水工钢结构课程设计

水工钢结构课程设计

题目：露顶式平面钢闸门设计

专业：水利水电工程

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二〇年月日

2.2 设计资料

闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门； 孔口净宽：0.00m ； 设计水头：4.40m ； 结构材料：Q244钢； 焊条：E44；

止水橡皮：侧止水用p 形橡皮；

行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2； 混凝土强度等级：C20。

2.2 闸门结构的形式及布置

（2）闸门尺寸的确定（图2）

2）闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m ，故闸门高度=4.4+0.2=4.7m ；

2）闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：m L 91=；

4）闸门计算跨度：m d L L

40.92.02920

=?+=+=

；

（2）主梁的形式。主梁的形式应根据水头的大小和跨度大小而定，本闸门属于中等跨度，为了方便制造和维护，决定采用实腹式组合梁。

（4）主梁的布置。根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。为使两个主梁设计水位时所受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线m H y 83.13/==（图2）并要求下悬臂a ≥0.22H 和a ≥0.4m 、上悬臂c ≤0.44H 且不大于4.6m ，今取

0.650.120.66

a H m

=≈=

主梁间距

22() 2.35

b y a m

=-=

则2 5.5 2.350.65 2.50.45

c H b a H

=--=--=≈(满足要求) （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撑。水平次梁为连续梁，其间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置具体尺寸如图2所示。

图2. 梁格布置尺寸图

（4）连接系的布置和形式。

2）横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置4道横隔板，其间距为2.44m，横隔板兼做竖直梁。

2）纵向连接系，设在两个主梁下翼缘的竖直平面内，采用斜杠式桁架。

（6）边梁与行走支承。边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。

2.4 面板设计

根据《钢闸门设计规范》（SL 74-04）及2006修订送审稿，关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁截面选择之后再验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。

（2）估算面板厚度。假定梁格布置尺寸如图2所示，面板厚度按下式计算

[]

σα9.0kp

a t =

当a b /≤4时，α=2.4，则kp a t 068.0=

当a b /＞4时，α=2.4，则kp a t 07.0= 现列表2进行计算。

2 区格Ⅰ、Ⅵ中系数k 由三边固定一边简支板查得。

根据表2计算，选用面板厚度t=8mm 。 （2）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向拉力P 按下式计算，已知t=8mm ，并且近似地取板中最大弯曲应力

[]mm N 2

max /160==σσ，则

mm N t P /6.89160807.007.0max =??==σ

面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为

mm N VS T I /19110649600002263

858033345020=????==

面板与主梁连接的焊缝厚度为 mm W F f T P

h 62.2)1157.0/()7.0/(1916

.892

2

22

=?+=

+=τ

面板与梁格连接焊缝取其最小厚度.6mm h f

=。

2.4 水平次梁、顶梁和底梁的设计

（2）荷载与内力计算。水平次梁和顶、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水平压力

2a a p q 下

上+=，且m KN R /11.36

.1345

.122.1445.11=??=

列表2计算后得

∑=q 240.22KN/m+4.22KN/m=242.42KN/m

跨度为 2.44m （图4），水平次梁弯曲时的边跨弯距为: M 次中＝0.077ql 2=0.077х40.2х2.442=22.8kN ?m

支座B 处的弯距：

M 次B ＝0.207ql 2=0.207х40.2х2.442=27.8kN ?m

(2)截面选择

W=111250160

108.17][6

=?=σM mm 4 考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选［24b,由附录6.4表查得：

图面板参加水平

次梁工作后的组合截面

A=2242mm 2 ; W x =87200mm 4 ;

I x =6000000mm 4 ; b=60mm ; d=8mm 。

面板参加次梁工作的有效宽度分别按式下式计算，然后取其中较小值。 B ≤mm c b t 540860602=?+=+

B=ζ2b (对跨中正弯距段)

B=ζ2b （对支座负弯距段） 。

梁间距b=mm b b 7452

730

760221=+=+ 。 对于第一跨中正弯距段

l 0=0.8l=0.8Х2440=2880mm ;对于支座负弯距段l 0=0.4l ＝0.4Х2440＝040mm 。 根据l 0/b 查表6—2：

对于l 0/b ＝2880/744＝2.424 得ζ2＝0.78 ，得B=ζ2b ＝482mm , 对于l 0/b ＝040/744＝2.262 得ζ2＝0.464 ，得B=ζ2b ＝272mm , 对第一跨中选用B ＝440mm,则水平次梁组合截面面积（图4）: A=2242+440Х8=6442mm 2 ;

