平板剛閘門課程設(shè)計(jì)

水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)題目：平面鋼閘門設(shè)計(jì)姓名：安以軒班級(jí)：2008級(jí)水利水電工程學(xué)號(hào)：2008162036指導(dǎo)老師：劉麗霞2010-111設(shè)計(jì)任務(wù)書一、題目平面鋼閘門設(shè)計(jì)二、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：9.60m；設(shè)計(jì)水頭：5.40m；結(jié)構(gòu)材料：Q235；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設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)給定的原始資料，需完成以下設(shè)計(jì)內(nèi)容：了解任務(wù)，熟悉資料，確定閘門結(jié)構(gòu)的形式并對(duì)其進(jìn)行布置；面板設(shè)計(jì)水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計(jì)主梁設(shè)計(jì)橫隔板設(shè)計(jì)縱向聯(lián)結(jié)系設(shè)計(jì)邊梁設(shè)計(jì)等。四、課程設(shè)計(jì)的要求1、總體要求集中布置，明確要求，提倡討論，獨(dú)立完成，嚴(yán)禁抄襲，拷貝現(xiàn)象。2、成果要求（1）說明書一份，內(nèi)容包括：工程概況及基本資料；閘門結(jié)構(gòu)布置、面板設(shè)計(jì)、水平次梁、頂梁、低梁設(shè)計(jì)、施工圖繪制等。說明書應(yīng)文字通順，字跡工整，論據(jù)充足。（2）設(shè)計(jì)圖紙1~2張2設(shè)計(jì)指導(dǎo)書目的要求《水工鋼結(jié)構(gòu)》是水利水電工程專業(yè)的重要專業(yè)課，為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本理論的理解和《水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》規(guī)范條文的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，必須在講完有關(guān)課程內(nèi)容后，安排適當(dāng)時(shí)間的課程設(shè)計(jì)，以提高學(xué)生的綜合運(yùn)用能力。二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置閘門尺寸的確定；主梁的形式；主梁的布置；梁格的布置及形式；聯(lián)結(jié)系的布置及形式。三、主要設(shè)計(jì)計(jì)算步驟面板設(shè)計(jì)估算面板厚度；面板與梁格的連接計(jì)算；水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計(jì)荷載與內(nèi)力計(jì)算；截面選擇；水平次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算；底梁和頂梁設(shè)計(jì)主梁設(shè)計(jì)截面選擇；截面改變；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。橫隔板設(shè)計(jì)荷載和內(nèi)力計(jì)算；橫隔板截面選擇和強(qiáng)度計(jì)算；縱向聯(lián)結(jié)系設(shè)計(jì)荷載和內(nèi)力計(jì)算；斜桿截面計(jì)算；邊梁設(shè)計(jì)等。