露頂鋼閘門課程設(shè)計

1、 水利水電工程鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計 -露頂式平面閘門一、設(shè)計資料： 閘門型式：露頂式平面鋼閘門孔口尺寸（寬高）： 14 m 12 m上游水位： m下游水位： m閘底高程： 0 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，滿足級焊縫質(zhì)量檢驗標準規(guī)范：水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范SL 1974-2005二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置1.閘門尺寸的確定閘門高度：考慮風浪所產(chǎn)生的水位超高0.2m，故閘門高度=12+0.2=12.2（m）；閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L1=14m

2、；閘門計算跨度：L=L0+2d=14+2*0.2=14.40（m）整個閘門的荷載為作于和閘門距離閘底H/3的P=706.32 KN/m的均布荷載2.主梁的形式主梁的形式根據(jù)水頭和跨度大小而定，本閘門屬偏大跨度，為了方便制造和維護，決定采用實腹式組合梁。3.主梁的布置根據(jù)閘門的高跨比：當L小于等于H時采用多主梁形式，當L大于等于1.5H時候采用雙主梁形式，根據(jù)設(shè)計資料為14*12孔口尺寸，本設(shè)計采用3根主梁主梁位置的確定：主梁位置的設(shè)計原則是根據(jù)每個主梁承受相等水壓力的原則確定。對于露頂式閘門：假定水面至門底的距離為H，主梁的個數(shù)為n，第K根主梁至水面的距離為Yk，則 Yk=2H/3nK1.5

3、-（K-1）1.5 根據(jù)公式：Y1=2*12/3311.5 -（1-1）1.5 =4.6（m）Y2=2*12/3321.5 -（2-1）1.5 =8.5 （m）Y3=2*12/3331.5 -（3-1）1.5 =10.9（m）考慮到后面梁格的布置和面板的選取將第三根主梁的位置下調(diào)0.5m所以Y3=11.4（m）。4.梁格的布置和形式對于露頂式大跨度閘門采用復式布置和等高連接，水平次梁穿過橫隔板上的預留孔并被橫隔板所支撐，水平次梁為連續(xù)梁，其間距應上疏下密，使面板各區(qū)格需要的厚度大致相等，梁格布置的尺寸詳見下圖5.連接系的布置和形式橫向連接系，根據(jù)主梁的跨度，決定布置7道橫隔板，其間距為1.75

4、m，橫隔板兼做豎直次梁，縱向連接系，設(shè)在兩兩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：邊梁采用雙腹式，行走支承采用滾輪三、面板設(shè)計根據(jù)SL74-95水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范，關(guān)于面板的計算，先估算面板的厚度，在主梁截面選擇之后再驗算面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力。1.估算面板厚度假定梁格的布置如上圖所示。面板厚度按 T=a(KP/0.9ao)當b/a小于等于3時，a=1.5則T=a(KP/（0.9*1.5*160）)=0.068KP當b/a大于等于3時，a=1.4則T=a(KP/（0.9*1.5*160）)=0.07KP列表計算： 面板厚度的估算區(qū)格a(mm)b(mm)

5、b/akp(N/mm2)kpt(mm)I175031001.7714290.6520.015190.09951812.19098II150017501.1666670.3680.037730.11783312.01898III150017501.1666670.3680.052430.13890414.16818IV130017501.3461540.4190.066150.16648414.71717V110017501.5909090.4620.077910.18972214.1912VI100017501.750.4840.08820.20661314.04966VII100017501

6、.750.4840.0980.21778914.80964VIII90017501.9444440.4950.107310.23047414.10503IX60017502.9166670.750.114170.29262212.29011如表所示，面板大的t在3mm范圍內(nèi)，所以梁格布置合理，現(xiàn)選用面板厚度為t=15mm2.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按下式計算，已經(jīng)面板厚度為15mm，并且近似取板中的最大彎應力為o=160N/mm2，則：P =0.07to=0.07*15*160=168 N/mm2 面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)的剪力： T=VS/

7、2I=298 N/mm2 由 hf=（P2+T2）/（0.7*113）=11.6mm面板與梁格連接焊縫取其最小厚度hf=12mm四、水平次梁、底梁、頂梁的設(shè)計1、荷載與內(nèi)力計算水平次梁和頂、底梁都是支撐在橫隔板上的連續(xù)梁，作用在他們上面的水壓力可按下式計算： q = p（a上+a下）/2列表計算： 根據(jù)上表計算，水平次梁的計算荷載取513.741 KN/m，水平次梁為8跨連續(xù)梁，跨度為14/8=1.75m ，8跨彎矩系數(shù)選擇如下圖： 水平次梁彎曲時的邊跨中彎矩為 M次中=0.078ql2=0.078*513.741*1.752=122.72 （KN*m） 支座B處的負彎矩： M次B=0.105