组合截面形心到槽钢中心线得距离：

e=6451

748540??=40mm ;

跨中组合截面的惯性距及截面模量为：

I 次中＝6000000+2242Х402+440Х8Х242＝24004820mm 4

W min =

2115882120

13905820

mm = 对支座段选用B ＝272mm ，则组合截面面积：A=2242+272Х8=4200mm 2 ; 组合截面形心到槽钢中心线得距离：

e=4299

748271??=47mm

支座初组合截面的惯性距及截面模量为：

I 次B ＝6000000+2242Х472+272Х8Х472＝22074442mm 4

W min =

2111919107

11975331

mm =

（4）水平次梁的强度验算

由于支座B 处（图4）处弯距最大，而截面模量较小，故只需验算支座B 处截面的抗弯强度，即

σ次＝

,/160][/159111919

108.17226

mm N mm N =<=?σ 说明水平次梁选用[24b 满足要求。

轧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 支座处截面的弯距已经求得M 次B=27.8kN ?m,则边跨挠度可近似地按下式计算：

次

次次EI l M EI ql l U B 1638453

-?= ＝13905820

1006.2162350

108.17139058201006.2384]2350[1.3055

653?????-????? ＝0.00086≤004.0250

1

][==l U

故水平次梁选用[24b 满足强度和刚度要求。

（4）顶梁和底梁。顶梁所受的荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度，所以也采用[24b 。

2.4 主梁设计

(2)设计资料 2)主梁跨度：净跨（孔口净宽）L 0＝0m ；计算跨度L ＝0.4m ；荷载跨度L 1

＝0m 。

2)主梁荷载：kN p q 1.742/== 4)横向隔板间距： 2.44m 。

4)主梁容许挠度： [U]=L/600 。 (2)主梁设计。

2）截面选择

①弯距和剪力 弯距与剪力计算如下：

弯距： m kN M ?=-?=817)49

24.9(291.74max

剪力： kN ql V 45.3332

9

1.7421max =?=

= ②需要的截面模量 已知Q244钢的容许应力[σ]=260N/mm2 ,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力[σ]=,/1441609.02mm N =? 则需要的截面模量为；

W=。36

max 5674144

10817][cm M =?=σ ③腹板高度选择 按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为： 经济梁高：。cm W h ec 38.98)5674(1.31.35/25/2=?==

[],05.87600

/11006.2104.914423.096.0]/[23.096.07

4

min cm l U E L

h =?????=?=σ 由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比h ec 为小，但不小于h min 。现选用腹板厚度h 0＝00cm 。

④腹板厚度选择

,86.011/9011/cm h t w ===选用t w ＝2.0cm 。

⑤翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为

,04.486

90190567462001cm h t h W A w =?-=-=

下翼缘选用t 2＝2.0cm （符合钢板规格），需要,0.241

11cm t A

b ==取b 2＝24cm,

上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的翼缘板同面板相连，选用t 2＝2.0cm ，b 2＝20cm ，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为B ＝b 2+60δ＝20+60Х0.8＝48cm 。

上翼缘截面面积A 2=20Х2.0+48Х0.8=66.4cm 2 。

⑥弯应力强度验算

截面形心距：,8.434

.20656.9046''cm A Ay y ===∑∑ 截面惯性距：,30986724911712

900.112432

30cm Ay h t I w =+?=+=∑ 截面模量：

上翼缘顶边 ,59.70748.43309867

31min cm y I W ==

= 下翼缘底边 ,8.607551

30986732min cm y I W === 弯应力：,/4.14169.0/446.138

.6075100

81722min max cm kN cm kN W M =?<=?=

=σ安全

稳定性，因梁高大于按刚度度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。

2）截面改变。因主梁跨度较大，为减小门槽宽度与支承边梁高度（节约钢材），有必要将主梁承端腹板高度减小为cm h h s 546.000==。（图6） 梁高开始改变的位置取在邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧（图7），离开支承端的距离为244-20=224cm 。

剪切强度验算：考虑到主梁端部腹板及翼缘相焊接，故可按工字截面梁验算

应力剪力强度。尺寸表4所示：

图主梁支承端截面

401064969337412

541cm I =+?= cm y 7.261=

,20082

1

.3011.301.31503cm S =?