繪制施工圖露頂式平板剛閘門設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)資料閘門形式：溢洪道露頂式平板剛閘門;孔口凈寬：9.6m；設(shè)計(jì)水頭：5.4m；結(jié)構(gòu)材料：Q235鋼；焊條：E43；止水橡皮：側(cè)止水用P形橡皮；行走支撐：采用膠木滑道，壓合膠木為MCS-2；混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C20;閘門結(jié)構(gòu)的形式級(jí)布置閘門尺寸的確定（圖1）閘門的高度：考慮風(fēng)浪所產(chǎn)生的水位超高為0.2m，故閘門高度H=5.4+0.2=5.6m；閘門的荷載跨度為兩止水的間距；L1=9.6m；閘門的設(shè)計(jì)跨度：L=L0+2d=9.6+2x0.2=10m；主梁的形式：主梁的形式根據(jù)水頭的大小和跨度大小而定，本閘門屬于中等跨度，為了方便制造和維護(hù)，決定采用實(shí)腹式組合梁。主梁的布置：根據(jù)閘門的高寬比，決定采用雙主梁。為了方便兩個(gè)主梁設(shè)計(jì)水位是所受的水壓力相等。兩個(gè)主梁的位置對(duì)稱與水壓力的作用線Y=H/3=1.8m。并且要求下懸梁a0.2H且a0.4m，上懸梁才c0.45H,今取a=0.630.12H=0.12x5.4=0.648，主梁間距2b=2(Y-a)=2(1.8-0.63)=2.34m，則c=H-2b-a=5.4-2.34-0.63=2.34=0.45H=2.43m所以，滿足要求。（4）梁格的布置和形1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)留孔并且被橫隔板所支撐。水平次梁為連續(xù)梁，其間距應(yīng)上疏下密，使得面板各區(qū)需要的厚度大致相等，梁格布置具體尺寸如圖2所示（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2.5m。橫隔板兼作豎直次梁。2）縱向連接系，設(shè)計(jì)在兩個(gè)主梁下翼緣的豎直平面內(nèi)，采用斜桿式桁架。3）邊梁與行走支撐，邊梁采用單復(fù)式，行走支撐采用膠木滑道。1-3.面板設(shè)計(jì)（1）估計(jì)面板厚度度，假定梁梁格布置尺尺寸如圖1所示。面面板厚度按按式t=；計(jì)算當(dāng)b/a3時(shí)，a=1..5,則t=；當(dāng)b/a>>3時(shí)，a=1..4,則t=；現(xiàn)在列表進(jìn)行計(jì)計(jì)算面板厚度的估算算區(qū)格a(mm)b(mm)b/aRp(N/mm22)t(mm)Ⅰ143024901.510.5680.0060.0585.64Ⅱ96024902.590.50.0190.0976.33Ⅲ76024901.890.50.0280.1186.1Ⅳ69024903.230.50.0360.1346.47Ⅴ61024904.080.50.0430.1476.28Ⅵ46024905.410.750.050.1946.25根據(jù)表的計(jì)算，選選用面板厚厚度為t=8mmm。（2）面板與梁格計(jì)算算。面板局局部撓曲是是產(chǎn)生的垂垂直與焊縫縫長(zhǎng)度的橫橫向拉力P的計(jì)算。已已知面壁那那厚度t=8mmm，并且取取最大彎曲曲應(yīng)力；則；面板與主梁梁連接焊縫縫方向單位位長(zhǎng)度內(nèi)的的剪力為；計(jì)算面板與主梁梁連接的焊焊縫厚度為為面板與梁格連接接焊縫取其其最小厚度度；1-4水平次梁梁，頂梁和和底梁的設(shè)設(shè)計(jì)（1）荷載與內(nèi)力計(jì)算算。水平次次梁和頂梁都是支支撐在橫隔隔板上的連連續(xù)梁，作作用在他們們上面的水水平壓力計(jì)計(jì)算。即；列表計(jì)算后得；；水平次梁，頂梁梁和底梁均均布荷載的的計(jì)算梁號(hào)水壓強(qiáng)度

