水工钢结构设计

水利水电工程钢结构课程设计任务书

学院名称：专业：水利水电工程年级：2012级

一、设计题目

1、某露顶式平面钢闸门设计

2、某潜孔式平面钢闸门设计

3、某小型露顶式闸门（或潜孔式平面钢闸门）设计+拦污栅设计

二、主要内容

1、某大型露顶式平面钢闸门设计

①闸门型式：露顶式平面钢闸门

②孔口尺寸（宽?高）：20 m ?14 m

③上游水位：m

④下游水位：m

⑤闸底高程：m

⑥启闭方式：

⑦材料钢结构：Q235-A.F；

焊条：E43型；

行走支承：滚轮支承或胶木滑道

止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮

⑧制造条件金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足Ⅲ级焊缝质量检验标准

⑨规范：《水利水电工程钢闸门设计规范SL 1974-2005》

三、具体要求

学生应在规定时间内，要求完成下列成果：

1、设计书一份。包括：①设计资料；闸门结构的型式及布置；面板设计；水平次梁、顶梁

和底梁的设计；主梁设计；面板参加主（次）梁工作的折算应力验算；横隔板设计；纵向连接系设计；边梁设计；行走支承设计；轨道设计；埋设构件设计，闸门启闭力计算，启闭设备选

择等；②设计资料，拦污栅的结构布置，栅面结构设计，梁格设计。设计书要求分章节次序，采用设计纸来书写；要求数字计算正确，书写端正并符合规范化要求的格式，装订成册。

2、图纸。要求设计中图纸与设计计算相匹配，要求图纸结构布置合理，构造合理正确、线

条清晰匀称，符合制图标准要求。图纸包含：①梁格布置尺寸图，次梁截面图，主梁截面图，主梁变截面图，横隔板图，纵向连接系图，边梁图，轨道图，启闭设备图纸等等；②拦污栅结构布置图，栅面构造图，梁格设计图。图纸附在说明书里。

四、主要技术路线提示

1、平面钢闸门的设计路线

①闸门结构的型式及布置

②面板设计

③水平次梁、顶梁和底梁的设计

④主梁设计

⑤面板参加主（次）梁工作的折算应力验算

⑥横隔板设计

⑦纵向连接系设计

⑧边梁设计

⑨行走支承设计，埋设构件设计

⑩轨道设计以及闸门启闭力计算，启闭设备选择

2、拦污栅的设计路线

①拦污栅的结构布置

②栅面结构设计

③梁格设计

五、进度安排

1.露顶式平面钢闸门或潜孔式平面钢闸门设计

①第一天上午：布置设计和理清设计思路

②第一天下午：闸门结构的型式及布置

③第二天：面板，次梁和主梁的设计

④第三天：横隔板，纵向连接系和边梁的设计

⑤第四天：行走支承，轨道设计和闸门启闭力计算，启闭设备选择，止水布置等

⑥第五天：上交课程设计成果和答辩

2、拦污栅设计+小型潜孔式平面钢闸门设计

①第一-第二天：拦污栅设计

②第三-第四天：小型钢闸门设计

③第五天：上交课程设计成果和答辩

六、完成后应上交的材料

1.水工钢结构课程设计说明书

七、推荐参考资料

1. 曹平周，朱召泉 .钢结构. 北京：科学技术文献出版社.2002，6

2.范崇仁.水工钢结构设计.北京：中国水利水电出版.2000，5

3.水利水电工程钢闸门设计规范（SL 74-95）

指导教师签名日期年月日

系主任审核日期年月日

露顶式平面钢闸门设计

一：设计资料

闸门形式：露顶式平面钢闸门。

孔口尺寸：20.0m × 14.0m 空口净宽：20.0m 设计水头：13.8m 结构材料：Q235 焊条：E43型;

