼緣的豎平面內(nèi)，采用斜桿式桁架。2.6邊梁與行走支承邊梁采用單腹式，行走支承采用膠木滑道。3面板設(shè)計3.1估算面板厚度假定梁格布置如圖2所示。面板厚度按下式計算：當(dāng)b/a3時， =1.5，則0.068a當(dāng)b/a3時，=1.4，則0.07a列表計算，如表1表1 面板厚度的計算區(qū)格a(mm)b(mm)b/akp(N/mm2)t(mm)128521701.691.4780.0070.0605.216142

6、521701.521.4570.0220.1009.732130021701.670.4760.0360.13111.565110021701.970.4940.0480.15411.52776021702.860.5000.0580.1708.76578021702.780.5000.0650.1819.59464021703.390.5000.0730.1918.54458021703.740.5000.0790.1998.07361221703.550.5000.0850.2068.83945021704.820.5000.0910.2136.71142121705.150.7500.0

7、960.2687.900根究上表計算，選用面板厚度t=12mm3.2面板與梁格的連接計算面板局部撓曲時產(chǎn)生的垂直于焊縫長度方向的橫拉力P=0.007tmax，已知面板厚度t=12mm，并且近似地取板中最大彎應(yīng)力max=160N/mm2，則P=0.007tmax=0.0712160=134.4(N/mm)面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)的剪力為計算面板與主梁連接的焊縫厚度：面板與梁格連接焊縫最小厚度 hf=6mm4水平次梁，頂梁和底梁的設(shè)計4.1荷載與內(nèi)力計算水平次梁和頂?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 現(xiàn)列表計算如表格2：表2 水平次梁、頂梁共和底梁的計算梁號梁軸線處的水

8、壓強(qiáng)度P(KN/m2)梁間距（m）備注1（頂梁）3.321.47214.911.4721.841.463（主梁）29.231.4241.371.37442.671.2452.701.105(主梁)53.460.9751.590.83661.610.8149.590.787（主梁）69.260.7551.590.71876.220.6549.160.589（主梁）81.910.6351.160.681088.580.5750.050.4511（主梁）93.000.4945.100.5212（底梁）98.100.4544.15根據(jù)上表計算，水平次梁計算荷載取52.7KN/m， 水平次梁為五跨連續(xù)梁

9、，跨度為2.48m。水平次梁彎曲時的邊跨中彎矩為M次中=0.080ql2=0.08052.72.482=21.92(KNm)支座B處的負(fù)彎矩為M次B=0.107ql2=0.10752.72.482=29.31（KNm）圖 4 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部分，初選18a由附錄三查表4 得：A=2569mm2；Wx=141400mm2；Ix=1272700mm4;b=68mm;d=7mm.面板參加次梁工作有效寬度按下式計算，然后取最小值。Bb1+60t=68+6012=788mm（對胯間正彎矩段）（對支座負(fù)彎矩段）按4號梁計算，設(shè)梁間距確定上式中面板的有效寬

10、度系數(shù)時，需要知道梁彎矩零點之間的距離l0與梁間距b之比值。對于第一跨中正彎矩段取l0=0.8l=0.82480=1948（mm），對于支座負(fù)彎矩段取l0=0.4l=0.42480=992（mm）根據(jù)L0/b查表7-1：根據(jù)L0/b查表得對于L0/b=1948/1123.5=1.73得=0.61，B=0.611123.5=689.4(mm)對于L0/b=912/1123.5=0.88，得=0.25，則B=0.251123.5=281(mm)對于第一跨中彎矩選用B=660mm，作圖（圖3）則水平次梁組合截面面積：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：對支座段選用B=3

11、85mm.則組合截面面積：組合截面形心到槽鋼中心線的距離：圖 3面板參加水平次梁工作后的截面（單位 mm）支座處組合截面的慣性矩及截面模量：4.3水平次梁的強(qiáng)度驗算由于支座處B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(qiáng)度，即：說明水平次梁選用槽鋼18a滿足要求。扎成梁的剪應(yīng)力一般很小，可不必驗算。4.4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，截面的彎矩已經(jīng)求得則邊跨撓度可近似地按下式計算：故水平次梁選用槽18a滿足強(qiáng)度和剛度要求。4.5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，所以也采用槽鋼18a,底