8、q l2=0.105*513.741*1.752=165.20（KN*m） 2.截面選擇 W=M/o=165.2*106/160=1032500（mm3）考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選【40c，由教材附錄三表4查的：A=9105mm2 Wx=985600mm3 Ix=197112000mm4 b1=104mm d=14.5mm 面板參加次梁工作有效寬度按下式計算，然后取最小值： B<=b1+60t=104+60*15=1004(mm)按上述中的8號梁進行計算：梁間距b=(b1+b2)/2=(1000+900)/2=950(mm)對于第一跨中正彎矩段取L0=0.8L=0.8*175

9、0=1400(mm),對于負彎矩段取L0=0.4L=0.4*1750=700(mm)，根據(jù)L0/b查表教材P205頁表7-1對于L0/b=1400/950=1.47得&1=0.56則B=&1*b=0.56*950=532(mm)對于L0/b=700/950=0.74得&2=0.22則B=&2*b=0.22*950=209(mm)對第一跨中選用B=532mm，則水平次梁的組合截面面積為 A=9105+532*15=17130 mm2組合截面形心到槽鋼的中心線距離為：e=532*15*207.5/17130=96.66(mm)跨中組合截面的慣性矩及截面模量為：I次中

10、=197112000+9105*96.662+532*15*110.842=380640208.4 mm4Wmin=380640208.4/296.66=1283085 mm3 對于支座B選B=209(mm)，則組合截面面積為： A=9105+209*15=12240 mm2截面形心到槽鋼的中心線距離為： e=209*15*207.5/12240=53.15(mm)支座處組合截面的慣性矩及截面模量： I次B= 197112000 +9105*53.152 +209*15*602 =234118919.4 mm4 Wmin=234118919.4/253.15=1069951.9 mm3 3.水

11、平次梁的強度驗算由于支座B處彎矩最大，而截面模量較小，故只需驗算支座B處抗彎強度，即：O次=M次B/Wmin=165.2*106/1069951.9=154.40（N/mm2）<o=160 N/mm2說明水平次梁選用【40c滿足要求。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)生在跨邊，由于水平次梁在B支座處截面的彎矩為MB次=165.2（KN*m），則邊跨撓度可近似計算：w/l=5*ql3/(384*EI次)-M次B*l/16EI次 =5*513.74*(1.75*103)/(384*206000*380640208.4)-165.2*106*1.75*103/(16*20

12、6000*380640208.4)=0.000564<0.004故水平次梁選用40c滿足強度剛度要求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影響，必須加強頂梁剛度，所以也采用【40c。底梁也采用【40c。五、主梁的設(shè)計1.設(shè)計資料主梁的跨度：孔口尺寸L0=12m，計算跨度L=L0+2d=12.4m，荷載跨度L1=12m主梁荷載：由于第三根主梁位置下調(diào)，故將第三根主梁作為設(shè)計依據(jù)： q = 248.12KN/m橫向隔板間距：1.75m主梁的允許撓度：W=L/6002.主梁設(shè)計主梁設(shè)計的內(nèi)容包括：截面選擇；梁高改變；翼緣焊縫；腹板局部穩(wěn)定性驗算；面板局部彎曲與主梁整體彎曲折算應

13、力驗算。截面選擇：彎矩與剪力：Mmax=248.12*12/2*（12.4/2-12/4）=4763.9 (KN/m)Vmax=q L1/2=248.12*12/2=1488.72 (KN)需要的截面模量。已知Q235鋼的容許應力為o=160（N/mm），考慮鋼閘門的自重引起的附加應力，取o=0.9*160=144（N/mm），則需要的截面模量為W=Mmax/o=4763.9*100/(144*0.1)=33082.64 cm3腹板高度的選擇：hmin=0.96*0.23*o/(E*W/L)=0.96*0.23*144*100*12.4*100/2.06*107/(1/600)=114.83