止水橡皮：侧止水用P 型橡皮，底止水用条形橡皮。 行走支承：滚轮支承 混凝土强度等级：C20

二：闸门结构的形式及布置 1.闸门尺寸的确定：

闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m,故闸门高度=13.8+0.2=14m 闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=20m 闸门的计算跨度：L=L1+2×0.3=20.6m

2.主梁的形式

主梁的形式根据水头合跨度大小而定，本闸门属大中等跨度为了便于制造和维护，决定采用实腹式组合梁。

3.主梁的布置

根据闸门的高跨比，决定采用4根主梁，为使两个主梁在设计水位时所承受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线 H=13.8，n=4 则

6.43

8.133===

-

H y 1y =4.6m 2y =8.4m 3y = 10.9m 4y =12.9m

4.梁格的布置和形式

梁格采用复式布置和等高连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支承。水平次梁为连续梁，其间应上疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁布置的具体尺寸详见上图

5连接系的布置和形式

（1）横向联接系 根据主梁的跨度决定布置9道横隔板，其间距为2m,横隔板兼作竖直次梁。 （2）纵向联接系 采用斜杆式桁架。 6边梁与行走支承

边梁采用复合腹式，行走支承采用滚轮支承。 三：面板设计

1.估算面板厚度

[]σα9.0所示。面板厚度按1假定梁格布置如图kp

a

t =

当b/a ≤3时，a=1.5，当b/a ≥3时，a=1.4 现列表计算如下:

根据上表计算，选用面板厚度t=14mm. 1.面板与梁格的连接计算

面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力P ，已知面板厚度t=14mm,并且近似地取板中最大弯应力

σ

max

=[]σ=1602

mm N

则

P=0.07t max σ=0.07?14?160=156.8(N/mm) 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力 T=

2I VS

=2335270?1240?14?730.8/(2?44989771400)=329.26(N/mm)

计算面板与主梁连接的焊缝厚度：

h

f

=

22T P +/(0.7[

])

=

()()1137.0/26.3298.1562

2

?+

=1.6mm 面板与梁格连接焊缝最小厚度

h

f

=6mm

四．水平次梁，顶梁和底梁的设计 1.荷载与内力计算

水平次梁和顶底梁都是支承在隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力按 q=P 2

下

上a a + 现列表计算如下：

∑q =896.4482（KN/m ）

水平次梁，顶梁和底梁均布荷载的计算

根据上表计算，水平次梁计算荷载取80.706KN/m, 水平次梁为10跨连续梁，跨度为2m.如下图所示。水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为：

M次中=0.077ql^2=0.077?80.706?4=24.857（KN﹒m）

支座B 处的负弯矩为：

M 次B=0.107ql^2=0.107*80.706*4=34.542（KN ·m ）

2.截面选择 W=

[]

σ M

=(34.542?10^6)/160=215887.5)(3mm 考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选槽钢[20b.由附录三表4查得： A=32832mm ； X W =19140003mm ; X I =191370004

mm ；1b =75mm; d=9mm; h=200 面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取最小值。 B ≤1b +60t=75+60*14=915（mm ）

B=ξ1b( 对跨间正弯矩段） B=ξ2b(对支座负弯矩段）

按11号梁计算，设梁间距b=(b 1+b 2)/2=(850+775)/2=812.5（mm ）。确定上式中面板的有效宽度系数ξ时，需要知道梁弯矩零点之间的距离L 0与梁间距

b 之比值。对于第一跨中正弯矩段取L 0=0.8L=0.8*2000=1600mm; 对于支座负弯矩段取L 0=0.4L=0.4*2000=800mm. 根据L 0/b 查表2-1得：

对于L 0/b=1600/812.5=1.97得 ξ1=0.6928 则B=ξ1b=0.6928*812.5=562.9mm. 对于L 0/b=800/812.5=0.98 得ξ2=0.2944 则 B=ξ2b=0.2944*812.5=239.2mm

对于第一跨中弯矩选用B=562.9mm ，则水平次梁 组合截面面积（如图）：

A=3283+14?562.9=11163.6mm

2

组合截面形心到槽钢中心线的距离：

e=(562.9?14?107)/11163.6=75.53mm 跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：

I 次中=19137000+3283?75.532+562.9?14?31.47

2

=45670433.8mm

4

W min =45670433.8/175.53=260185.9mm 2

对支座段选用B=239.2mm.