P(KKN/m22)梁間距（m）備注注1頂梁1.5

頂梁荷載載按下圖計(jì)計(jì)算

213.21.2917.033上主梁23.81.080.96522.97432.10.850.80525.84539.60.760.74529.56下主梁47.30.730.6329.87底梁53.90.530.36519.67根據(jù)表的計(jì)算，水水平次梁計(jì)計(jì)算荷載取取29.55kN/mm,水平次梁梁為四跨連連續(xù)梁，跨跨度為2..5m，如如下圖所示示，水平次次梁彎曲時(shí)時(shí)的邊跨中中彎矩為；支座B處的彎矩為；(2)截面選擇考慮利用面板作作為次梁截截面的一部部分，選擇擇有附錄查查表得到：：；；；；。面板參加次梁工工作有效寬寬度：；(對(duì)跨間正正彎矩段)（對(duì)對(duì)支撐負(fù)彎彎矩段）按5號(hào)梁計(jì)算，設(shè)梁梁間距：；；對(duì)于第一跨中正正彎矩段取取：；對(duì)于支座負(fù)彎矩矩段?。焊鶕?jù)查表得得到對(duì)于=,得到，則則。對(duì)于=，得到到,則。對(duì)第一跨中選用用B=5455mm，則則水平次梁梁組合截面面面積為：：A=25515+5545x88=68775mm22組合截面形心到到槽鋼中心心線的距離離為：；跨中組合截面的的慣性矩及及截面模量量為：；；對(duì)支座段選用BB=2699mm，則則組合截面面面積為：：；組合截面形心到到槽鋼中心心線距離：：；支座處組合截面面慣性矩及及截面模量量為：；；(3)水平次次梁的強(qiáng)度度驗(yàn)算。由由支座B處支座彎彎矩最大，而而截面模量量最小，故故只需驗(yàn)算算支座B處截面的的彎矩強(qiáng)度。即即；說明水平次梁選選用，滿足足要求。軋成梁的剪應(yīng)力力一般很小小，可不必必驗(yàn)算。水平次梁的擾度度驗(yàn)算。受受均布荷載載的等連續(xù)續(xù)梁，最大大撓度發(fā)生生在邊跨，由由于水平次次梁在B支座處截截面的彎矩矩已經(jīng)求出出，則邊跨跨撓度可近近似地計(jì)算算為：；故水平次梁選擇擇，滿足強(qiáng)強(qiáng)度和剛度度的要求。頂梁和底梁。頂頂梁荷載較較小，但考考慮水面漂漂浮物撞擊擊影響，必必須加強(qiáng)頂頂梁剛度，所所以也采用用，底梁也也采用。1-5主梁設(shè)計(jì)計(jì)（1）設(shè)計(jì)資料1）主梁跨度（圖圖5）；凈跨跨（孔口寬度）L0=9..6m。計(jì)計(jì)算跨度L=10mm。荷載跨度L1==9.6mm；2)主梁荷載q=11/2p==71.55KN/mm；3）橫向隔板間距距：2.55m；4）主梁容許撓度度；（2）主梁設(shè)計(jì)。主梁梁設(shè)計(jì)包括括：eq\o\aac(○,1)截面選擇擇；eq\o\aac(○,2)梁高改變變；eq\o\aac(○,3)翼緣焊縫縫；eq\o\aac(○,4)腹板局部部穩(wěn)定性驗(yàn)驗(yàn)算；eqq\o\\ac(○,5)面板局部部彎曲與主主梁整體彎彎曲的折算算應(yīng)力驗(yàn)算算。1）截面選擇。eq\o\aac(○,1)彎矩與剪剪力。彎矩矩與剪力的的計(jì)算如下下：；；eq\\o\acc(○,2)需要的截截面模量。已已知Q235鋼的容許許應(yīng)力，考考慮剛閘門門自重引起起的附加應(yīng)應(yīng)力作用，取取容許應(yīng)力力，則需要要的截面模模量數(shù)為（cm3）；eq\o\aac(○,3)腹板高度度選擇。按按剛度要求求的最小高高粱為（cm）；經(jīng)濟(jì)梁高高（cm）；由于剛剛閘門中的的橫向隔板板重量將隨隨增加，故故主梁高宜宜選此hoc小，但但不小于hhmin。現(xiàn)在用腹板高度度h0=100ccm。eq\o\aac(○,4)腹板厚度度選擇。按按經(jīng)驗(yàn)公式式cm。選tw=1.0ccm。eq\o\aac(○,5)翼緣截面面選擇。每每個(gè)翼緣截截面為(cm2)；下翼緣選用tt1=2.0ccm.符合鋼板板要求。需要cm，選用用b1=25cmm。（在cm之間）上翼緣的部分截截面可利用用面板，故故只需設(shè)較較小翼緣板板同面板連連接，選用用t1=2.0ccm，b1=12cmm。面板兼作主梁上上翼緣的有有效寬度取取為B=b11+60δ=12++600..8=600(cm))；上翼緣截面面積積為AA1=1222.0++600..8=722(cm22)；eq\o\aac(○,6)彎應(yīng)力強(qiáng)強(qiáng)度驗(yàn)算。主主梁跨中截截面（圖6）的幾何何特性見下下表。截面面形心矩為為(cm)；截面慣性矩(cm4)；；截面模量上翼緣頂邊：(cm)；下翼緣底邊：（cm）；彎應(yīng)力(KKN/cmm2)；所以，次截截面梁設(shè)計(jì)計(jì)安全。主梁跨中截面的的幾何特性性部位截面尺寸