14、(cm)經(jīng)濟梁高hec=3.1W2/5=3.1*(33082.64) 2/5=199.16 (cm)由于鋼閘門中的橫向隔板重量隨主梁增高而增加，故主梁高度應比hec小，但不小于hmin，故選用腹板高度為: h 0= 180 (cm)腹板厚度的選擇： tw= h0/11=180/11=1.22(cm) 選用腹板tw=1.4(cm)翼緣截面的選擇： A1=W/h0-(1/6)*tw*h0=33082.64/180-(1/6)* 1.4*180=141.79 (cm2) 下翼緣：需要b1=h0/3至h0/5之間，故取b1=h0/4=45（cm） t1=A1/b1=141.79/45=3.15（cm）

15、 上翼緣的部門面積可利用面板，故只需要設(shè)置較小的上翼緣同面板相連，選用t1=3.15cm,b1=20cm 面板兼做主梁上翼緣的有效寬度取為： B=b1+60&=20+1.5*60=110 (cm) 上翼緣面積：A1=20*3.15+110*1.5=228(cm2) 彎應力強度驗算。主梁跨中截面如下圖，幾何特性如下表:截面的形心矩： y1=Ay/A=50566.67/621.75=81.33(cm)截面的慣性矩：I=tw*h03/12*Ay2=1.4*1803/12+3061550=3741950 cm4截面模量：上翼緣頂邊：Wmax=I/y1=3741950/81.33=46009.4

16、7 cm3下翼緣底邊：Wmin=I/y2=3741950/106.47=35142.76 cm3彎應力：o=Mmax/Wmin=4763.9*100/35142.76=13.56(KN/cm2)<0.9*16=14.4(KN/cm2) 所以安全。 表：主梁跨中截面的幾何特性 整體穩(wěn)定性與撓度驗算。因主梁上翼緣直接同剛性面板相連，可以不必驗算整體穩(wěn)定性，又因梁高大于按剛度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗算。截面改變因主梁的跨度較大，為減小門槽寬度和支撐邊梁高度（節(jié)省鋼材），有必要將主梁支承段腹板高度減小為h0s=0.6h0=0.6*180=106cm,如下圖：梁高開始改變的位置取在鄰近支

17、承端的第二個橫向隔板下翼緣的外側(cè)，離開支承端的距離為：175*2=350cm 主梁端部截面的幾何特性截面形心慣性矩：y1=Ay/A=24780.63/518.15=47.83cm截面的慣性矩：I=tw*h03/12*Ay2=1.4*1063/12+1094024=1292975.87 cm4截面下半部對中和軸的面積矩： S=141.75*64.395+62.82*1.575*62.82/2=12235.74 cm3剪應力：c=Vmax*s/Itw=1488.72*12235.74/1292975.87*1.5=9.14(KN/cm2)<c=(KN/cm2),所以安全 翼緣焊縫翼緣焊縫厚度

18、hf按受力最大的支承端截面的計算。最大剪力Vmax=1488.72KN，截面慣性矩為I=1292975.87 cm4上翼緣對中和軸的面積矩：S1=165*47.08+63*44.755=10587.765（cm3）下翼緣對中和軸的面積矩：S2=141.75*64.395=9127.99（cm3）<S1需要hf=V*S1/1.4Ic=1488.72*10587.765/(1.4*1292975.87*11.3) =7.7mm所以上下翼緣都采用hf=9mm六、橫隔板設(shè)計1.荷載與內(nèi)力的計算橫隔板同時兼做豎直次梁，它主要承受水平次梁、頂梁和底梁傳來的集中荷載及面板傳來的分布荷載，計算時可把這些

19、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承在主梁上的雙懸臂梁。則每片橫隔板在上懸臂的最大負彎矩為：取第一根主梁處的面板進行計算：M=4.6*103.79/2*1.75*4.6/3=640.56（KN*m）2.橫隔板截面的選擇與強度計算其腹板選用與主梁的腹板同高，采用1800mm * 15mm,上翼緣可利用面板，下翼緣采用200mm*8mm的扁鋼。上翼緣可利用面板的寬度按B=&2b確定，其中b=1750mm,按L0/b=2*4600/1750=5.25從教材7-1查的有效寬度系數(shù)&2=0.775，則B=0.775*1750=1356.25(mm)，取B=1300(mm