则组合截面面积：A=3283+239.2?14=6631.8mm

2

组合截面形心到槽钢中心线的距离：e=(239.2*14*107)/6631.8=54.03mm. 支座处组合截面的惯性矩及截面模量：

I 次B =19137000+3283*54.032+239.2*14*52.972=38117000.9mm 4

W min =38117000.9/154.03=247464.79mm 2

3.水平次梁的强度验算

由于支座处B 弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座B 处截面的抗弯强度，即：

)/(160)/(58.13979

.24746410542.34226

min mm N mm N W M B =<=?==σσ次次

说明水平次梁选用20b 槽钢满足要求。 扎成梁的剪应力一般很小，可不必验算。 4.水平次梁的挠度验算

受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在边跨，由于水平次梁在B 支座处，截面的弯矩已经求得M 次B =34.542KN ·m,则边跨挠度可近似地按下式计算：

004.0250

10004346.016-38453==???

???≤==L w EI l M EI ql l B 次次次ω

故水平次梁选用20b 槽钢满足强度和刚度要求。 5.顶梁和底梁

顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度，所以也采用20b 槽钢。

五．主梁设计 （一）设计资料

1.主梁跨度如下图，净宽L 0=20.00m;计算跨度L=20.6m ；荷载跨度L 1=20m.

2.主梁荷载q=23

3.527KN/m 3.横向隔间距：2m

4.主梁容许挠度：[]w =1/600

`

（二）主梁设计 1.截面选择

（1）弯矩与剪力 弯矩与剪力计算如下：

M max =(233.527*20/2)*(20.6/2-20/4)=12376.931(kN ·m) V=ql1/2=233.527*20/2=2335.27(kN)

(2)需要的截面模量 已知Q235钢的容许应力[]σ=160KN/mm

2

考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力

[]σ=0.9*160=144N/mm 2

,则需要的截面抵抗矩为

W=

[]

σmax

M =12376.93*100/(144*0.1)=85950.9cm 2

.

(3)腹板高度选择按刚度要求的最小梁高（变截面梁）： H min =0.96*0.23*

[][]E

L w L /σ =0.96*0.23*144*100*20.6*100*600/(2.06*10^7)

=190.78cm

对于变截面梁的经济梁高，h ec =2.8w 2/5=2.8*85950.92/5

=263.55cm.现选用腹板高度h 0=220cm.

(4)腹板厚度选择按经验公式计算： t w =11/h =1.35cm,选用 t w =1.6cm (5)翼缘截面选择 每个翼缘需要截面为： A 1=

h W -60h t w ?=233262206.12209.85950cm =?- B1=h0/3～h0/5=220/3～220/5=73.3～44（cm ）

B1<=h0/2.5=88（cm ）

下翼缘选用 1t =5.6（cm ）

)(596

.5332111cm t A b ===

需要 )601cm b （选用=

上翼缘的部分截面可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用t 1=5.6cm,b 1=40cm.面

板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为：

)(1244.16040601cm b B =?+=+=δ

(6)弯应力强度验算 主梁跨中截面的几何特性如下表：

截面形心矩：)(4.1106

.108512

.119459'

1

cm A

Ay y ==

=

∑∑

截面惯性矩:432

3

083.156596165.1423988312

2206.112cm Ay h t I w =+?=+=∑ 截面抵抗矩：

上翼缘顶边 31max 4.1423089.10992

.10750729cm y I W ===

下翼缘底边 32min 025.12777156

.12292.10750729cm y I W ===

弯应力)/(4.14169.0)/(69.9025

.127771931.1237622min max cm KN cm KN W M =?<===

σ

（7）整体稳定性与挠度验算： 因主梁上翼缘直接同钢板相连，按规范规定可不必验算整体稳定性。又因梁高大于刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。 2.截面改变