12、梁也采用槽鋼18a。5主梁設(shè)計5.1設(shè)計資料1) 主梁跨度凈寬L0=12.00m;計算跨度L=12.4m；荷載跨度L1=12m. 2) 主梁荷載q=98.1KN/m.3) 橫向隔間距：2.48m。4) 主梁容許撓度： 5.2主梁設(shè)計2-1 截面選擇 彎矩與剪力 彎矩與剪力計算如下： 圖 4 平面鋼閘門的主梁位置和計算簡圖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=0.9160=144N/mm2,則需要的截面抵抗矩為 腹板高度選擇按剛度要求的最小梁高（變截面梁）：對于變截面梁的經(jīng)濟(jì)梁高現(xiàn)選用腹板高度h0=110cm腹板厚度選擇。按經(jīng)驗公

13、式計算：選用 tw=1cm翼緣截面選擇 :每個翼緣需要截面為：下翼緣選用 t1=2.0cm（符合鋼板規(guī)格）需要選用b1=45cm（在h/2.5h/5=4824之間）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=2.0cm，b1=16cm。面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為：上翼緣的截面面積1) 彎應(yīng)力強(qiáng)度驗算 主梁跨中截面（見圖5)的幾何特性如表3： 圖 5 主梁跨中截面（單位mm）表3 主梁跨中截面的幾何特性部位截面尺寸 (cmcm)各形心離面板距離y，(cm2)Ay，(cm3)各形心離中合軸距離y=y，-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分641.276.846.

14、1-51.8123462.4上翼緣板162.03283.2-49.8206024.6腹板1201.012064025.82181.9下翼緣板422.084932458.6320597.8合計302.815855.3652266.7截面形心矩：Y1=Ay1/A=15855.28/302.8=52.36(cm)截面慣性矩：I=h。/12+Ay=1120/12+652266.7=796266.7（cm4）截面模量：上翼緣頂邊: Wmin=I/y1=796266.7/52.36=15207.5(cm3)下翼緣底邊：Wmin=I/y2=796266.7/62.84=12671.3(cm3)彎應(yīng)力： =M

15、max/Wmin=1883.52100/12671.3=14.1(kN/cm2)0.916=14.4(kN/cm2)(安全)2) 整體穩(wěn)定性與撓度驗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算。2-2 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梁高開始改變的位置取在臨近支承段的橫向隔板下翼緣的外側(cè)，離開支承段的距離為248-10=238cm見圖6和圖7圖 6 主梁支撐端截面（單位mm）圖 7 主梁兩邊截面位置圖（單位mm）剪切強(qiáng)度驗算：考慮到主梁段部的腹板及翼緣部分分別同支承邊梁

16、的腹板及翼緣相焊接，故可按工字鋼截面來驗算剪應(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。表4 主梁端部截面的幾何特性部位截面尺寸 (cmcm)A(cm2)y，(cm)y=y，-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分641.276.80.646.08-31.877629上翼緣板162321.651.2-30.830343腹板7217236.22389.23.8946下翼緣板4228470.25896.837.8120067合計258.8 8383.3228985截面形心距：截面慣性矩： I。=172/12+228985=260089(cm4)截面下半部中和軸的面積矩：S=8437

17、.8+36.8136.8/2=3852(cm)剪應(yīng)力：T=VmaxS/I。=588.63852/2600891=8.7(kN/cm)=9.5(kN/cm)安全2-3 翼緣焊縫翼緣焊縫厚度hf按受力最大的支承端截面計算。最大剪力 588.6kN 截面慣性矩上翼緣對中和軸的面積矩 S1=76.831.7+3230.1=3398（cm3）下翼緣對中和軸的面積矩 S2=8437.8=3175.2（cm）S1需要角焊縫最小厚度全梁的上下翼緣焊縫都采用8mm6橫隔板設(shè)計6.1荷載和內(nèi)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以及面板傳來的分布荷載，計算時可把這些荷載用以三角