20、)計算下圖的幾何特性：截面形心到腹板中心線的距離： E=(1300*15*907.5-200*8*907.5)/(1300*15+200*8+1800*15)=337.72(mm)截面慣性矩：I=15*18003/12+15*1800*337.722+8*200*1241.722+15*1300*569.782=1.9*1010截面模量： Wmin=1.9*1010/1245.72=15252223.61(mm3)驗算彎應力： O=M/Wmin=640.56*106/15252223.61=41(N/mm2)<o由于橫隔板截面高度較大，剪切強度不必驗算。橫隔板翼緣采用焊縫厚度為hf=8m

21、m。七、縱向連接系的設(shè)置1.荷載和內(nèi)力計算 縱向連接系承受閘門自重。露頂式平面閘門門葉自重G按教材附錄十一式計算： G=KZKCKGH1.43B0.88*9.8 =0.81*1*0.13*121.43*140.88*9.8=367.69(KN)下游縱向連接系承受0.4G=0.4*367.67=147.076(KN)其結(jié)點荷載為： 147.076/8=18.38(KN)2.斜桿截面計算斜桿承受最大拉力N=（75.538-9.19）*2/2=93.83（KN），同時考慮閘門偶然扭曲可能承受壓力，故長細比的限制值應與壓桿相同，即<=200。選用單角鋼L158*8，由教材附錄三表2查的截面面積A

22、=1980（mm2） 回轉(zhuǎn)半徑iy0=25(mm)斜桿計算長度：LO=0.9（1.752+4.32+0.42）=4.19（m）長細比=L0/ iy0=4.19*1000/25=167.74<=200驗算拉桿強度： o=93.83*1000/1980=47.39(N/mm2)<0.85o=133(N/mm2)考慮單角鋼受力偏心的影響，將容許應力降低15進行強度驗算。八、邊梁的設(shè)計 由于面板的尺寸大于5*5，所以邊梁的截面采用雙腹式，如下圖所示，邊梁的截面尺寸按構(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，上下翼緣取200mm*20mm，為便于在兩腹板之間的焊

23、接，其間距為400mm。 邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復雜，故在設(shè)計時可將容許應力值降低20作為考慮受扭影響。1.荷載和內(nèi)力計算見下圖：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，為了簡化計算，可假定這些荷載是由主梁傳遞給邊梁。每個主梁作用于邊梁的荷載為R=P總/3=235.44 （KN/m）,為了便于計算，僅考慮豎向平面內(nèi)，橫向尺寸暫時不記。豎向荷載。有閘門的自重，因為是設(shè)置行走支撐為滾輪，忽略摩擦力，止水摩阻力、起吊力等。為了便于布置滾輪，使每個滾輪承受相等的力，不考慮部分彎矩，近視認為在計算端點處彎矩為零，由于有連接系的存在，并不存在較大影響。上滾

24、輪所受的壓力：R1=P總/2=353.16 (KN)下滾輪所受的壓力：R2=P總/2=353.16 (KN)最大的彎矩： Mmax=247.212 (KN*m)最大的剪力： Vmax=235.44 （KN）最大的軸向力，等于起吊力。假設(shè)該軸向力N=200KN2.邊梁的強度驗算截面面積 A = 400*20+2*1060*14+2*100*20=41680 (mm2)面積矩 Smax=400*20*540+2*530*14*265=8262500(mm3)截面慣性矩 I=2*(14*5303)/12+400*20*5402+2*100*20*5402=3846579667(mm4)截面模量 W=

25、3846579667/540=7123295.7(mm3)截面邊緣最大應力驗算：Omax=N/A+Mmax/W=200*103/41680+247.212*106/7123295.7=4.8+34.7=39.5(N/mm2)<0.8o=0.8*157=126(N/mm2)腹板最大剪應力驗算 c = Vmax*Smax/I*tw=235.44*103*8262500/3846579667*14=36.12(N/mm2)<0.8c=0.8*95=76(N/mm2)腹板與下翼緣連接處折算應力驗算： o = N/A+Mmax*y/(W*y)=4.8+34.7*530/550=38.2(N/

26、mm2) c = Vmax*Si/I*tw=235.44*103*530*14*540/(3846579667*14)=18(N/mm2)o2h=(o2+3c2)= (38.22+3*182)=49.3(N/mm2)<0.8*160=128(N/mm2)以上驗算均滿足強度要求。九、行走支承設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求與規(guī)范，本閘門采用滾輪。輪子的位置應該按等荷載布置，見上述邊梁設(shè)計土。Y1=5.65(m),Y2=10.35(m)由上述邊梁設(shè)計中已經(jīng)計算耽擱滾輪的壓力R1=R2= P總/2=353.16 (KN),將輪子裝設(shè)在邊梁的兩塊腹板之間。如下圖：滾輪的材料，選用普通碳素鋼。采用輪徑D=600m