?+?= ,/5.9][/29.60.1106496200845.333220max cm kN cm kN t I S V w =<=??==ττ因误差未超过20％，

安全

4）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。V max ＝444.44kN 。I 0=206406cm 4，

上翼缘对中和轴的面积距：S 2=46.4Х26.4+20Х24.0=2728.42cm 4， 下翼缘对中和轴的面积距：S 2=40Х42.2＝2444cm 4

需要,334.05.111064964.132

.171845.333][4.101cm I VS h w

f f =???==τ 角焊缝最小，mm t h f 7.6205.15.1==≥。 全梁的上下翼缘焊缝都采用h f ＝8mm 。

4）腹板的加劲肋和局部稳定验算。加劲肋的布置：因

,80900

.1900>==w t h 故需设置横向加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距a ＝244cm 。腹板区格划分见图7。

区格Ⅱ左边及右边截面的剪力分别为

；）（右左0;135.17435.22/91.74-45.333=∏

=-?=∏V V KN 区格Ⅱ截面的平均剪应力为

220/67.9/967.01902/)0135.174(2/(mm N cm KN t h V V w

==?+=∏+∏=）右左τ

区格Ⅱ左边及右边截面上的弯矩分别为 m KN m KN M M M .817,,.34.6122)35.25.4(1.7435.245.333max 2

==∏=-?-?=∏右左 区格Ⅱ的平均弯矩为

m .67.7142/)(KN M M M =∏+∏=左右 区格Ⅱ的平均弯曲应力为

20

/56.94mm N I y

M ==

σ

计算

σ

cr

85.0508.0235

177/0

<==f

t

h y

w

b

λ

[]2/160mm N cr

==σσ 计算τ

cr ，由于区格长短边之比为2.44/0.0=2.6>2,则

9.0235

)

(434.541/2

00

=++=

f

h t

h y

w

s

a λ

因为0.8<0.0<2.2

所以

[]

[]2/4.89)8.0(59.01mm N s cr

=--=τλτ

0=σc

故)(1366.00)4

.895.11()16056.94(

)(

)(

2

2.22这里无局部压应力<=++=+

+σ

στ

σ

τ

σ

cr

c c

cr

cr

满足稳定性要求，故在横隔板之间（区格Ⅱ）不必增设横向加劲肋。

再从剪力最大的区格Ⅰ来考虑：

该区格的腹板平均高度,8072/,,722/)5490(00<==+=t h h w cm 因故不必验算。所以在梁高减小的区格Ⅰ内也不必另设横向加劲肋。

4）面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。从上述的面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格Ⅳ所需要的板厚较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取区格Ⅳ（图2）取验算其长边点的折算应力

,/3.1368

69003665.05.02

2

222mm N t kpa my ±=??=σ ,/89.402mm N my mx ±==μσσ

对应于面板区格Ⅳ在长边中点的主梁弯距和弯应力

,8.7652

525.31.74525.35.41.742

m kN M ?=?-??=

,/25.1087074590

108.76526

0mm N W M x =?==σ

该区格长边中点的折算应力

)()(0202

x mx my x mx my zh σσσσσσσ+-++=

＝

2222/4.246][1.1/9.240)25.10889.40(3.136)25.1083.136(3.136mm N mm N =<=+-++σα

上式中拉应力为正号压应力为负号。 故面板厚度选用8mm 满足强度要求 。

2.6 横隔板设计

（2）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，计算式可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替（图2），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 kN M ?=?

