露頂式平面鋼閘門設計

1、水工鋼結構課程設計題 目：露頂式平面鋼閘門設計姓 名：趙 揚班 級：09級農業(yè)水利工程學 號：2009095070指導老師：劉麗霞1、 設計資料閘門形式：溢洪道露頂式平面鋼閘門；孔口凈:9.60m；設計水頭：5.7m；結構材料：Q235鋼；焊條：E43；止水橡皮：側止水用P型橡皮；行走支承：采用膠木滑道，壓合膠木為MCS-2；混凝土強度等級：C20。二、閘門結構的形式及布置（1）閘門尺寸的確定。 1）閘門高度：考慮風浪所產生的水位超高為0.4m，故閘門高度=5.7+0.2=5.9m 2）閘門的荷載跨度為兩側止水的間距：=9.6 m； 3）閘門計算跨度：=+2d=9.6+20.2=10m。（2）

2、主梁的形式.0.2 主梁的形式應根據水頭和跨度大小而定，本閘門屬于中等跨度，為了方便制造和維護，決定采用用實腹式組合梁。L1=9.6 5.9 P=159.2N/m H/3=1.9 5.7 2b=2.5 C=2.55 L=10 L0=9.6 （3） 主梁的布置。 根據閘門的高跨比，決定采用雙主梁。為使兩個主梁設計水位時所受的水壓力相等，兩個主梁的位置應對稱于水壓力合力的作用線=H/3=1.83m，并要求下懸臂a0.12H和a0.4m、上懸臂c0.45H,今取 a=0.65m0.12H=0.68m主梁間距2b=2(a)=2(1.90.65)=2.5m.則 c=H-2b-a=5.72.50.65=2

3、.55（m）3時，=1.4,則t=a=0.07a現列表如下：梁格a（mm）b(mm)b/akp(N/)t(mm)165025901.570.5840.0070.0647570.5000.0210.1027.0186025903.010.5000.0310.1257.5079025903.370.5000.0400.1427.6569025903.750.5000.0480.1557.4853025904.890.7500.0550.2037.53根據上表計算，選用面板厚度t=7mm。（2）面板與梁格的連接計算面板局部撓曲時產生的垂直于焊縫長度方向的橫拉力P，已知面板厚

4、度t=7mm,并且近似地取板中最大彎應力=160 則面板與主梁連接焊縫方向單位長度內的剪力為：由式（6.8）計算面板與主梁連接的焊縫厚度為：面板與梁格連接焊縫取其最小厚度。四、水平次梁、頂梁和底梁的設計（1）荷載與內力的計算水平次梁和頂底梁都是支承在隔板上的連續(xù)梁，作用在它們上面的水壓力按公式： 現列表計算如下： =160.31kN/m 梁號梁軸線水壓強度（）梁間距 (mm) (m) (kN/m) 1（頂梁） 1.425 2 15.4 1.425 21.951.040 3（上主梁） 26.51.005 27.56 0.859 4 35.8 0.830 32.040.825 544.0 0.76

5、0 36.300.705 6（下主梁）51.90.620 36.590.400 7（底梁）57.8 0.350 23.12根據上表計算，水平次梁計算荷載取31.01KN/m, 水平次梁為四跨連續(xù)梁，跨度為2.35m.如下圖所示。水平次梁彎曲時的邊跨跨中彎矩為：支座B處的彎矩為：q=32.4kN/m （1） 截面選擇?？紤]利用面板作為次梁截面的一部分，初選槽鋼18a，由附錄表查得： A=2569()；=141400();=12727000()=68(mm); d=7(mm)面板參加次梁工作有效寬度按下式計算，然后取其中最小值。 B+60t=68+608=548(mm)134 46 B=1b(對跨