（cmmxcm))截面面積

(cmm2)各形心離面板

表表面距離y'(ccm)Ay'

(cm33)各形心離中和軸軸

距離y=y''-y1(cm)Ay2

(cm44)面板部分60x0.8480.419.2-4597200上翼緣板12x2.0241.848.2-43.645623腹部100x1.0010052.852807.45476下翼緣25x2.050103.8519058.4170528合計(jì)23210532.44318827eq\o\aac(○,7)整體穩(wěn)定定性與撓度度驗(yàn)算。因因?yàn)橹髁荷仙弦砭壷苯咏油撁姘灏逑噙B，可可以不必驗(yàn)驗(yàn)算整體穩(wěn)穩(wěn)定性。有有因梁高大大于按剛度度要求的最最小梁高，故故梁的撓度度也不必驗(yàn)驗(yàn)算。2)截面改變。因主梁跨度較大，為減小門寬和支撐邊梁高度，有必要將主梁支撐端腹板高度減小為(圖7)。梁高高開始改變變的位置取取在鄰近支支撐端的橫橫向隔板下下翼緣的外外側(cè)（圖8）離開支支撐端的距距離為250--10=2240cmm。剪切強(qiáng)度驗(yàn)算：：考慮到主主梁端部及及翼緣都分分別同支撐撐邊的腹板板及翼緣相相焊接，可可以按工字字形截面來來驗(yàn)算剪應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)度。主主梁支撐端端截面的幾幾何性質(zhì)見見下表。主梁端部截面的的幾何特性性部位截面尺寸

（cmmxcm))截面面積

(cmm2)各形心離面板

表表面距離y'(ccm)Ay'