因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度，有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小h 0s

=0.65h 0=0.65?220=143cm

梁高开始改变的位置取在临近支承段的横向隔板下翼缘的外侧，离开支承段的距离为200-10=190cm. 剪切强度验算：考虑到主梁段部的腹板及翼缘部分分别同支承

边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字钢截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何特性如下表。以及变截面后的尺寸

截面形心距：cm y 22.741

.9481==

截面惯性矩：43

014.449897727.413345112

3.1435.1m I =+?=

截面下半部中和轴的面积矩：

S=336?78.58+2

5.1)214328.4(2

?+

=26459.715)(3

cm

剪应力：16.95

.114.4498977715

.2645927.23350max =???=

w t I S V τ<﹝τ﹞=9.5KN/2cm 安全

3.翼缘焊缝

翼缘焊缝厚度h f 按受力最大的支承端截面计算。最大剪力V max =2335.27kN.截面惯性矩I=4498977.14cm.

上翼缘对中和轴的面积矩 S1=173.6*74.22+224*70.02=28569.072cm^3 下翼缘对中和轴的面积矩 S2=336*78.58=26402.88cm^3

hf=V 1S /(1.40I τf)=2335.27*28569.072/(1.4*4498977.14*11.3) =0.937cm 角焊缝最小厚度 h f >=1.5

t

=1.5*

56

=11.22mm

全梁的上下翼缘焊缝都采用h f =12mm. 六、横隔板设计 1.荷载和内力计算

横隔板同时兼做竖直次梁，它主要承受水平次梁、顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替，并且把横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为M=4.6*9.81*4.6/2*2*4.6/3=318.29(KN ·m)

2.横隔板截面选择和强度计算

其腹板选用与主梁腹板同高，采用2200mm*8mm ，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm*10mm 的扁钢，上翼缘利用面板的宽度按B=ξ2b 确定，其中b=2000mm ，按,查表可得有效宽度系数ξ2=0.746，则B=0.746*2000=1492mm ，取B=1450mm 如下图:

截面形心到腹板中心线的距离：

e=(1450*14*1107-200*10*1105)/(1450*14+200*10+2200*8)=507.8mm 截面惯矩:I=(8*2200^3)/12+8*2200*507.8^2+10*200*1612.8^2

+14*1450*599.2^2=2412779*10^4mm^4

截面模量：Wmin=2412779*10^4/1617.8=14913951.04mm^3 验算弯应力：σ=M/Wmin=318.29*10^6/14913951.04

=21.34<﹝σ﹞=160N/mm^2

于由横隔板截面高度较大，剪切强度更不必验算，横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度f h =10mm 。 七、纵向连接系设计 1.荷载和内力计算

纵向连接系受闸门自重。露顶式平面钢闸门G 按式计算： 当H>8m 时G=0.012?Kz ?Kc 65

.1H

85.1B ?9.8KN=0.012?1?1?65.114?85.120?9.8=2335.74KN

H=14 Kc=1 Kz=1 B=20

下游纵向连接系承受 0.4G=0.4×2335.74=934.296KN

纵向连接系是做简支的平面桁架。节点荷载为: 934.296/10=93.4296KN 2.斜杆截面计算

斜杆承受最大拉力N=594.58KN ，同时考虑闸门偶然扭曲是可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即

[]200=≤λλ。

选用双角钢∟180×14，表查得： 截面面积A=48900㎜2

回转半径i y0=35.6mm 斜杆计算长度l0=0.9?4.336=3.9m

长细比 λ=0l /i y0=(3.9?10^3)/35.6=109.55<[λ]=200

验算拉杆强度：σ=(594.583

10?)/48900=12.16<0.85[σ]=136(N/mm^2)