18、形分布的水壓力來代替（如書上例圖7-1），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M=2.9829.23/22.482.98/3=98.64 KNm6.2橫隔板截面選擇和強(qiáng)度計算其腹板選用和主梁同高度，采用1200mm8mm，上翼緣利用面板，上翼緣采用200mm8mm的扁鋼。上翼緣可利用面板寬度按確定，其中b=2480mm,按/b= 22980/2480=2.4，從表查得有效寬度系數(shù)=0.57，則B=0.572480=1413.6mm,取B=1400mm。截面形心到腹板中心線的距離：e=（14008556-2008554）/（14008+2008+12008）=

19、238.4mm截面慣性矩=812003/12+81200238.4+8200853.5+81400256.5=360002104截面模量=360002/853.5=4217950驗算彎應(yīng)力=M/=98.64/4217950=23.8N/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6mm。 圖 8 橫隔板截面（單位mm）7縱向連接設(shè)計7.1荷載和內(nèi)力的計算縱向連接系承受閘門自重，其中下游縱向連接系承受0.4G=0.4422.1=168.84KN縱向連接系視作簡支的平面桁架，其桁架腹板桿布置如圖9所示，其結(jié)點荷載為圖 9 縱向連接系計算圖（單位mm）7.2斜桿截面計算

20、斜桿承受的最大壓力為240KN，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200。選用單角鋼L11010，由附錄三表2查得：截面面積 A=21.3=2130回轉(zhuǎn)半徑 =2.17cm=21.7mm斜桿計算長度 長細(xì)比 =/=3.16/21.7=145.6=200驗算拉桿強(qiáng)度 =240/2130=112.70.85=133 N/考慮到單角鋼受力偏心的影響，將容許應(yīng)力降低15%進(jìn)行計算。8邊梁設(shè)計由于為大孔口，行走支承采用滾輪式，這里采用的雙實腹組合邊梁見圖10，邊梁的截面尺寸按構(gòu)造要求確定，即梁高720mm，下翼緣用兩個180mm20mm的扁鋼做成。腹板厚度20mm，邊梁

21、是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，做設(shè)計時將容許應(yīng)力值降低20%作為 受扭影響的安全儲備。8.1荷載和內(nèi)力的計算滾輪采用等荷載布置，在每個邊梁上分別布置5個大小相等的主論。每個主輪位于主梁后面。每個主輪受力為1080KN。具體計算根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器解得：最大彎矩 Mmax=900KN/m 最大剪力VMAX=731KN圖 10 邊梁截面（單位：mm）圖11 彎矩圖 剪力圖最大軸向力作用在邊梁上的一個起吊力，估為350KN。在最大彎矩作用截面上軸向力為：N=350-7310.1=227KN8.2邊梁的強(qiáng)度驗算截面面積A=60020+720202+180220=48000mm2面積矩Smax=

22、20600340+720203602+180203402=16896000mm3截面慣性矩 I=2837400000mm4截面模量W=2837400000/360=7881667mm截面邊界最大應(yīng)力驗算腹板最大應(yīng)力驗算腹板與下翼緣連接處折算應(yīng)力驗算以上驗算均滿足強(qiáng)度要求9行走支承設(shè)計采用滑動式滾輪支承，軸孔采用滑動軸承，輪徑D=400mm,寬度b=100mm,輪軸直徑d=120mm,軸套工作長度b1=200mm，；輪子材料用普通碳素鑄鋼滾輪驗算圓柱形滾輪與平面軌道接觸應(yīng)力： 軸和軸套間接觸應(yīng)力：輪軸與軸承板間局部承壓應(yīng)力以上計算均滿足強(qiáng)度要求10滾輪軌道的設(shè)計滾輪荷載R=731KN,混凝土為C25，其h=9N/mm2.軌道材料35Mn2，軌道選I56c，由附錄三表4得：WX=251400mm3；IX=714300000mm4;b=170mm；tw=16.5mm； h=560mm1