(cm33)各形心離中和軸軸

距離y=y''-y1(cm)Ay2

(cm44)面板部分60x0.8480.419.2-28.338443上翼緣板12x2.0241.843.2-26.917361腹部60x1.06032.819684.11008下翼緣25x2.05063.8319035.161600合計(jì)1825220.4118418截面形心矩：（cm）；截面慣性矩：((cm4)；截面下半部對(duì)中中和軸的面面積矩：S=225235.11+34..11.00=23666(cmm2)；剪應(yīng)力：；(安全)3)翼緣焊縫。翼翼緣焊縫厚厚度hf按受力最最大的支撐撐端截面計(jì)計(jì)算。最大大剪應(yīng)力Vmaxx=3433.2KNN。截面慣慣性矩I0=1364418cmm4。上翼緣對(duì)中和軸軸的面積矩矩：S1=48x28..3+244x26..9=20004(ccm3)；下翼緣對(duì)中和軸的的面積矩：：S2=50x35..1=17755(ccm3)<S1；需要；腳焊縫最小厚度度；所以，全梁上上下翼緣焊焊縫都采用用hf=8mm。4）腹板的加勁肋肋和局部穩(wěn)穩(wěn)定性驗(yàn)算算。加勁肋肋的布置：：因?yàn)?。故故需要設(shè)置置橫向加勁勁肋。以保保證板的局局部穩(wěn)定性性，因閘門門上已經(jīng)布布置橫向隔隔板可兼作作橫向加勁勁肋，其間間距a=2500mm腹板區(qū)格格劃分如（圖8）所示。梁高與彎彎矩都較大大的區(qū)格Ⅱ可以按驗(yàn)算。區(qū)格Ⅱ左左邊及右邊邊截面的剪剪力分別為為；；區(qū)格Ⅱ截面平均剪力為為；區(qū)格Ⅱ左邊及右邊截面面的彎矩分分別為；；區(qū)區(qū)格Ⅱ截面平均均彎矩為；區(qū)區(qū)格Ⅱ截面平均均彎應(yīng)力為為；計(jì)算，由于區(qū)區(qū)格長(zhǎng)短邊邊之比2.5//1.0>>1.0；則；則；；將以上數(shù)據(jù)代入入公式則有有；（這里無局局部壓應(yīng)力力）。滿足局部部穩(wěn)定要求求，故在橫橫隔板之間間（區(qū)格Ⅱ）不必增增設(shè)橫向加加勁肋。在從剪力力最大的區(qū)區(qū)格Ⅰ考慮；該該區(qū)格的腹腹板平均高高度，因，不必驗(yàn)驗(yàn)算，故在在梁高減小小的區(qū)格Ⅰ內(nèi)也不必必另設(shè)橫向向加勁肋。5）面板局部彎曲曲與主梁整整體彎曲折折算應(yīng)力的的驗(yàn)算。面板區(qū)格Ⅳ在邊邊長(zhǎng)中點(diǎn)的的局部彎曲曲應(yīng)力為；；對(duì)應(yīng)與面板區(qū)格ⅣⅣ在長(zhǎng)邊中中點(diǎn)的主梁梁彎矩（圖圖5）和彎應(yīng)應(yīng)力為；；面板區(qū)格的長(zhǎng)邊邊中點(diǎn)的折折算應(yīng)力為為；；；上式中和的的取值均以以拉應(yīng)力為為正號(hào)，壓壓應(yīng)力為符符號(hào)。故面板厚度選用用8mm，滿滿足強(qiáng)度要要求。1-6橫隔板設(shè)設(shè)計(jì)（1）荷載和內(nèi)內(nèi)力計(jì)算。橫橫隔板同時(shí)時(shí)兼作豎直直次梁，它它主要承受受水平次梁梁，頂梁和和底梁傳來來的集中荷荷載以及面面板傳來的的分布荷載載。計(jì)算時(shí)時(shí)可以把這這些荷載用用似三角形形分布的水水壓力來代代替（圖1）并且把把橫隔板作作為支撐在在主梁上的的雙懸臂梁梁，則每片片橫隔板在在上懸臂梁梁的最大負(fù)負(fù)彎矩為(2))橫隔板截截面選擇和和強(qiáng)度計(jì)算算。其腹板板選用與主主梁腹板同同高，采用用10000mm8mmm，上翼翼緣板利用用面板，下下翼緣采用用200mmm8mmm，扁鋼。上上翼緣可利利用面板寬寬確定。其其中b=25000mm，按，從表中查查，則B=00.499925000=12448mm，取B=12000mm。計(jì)算如圖9所示示的截面幾幾何特性。