27、m,輪緣寬度b=100mm圓柱形滾輪與平面軌道的接觸情況是線接觸，其接觸應力按下式計算： Omax=0.418(P*E/(b*R)=0.418*(353.16*103*2.06*105/(100*300) =650.9(N/mm2)<3fy=3*235=705(N/mm2)且D/b=600/100=6符合要求。為了減少滾輪轉(zhuǎn)動的摩擦力，在滾輪的軸孔內(nèi)還要安裝設(shè)滑動軸承,采用銅合金。軸和軸套建壓力也是接觸應力的形式，按下式驗算： ocg=P/d*b1=353.16*103/(175*280)=7.2(N/mm2)<ocg=40(N/mm2)輪軸與軸承板之間的緊密接觸局部承壓應力： o

28、cj=N/d*t=(P/2)/(175*20)=50.45(N/mm2) < ocj=80(N/mm2)所以滾輪設(shè)計符合要求。十、滾輪軌道設(shè)計由于輪壓力在200KN至500KN之間，根據(jù)C20混凝土由教材附錄十表2查的混凝土的容許承壓應力為oh=7(N/mm2),故選用軌道的形式和尺寸如下圖所示：在輪壓力P的作用下，軌道地步沿軌長方向的壓應力分布可當做三角形，其三角形底邊長度的一般的a值由下式計算： a=3.3 *3(E*Ix/(Eh*b) 其中Ix=20*2003/12+200*200*1202+300*10*1052=1657433333(mm4) 所以 a=3.3 *3（2.06*

29、105*1657433333/（3*104*200） =1001（mm）oh=P/(ab)=353.16*103/(1001*300)=1.17(N/mm2)< oh=7(N/mm2)軌道頸部的局部承壓應力分布情況與計算，如上圖所示： a1=3.3 *3(I1/tfb)I1為軌頭對其自身中和軸的截面慣性矩：I1=200*220*1202=10269640(mm4) a1=3.3 *3（8269640/20）=286.84 （mm） ocd =P/(a1* tfb)=353.16*103/(286.84*20)=61.56(N/mm2)< ocd=150(N/mm2)軌道的抗彎強度可

30、按倒置懸臂梁驗算： W=828716.7(mm3) M/W=Pa/6=353.16*103*1001/(6*W)71.09(N/mm2)<o=100(N/mm2)同樣，軌道的底板厚度t也可按倒置的懸臂梁計算，即沿軌道長度方向取單位長度的板條當做脫離體來驗算其固定端（腹板處）的抗彎強度： M= oh*(b- tfb)2/8<=ot2/6 o=1.17*(300-20) 2*6/(8 t2)=76.44(N/mm2)<o=100(N/mm2)滿足要求。為了便于把閘門引入門槽，常將軌道的上端做成斜坡形，即把軌道上端的富腹板割去一個三角形部分，再將軌道的翼緣彎到剩下的部分上焊接起來。

31、十一、閘門啟閉力和吊座計算1.啟門力按下式計算： T啟=1.1G+1.2(Tzd+Tzs)+Px其中閘門自重 G=367.69(KN)對于滑動軸承的滾輪：Tzd=(W /R)*(f1*r+fk) 作用在閘門上的總水壓力：W=706.32*14*12=118661.76(KN) 滑動摩擦系數(shù)fk =0.1 (cm) , 滾輪半徑R=30(cm),滑動摩擦系數(shù)f1=0.3輪軸半徑r=8.75(cm),止水摩擦系數(shù)f3=0.7下吸力Px底止水橡皮采用I130-20型，其規(guī)格為寬20mm，長130mm。底止水沿門跨長14.4m，根據(jù)設(shè)計規(guī)范：啟門時閘門底緣平均下吸力按20KN/m2計算，則下吸力： Px=20*14.4*0.02=5.76(KN)所以 Tzd= (118661.76/30)*（0.3*8.75+0.1）= 10778(KN)作用在止水上的總水頭壓力 Pzs=117.72*14.4=1695.168(KN) Tzs=f3* Pzs=1186.6 KN)所以 T啟=1.1*367.69+1.2（10778+1695.168）+5.76=15377.8(KN)2.閉門力按下式計算： T閉=1.2（Tzd+ Tzs）-0.9G=1.2（10778+1695.168）-0