6、間正彎矩段）； B=2b(對支座負彎矩段）；44 548 按5號梁計算，設梁間距b=(b1+b2)/2=(780+770)/2=775(mm).確定上式中面板的有效寬度系數時，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=0.8=0.82500=2000(mm);對于支座負彎矩段取=0.4=0.42500=1000(mm)。根據/查表得：8 對于=2000/775=2.581得1=0.79則B =1b=0.79775=612(mm) 對于=1000/775=1.290得2=0.37則B=2b=0.37775=287(mm)對于第一跨中彎矩選用B=485(mm)，則水

7、平次梁組合截面面積： A=2569+5488=6953(mm2)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：對支座段選用B=287(mm).則組合截面面積：組合截面形心到槽鋼中心線的距離：支座處組合截面的慣性矩及截面模量：(3)水平次梁的強度驗算。 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處截面的抗彎強度，即：說明水平次梁選用槽鋼18a滿足要求。 扎成梁的剪應力一般很小，可不必驗算。（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，截面的彎矩已經求得=21.56,則邊跨撓度可近似地按下式計算：故水平次梁選用槽鋼18

8、a滿足強度和剛度要求。2. （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，必須加強頂梁剛度，所以也采用槽鋼18a。 底梁也采用槽鋼18a。五、主梁設計（1）設計資料 1）主梁跨度凈寬L0=9.6m;計算跨度L=10m；荷載跨度L1=9.6m； 2）主梁荷載q=P/2=79.6KN/m. 3) 橫向隔間距：2.5m. 4) 主梁容許撓度：=L/600 。H/3=1.9 0.65m 1.25m 1.25m 0.2m 0.2m 0.2m L=10m L0=9.6m Q=p/2=79.6KN L1=9.6m L=10m 2.55m H=5.7m (2) 主梁設計 主梁設計內容包括：截

9、面選擇；梁高改變；翼緣焊縫；腹板局部穩(wěn)定驗算；面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力驗算。 1）截面選擇 彎矩與剪力。彎矩與剪力計算如下： 、)需要的截面模量。已知Q235鋼的容許應力=160N/mm2，考慮鋼閘門自重引起的附加應力作用，取容許應力=0.9160=144N/mm2,則需要的截面模量為：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質量將隨主梁增高而增加，故主梁高度宜選得比小，但不小于。現選用腹板高度。腹板厚度選擇。按經驗公式計算： ，選用。620 8 翼緣截面選擇。每個翼緣需要截面為：100010 1000 468 1048 580 下翼緣選用(

10、符合鋼板規(guī)格）需要=,選用（).上翼緣的部分截面可利用面板，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：上翼緣面積：彎應力強度驗算 主梁跨中截面（見下圖)的幾何特性如下表：部位截面尺寸截面面積A各形心離面板表面距離各形心離中和軸距離面板部分620.849.60.419.8-50.1124300上翼緣板142.028.01.850.3-48.766200腹 板1001.0100.052.852802.3530下翼緣342.068.0103.8705853.3193200合計245.612408336035截面形心矩：截面慣性矩：截面模量： 上翼緣頂邊： 下翼緣底

11、邊：彎應力：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）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），有必要將主梁支承段腹板高度寬度減小。620 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，離開支承段的距離為250-10=240cm。10 y1=311 26020 648 900 2500 2500 600 剪切強度驗算：考慮到主梁段部的腹板及翼緣部分分別同支承邊梁的腹板及翼緣相焊接，故可按工字鋼截面來驗算剪應力強度。主梁支承端截面的幾何特性如下表。 部位截面尺寸（cmcm)A(cm2)y,(cm)Ay,(cm3)Y

12、=y,-y1(cm)Ay2(cm3)面板部分620.849.60.419.8-50.146443上翼緣板142.028.01.850.3-48.723874腹 板1001.06032.819682.3194下翼緣342.068.063.8433853.373157合計205.65356125978截面形心距：截面慣性矩：截面下半部中和軸的面積矩：剪應力：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)定驗算。加勁肋的布置：因為80，故需設置橫向加勁肋，以保證腹板的局部穩(wěn)定性。因為閘門上已布置橫向隔板可兼作橫向加勁肋，其間距。梁高與彎矩都較大的區(qū)格可按驗算：區(qū)格左邊及