考虑双角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。 八 ：边梁设计

边梁的截面形式采用双腹式（如下图），边梁的截面尺按照构造要求确定，即截面高度与主梁端部高度相同，腹板厚度与主梁腹板厚度相同，为了便于安装滚轮，两个下翼缘为用宽度为200mm 的扁钢做成。

双腹式边梁截面

边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时将容许应力值降低15%作为考虑受扭影响的安全储备。 1.荷载和内力计算

在闸门每侧边梁上各设3个滚轮。 边梁计算图如下

2.水平荷载。主要是主梁传来的水平荷载，还有水平次梁和顶、底梁传来的 水平荷载。为了简化起见，可假定这些荷载由主梁传给边梁。每个主梁作用于边梁的荷载为R=58

3.8175KN 。 3.竖向荷载。有闸门自重、滚轮摩擦阻力、止水摩阻力、起吊力等。

上滚轮所受的压R1=1292.025（kN ） 其他滚轮所受的压为 R2=1427.54（kN ） 下滚轮所受的压力R3=1950.98（kN ）

最大弯矩 Mmax=934.11（kN ·m ） 最大剪力 Vmax=1167.64（kN ）

最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为7000kN （详细计算见后）。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滚轮的摩阻力，该轴向力

)(88.6857025.129211.0700011.07000kN f N =?-=?-=

4.边梁的强度验算

截面面积 A=256200565502161430??+?+??=98960)(2

mm

面积矩

)(08.702)5615098960/()15145615077198960(3

max mm S =?-??-?=

截面惯性矩 3677330000108975.212

2

143016103=?+??=

I )(4mm 截面模量 )(11.252217421458

36773300003mm W ==

截面边缘最大应力验算:

[])N/m m (1208.0)N/m m (45.5711

.252217421011.9343361601088.6857226

3max max =<=?+?=+=σσW M A N

腹板最大剪应力验算：

[])

N/mm (76958.08.0N/mm 007.01603677330000208

.7021064.11672223max max =?=<=????==ττw It S V

腹板与下翼缘连接处应力验算：

2

3max N/mm 59.427.7507.72204.37989601088.6857=?+?='+=y y W M A N σ

)

N/mm (66.161603677330000207.750256200101167223max =???????==w i It S V τ

[])/N (1281608.08.0)N/mm (44.5166.16359.4232222222mm h =?=<=?+=+=στσσ

以上的验算满足强度要求。 九 、行走支承设计

滚轮计算： 轮子的主要尺寸是轮径D 和轮缘宽度b ，这些尺寸是根据轮缘与轨道之间的接触应力的强度条件来确定的，对于圆柱形滚轮与平面轨道的接触情况是线接触，其接触应力可按下式计算，其中下滚轮受力最大，其值为1167.64kN 。设滚轮轮缘宽度b=120mm ，轮径D=540mm 。

)/(5.5872355.2)/(77.371.1418

.022max mm N mm N bR E

P l =?<==σ

为了减少滚轮转动时的摩擦阻力，在滚轮的轴孔内还要设滑动轴承，选用钢对10-1铸铁铝磷青铜。

轴和轴套间压力传递也是接触应力的形式，验算：

[]

5094.22280

2001064.11671.11.13

1=≤=???==cg l cg db P σσ)/(2mm N

取轴的直径d=200mm ，轴套的工作长度b 1=280mm ，

轮轴选用45号优质碳素钢，取轮轴直径d=160mm ，其工作长度为b=280mm ，对其进行弯曲应力和剪

应力验算：

)

(67.107178612

16014.312)

(1103

33max mm d W m KN M =?=∏=?= [])/(1168.0)/(63.10267

.107178610110226

max mm N mm N W M =<=?==σσ

)(82.5832

max KN P V l

==

[])/(768.0)/(05.294/2^16014.31082.5834

2232max mm N mm N d V =<=??==στ

轴在轴承板的连接处还应按下式验算轮轴与轴承板之间的紧密接触局部承压应力：

[]