截面形心到腹板板中心線的的距離為：；截面慣性矩為：；截面模量：；驗(yàn)算彎應(yīng)力由于橫隔板截面面高度較大大，剪切強(qiáng)強(qiáng)度更加不不必驗(yàn)算，橫橫隔板翼緣緣焊縫采用用最小焊縫縫厚度。1-7縱向連接接系設(shè)計(jì)（1）荷載和內(nèi)力計(jì)算算?？v向連連接系中承承受閘門的的自重。露露頂式平面面剛閘門門門葉自重G，按下列列公式計(jì)算算下游縱向連接系系承受：0.4GG=0.4484..2=333.7(KKN)；縱向連接系視作作簡(jiǎn)支的平平面桁架，其其中桁架腹腹板布置如如圖10所示。其其結(jié)點(diǎn)荷載載為33.77/4=88.42((KN)。桿件內(nèi)力計(jì)算結(jié)結(jié)果如（圖圖10）所示。（2）斜桿截面計(jì)算算。斜桿承承受最大拉拉力N=188.5KNN。同時(shí)考考慮閘門偶偶然扭曲時(shí)時(shí)可能承受受壓力。故故上細(xì)比的的限制值與與壓桿相同同，即。選用單角鋼L1100mmm8mmm，查表得得：截面面面積；回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)半徑；斜桿計(jì)算長(zhǎng)度；；上細(xì)比；驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度；考慮單角鋼受力力偏心的影影響，將容容許應(yīng)力降降低15%進(jìn)行強(qiáng)度度驗(yàn)算。1-8.邊梁設(shè)設(shè)計(jì)邊梁的截面形式式采用單腹腹式，邊梁梁的截面尺尺寸按構(gòu)造造要求確定定，及截面面高度與主主梁端部高高度相同，腹腹板厚度與與主梁腹板板厚度相同同，為了方方便安裝合合膠木滑塊塊，下翼緣緣寬度不宜宜小于3000mm。邊梁是閘門重要要的受力構(gòu)構(gòu)件，由于于受力復(fù)雜雜，故在設(shè)設(shè)計(jì)的可容容許應(yīng)力值值降低20%作為考慮慮受扭安全全的儲(chǔ)備。（1）荷載和內(nèi)力計(jì)計(jì)算。在閘閘門每側(cè)邊邊梁上各設(shè)設(shè)兩個(gè)膠木木滑塊，其其布置尺寸寸見（圖11）所示。1)水平荷載。主要要是主梁傳傳來的水平平荷載，還還有水平次次梁和頂梁梁，頂梁傳傳來的水平平荷載。可可假設(shè)這此此荷載由主主梁傳來給給邊梁的，每每個(gè)主梁作作用于邊梁梁的荷載為為R=3443.2KKN。2）豎向荷載。有有閘門自重重，滑道摩摩阻力，止止水摩阻力力，啟吊力力等等。上滑塊所受的壓壓力；下滑塊所受的壓壓力；最大彎矩；最大剪力；最大軸向力為作作用在一個(gè)個(gè)邊梁上的的啟吊力，估估計(jì)為150KKN。在最大大彎矩作用用截面上的的軸向力，等等于啟吊力力減去上滑滑塊的摩阻阻力，該軸軸向力。（2）邊梁的強(qiáng)度驗(yàn)驗(yàn)算截面面積；面積積矩；截面慣性矩；截面模量；截面邊緣最大應(yīng)應(yīng)力驗(yàn)算；；腹板最大剪應(yīng)力力驗(yàn)算；；（3）腹板與下翼緣連連接處折算算應(yīng)力驗(yàn)算算；；；1-9.行走支支承設(shè)計(jì)膠木木滑塊計(jì)算算：滑塊位位置如上圖圖12所示，下下滑塊受力力最大。其其值R2=4166KN，設(shè)滑塊塊長(zhǎng)度為3350mmm，則滑塊塊單位長(zhǎng)度度的承壓力力為；根據(jù)q值查得軌頂弧面面半徑R=1500mm。軌軌頭設(shè)計(jì)寬寬度b=35mmm,膠木滑道道與軌道弧弧面的接觸觸應(yīng)力進(jìn)行行驗(yàn)算：；選定膠木高300mm，寬寬120mmm，長(zhǎng)3500mm。1-10.膠木木滑塊軌道道設(shè)計(jì)（11）確定軌軌道底板寬寬度。軌道道底板寬度度按混凝土土承壓強(qiáng)度度決定。根根據(jù)C20混凝土，由由表查得混混凝土得容容許承壓應(yīng)應(yīng)力為，則所需要的軌道道底板寬度度為；（取=185mm）故軌道底