13、右邊截面的剪應力為：區(qū)格截面的平均剪應力為：區(qū)格左邊及右邊截面上的彎矩分別為：區(qū)格的平均彎矩為：區(qū)格的平均彎應力為：計算 計算，由于區(qū)格長短邊之比為2.5/1.01.0則 將以上數據代入公式 有1.0（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）不必增設橫向加勁肋。再從剪力最大的區(qū)格來考慮：該區(qū)格的腹板平均高度，因，不必驗算，故在梁高減少的區(qū)格內也不必另設橫向加勁肋。5) 面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力的驗算。從上述的面板設計可見，直接與主梁相鄰的面板區(qū)格，只有區(qū)格所需板厚度較大，這意味著該區(qū)格的長邊中點應力也較大，所以選取區(qū)格，并驗算其長邊中點的折算應力。 面板區(qū)格在長邊中

14、點的局部彎曲應力為： 對應于面板區(qū)格在長邊中點的主梁彎矩和彎應力為：面板區(qū)格的長邊中點的折算應力為：上式中的取值均以拉應力為正號，壓應力為負號。故面板厚度選用7mm，滿足強度要求。6、 橫隔板設計（1）荷載和內力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以及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（見下圖），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彎矩為：278 (2) 橫隔板截面選擇和強度計算。13000 8222 1000 8其腹板選用與主梁腹板同高，采1000mm8mm，上翼緣利用面板，下翼緣采用200m

15、m8mm的扁鋼，上翼緣利用面板的寬度按B=2b確定，其中b=2500mm，按,查表可得有效寬度系數2=0.51，則B=0.512500=1275取B=1300mm截面形心到腹板中心線的距離為：截面慣矩為：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，橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度。七、縱向連接系設計（1）載荷和內力計算縱向連接系受閘門自重。露頂式平面鋼閘門G按式計算：下游縱向連接系承受: 縱向連接系視為簡支的平面桁架，其桁架腹板桿布置如下，其結點荷載為桿件內力計算結果如圖所示。42500=10000 18.2KN 18.2KN 9.1KN9.1KN9.1KN4.55KN

16、 4.55KN （2） 斜桿截面計算。斜桿承受最大拉力N=17.33kN，同時考慮閘門偶然扭曲時可能承受壓力，故長細比的限制值應與壓桿相同，即選用單角鋼908，由附表查得：截面面積： 回轉半徑： 斜桿計算長度： 長細比： 驗算拉桿強度為： 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。（3） 斜桿與結點板的連接計算（略）。8、 邊梁設計 邊梁的截面形式采用單腹式（如圖），邊梁的截面尺按照構造要求確定，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的扁鋼做成。 邊梁是閘門的重要受力構件，由于受力情況復雜，故在設計師將

17、容許應力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲備。（1） 荷載和內力計算。在閘門每側邊梁上各設六個滾輪。其布置尺寸可見下圖。 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，見假定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=333.45kN。 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 ： 下滑快所受的壓力： 最大彎矩： 最大剪力： 最大軸向力為作用在一個邊梁上的起吊力，估計為200kN（詳細計算見后）。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。78KN 10 304KN 38

18、2KN 382KN 194.6kNm （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。9、 行走支承設計 膠木滑塊計算：滑塊位置如圖所示，下滑快受力最大，其值為。設滑塊長度為350mm，則滑塊單位長度的承壓了為：根據上述q值由表查得軌頂弧面半徑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式（6.14）進行驗算：選定膠木高30mm，寬120mm，長350mm。十、膠木滑塊軌道設計（1）確定軌道底板寬度。軌道底板寬度按混凝土承壓強度決定。根據C20混凝土由附表9.2查得混凝土的容許承壓應力為，則所需要的軌道底板寬度為： 故軌道底面壓應力為：40 （2） 確定