)/(1288.054.4090

1601082.58323

mm N t d N

cj cj =≤=??==∑σσ

其中 轴承板所受的压力)(82.5832

KN Pl

N ==

取轴承板叠总厚度

mm t 90=∑

十、滚轮轨道设计 1.确定轨道钢板宽度

轨道钢板宽度按钢板承压强度决定。根据Q235钢的容许承压应力为[]2

/100mm N =σ，则所需要的

轨道底板宽度为

)/(33.97301201064.11673

mm N b P q l =?==

[]

)(3033.97100

33

.9730mm q

B ==

=

σ，取B=100（mm ）

故轨道地面压应力：

)/(3033.9711033

.97302mm N c ==

σ

2.确定轨道底板厚度

轨道底板厚度б按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力：

[]

σσσ≤=22

3t c c

式中轨道底板的悬臂长度c=20（mm ），对于Q235由表查得)/(100][2

mm N =σ 故需要轨道底板厚度：

[]

)

(40)(17.34100203033.973322

mm t mm c t c ==??==

，取σσ

十一．闸门启闭力和吊耳计算 1.启门力按式计算

x

Zd P 1.2(T G 1.1+++=）启Zs T T

其中闸门自重 G=2335.74KN

滑道摩阻力 kN

T zd 89.3182)1.05.76.0(2720

4527.233=+????=

止水摩阻力

kN

fbHp T zs 87.24269.678.132.065.022=????==

其中 橡皮止水与钢板间摩擦系数 f=0.65

橡皮止水受压宽度取为 b=0.2m 每边侧止水受压长度 H=13.8m

侧止水平均压强 p=233.527*4/13.8=67.69KN/㎡

下吸力P x 底止水橡皮采用I110-16型，其规格为宽16mm ，长110mm 。底止水沿门跨长20.6m ，根据SL74-95修订稿：启门时闸门底缘平均下吸强度一般按 20KN/㎡计算，则下吸力：

kN

P x 592.6016.06.2020=??=

故闸门的启门力：

)

(818.6686592.6)87.24289.3182(2.174.23351.1kN T =++?+?=启

2.闭门力：

)

(746.200874

.23359.0890.318287.242(2.19.0)(2.1kN G T T T zd zs =?-+?=-+=闭

显然仅靠闸门自重是能关闭闸门的。 2.吊轴和吊耳板验算，如图：

吊轴和吊耳板图（mm ） （1）吊轴。由于采用双腹式边梁，采用Q235钢，由表查得

[]Mpa 65=τ，采用双吊点，每边起吊力

为

)(091.40122818.66862.122.1kN T P =?=?

=启

吊轴每边剪力

)(02.10034091

.40124kN P V ===

需要吊轴截面积 []2

3

08.15431651002.11003mm V

A =?==τ

又

2

2

785.0.04

d d A ==

π

故吊轴直径

mm A d 2.140785.008.15431785.0==≥

取d=143mm

（2）吊耳板强度验算。按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按下式计算。由表查得Q235钢的

[]2

/80mm

N cj

=σ

故

[]

mm d P

t cj

35.17580

14321009.401223=???==

σ 则t 取177mm

因此在边梁腹板上端部各焊一块厚度为50mm 的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为D=3d=3×143=429mm 。

吊耳孔壁拉应力按下式计算：

[]k cj

k r R r R σσσ85.02

22

2≤-+=

2

3

/26.79143177210091.40122mm N td P cj =???==σ式中，吊耳板半径R=214.5mm ，轴孔半径r=71.5mm ，

由表查得

[]Mpa k 120=σ，所以孔壁拉应力：

2

22222/10212085.0/075.995.715.2145.715.2144.79mm

N mm N k =?=-+?= σ 满足要求。

十二 ：液压启闭机的选择

根据本闸门的设计情况应在上表选择QPKY-8000/4000 -17.0型号的的液压启闭机2台。