?????=84.573

47

.235.247.20098.01047.2213

（2）横隔板和截面选择和强度验算。其腹板选用与主梁腹板同高，采用000Х8mm ，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm Х8mm 的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式B ＝ξ2

b 确定。,1.22350/24702/0=?=b l 查表得ζ2＝0.44 ，

B=0.44×2440=2246mm ，取B ＝2200mm 。计算如图8所示截面几何特性。

截面形心到腹板中心线的距离： 8

200890081200454820045481200?+?+???-??=

e ＝207mm

截面惯性距：

2

223257120086512008197900812

9008??+??+??+?=I 42077576800mm =

截面模量为 3min 3171873655

mm I

W == ，

验算应力：

2,26

min /160][/24.183171873

1084.57mm N mm N W M =<=?==σσ

由于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h f ＝6mm 。

2.7 纵向连接系设计

（2）荷载和内力计算。纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶自重

KN

G B

H

k K k g C z 6.898.913.00.181.08.910

5

.588

.043

.188

.043.1=?????=?=

下游纵向连接系承受 0.4G=44.84KN

纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如图0所示，其节点荷载为44.84/4=8.06KN

桁架内力计算结果如图0所示。

（2）斜杠截面计算。斜杠承受最大拉力N=（27.02-4.48）2?=20KN,同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即[]200=≤λλ

纵向连接系计算图

图9

选用单角钢∟200╳8，由附表6.4查得 截面面积 A=24602mm ,

回转半径 mm y i

8.190

=

斜杠计算长度 m l 34.035.235.29.02220=?+?= 长细比 []2005.1518

.191000

30

0=<=?=

=

λλy

l 验算拉杆强度为 []223

/13385.0/2.121560

1910mm N mm N =<=?=

σσ

2.8 边梁设计

边梁的截面形式采用单腹式，如图20，边梁的截面尺寸按构造要求确定，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，为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不宜小于400mm 。 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20％作为考虑受扭影响的安全储备。

边梁截面图

图10

边梁计算图

M

V

+

-72.24KN

169.78kN.m

261.2kN

图11

（2）荷载和内力计算在闸门每侧边梁上各设2个胶木滑块，其布置如图22： 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，每个边梁作用于边梁荷载为R ＝444.44kN

2）竖向荷载。有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，启吊力等。 上滑块所受压力：

kN R 2.2613

35.245.3331=?=，

下滑块所受压力：

kN R R R 7.405212=-=，

最大弯矩

,78.16965.02.261max m kN M ?=?=

最大剪力

kN V 2.261max =,

最大轴向力作用于一个边梁上的启吊力，估计为200kN （详细计算简后面）。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于启吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力为

kN f R N 66.16812.02.2612002001=?-=-= ,

（2）边梁强度验算

截面面积 ,13800105401430022mm A =?+??=

面积矩 ,152790013527010277300143max mm S =??+??=

截面惯性矩

,77574360027714300212

54010423mm I =???+?=

截面模量

355.2731491284

mm I

W ==

。 截面边缘最大应力验算：

2

26

3max max /1281608.0][8.0/4.7455

.27314911078.169138001066.168mm N mm N W M A N =?=<=?+?=+=σσ

腹板最大剪应力验算：

,

/76958.0][8.0/45.51101527900102.261223max mm N mm N I It S V w maz =?=<=???==ττ

腹板与下翼缘连接处则算应力验算：

,/3.71284

27055.27314911078.169138001066.168263'max mm N y y W M A N =??+?=?+=σ

231max /2.391027714300102.261mm N I

It S V w =????==τ，

2

222222/1281608.0][8.0/4.982.3933.713mm N mm N h =?=<=?+=+=ττσσ 。

以上验算均满足强度要求

2.0 行走支承设计

胶木滑块计算：滑块位置如图22下滑块受力最大，起值为R 2＝404.7kN 。

设滑块长度为424mm ，则滑块单位长度承受压力为,/1248325

107.4053

mm N q =?=

由表查得轨顶弧面半径R=240mm ，轨头设计宽度为b ＝44mm ，胶木滑块与规定弧面的接触应力验算：

22max /500][/300104

mm N mm N R

q

j =<==σσ。 选定胶木高40mm,宽220mm,长424mm 。

2.20 胶木滑块轨道设计（图22）

（2）确定轨道底板宽度。

胶木滑块支承轨道截面图

图12

轨道底板宽度按砼承压强度

确定，查表得：砼C20允许承压应力为[σ]＝7N/mm2 ，则所需轨道底板宽度为：

.29.17871248][mm q B n n ===

σ 取Bh ＝200mm ，

故轨道底面压应力：

2/24.6200

1248

mm N h ==σ

（2）确定轨道底版厚度

轨道底板厚度δ按其弯曲强度确定，轨道底版的最大弯应力：

][322

σσσ≤=t

c n

轨道底板悬臂长度C ＝82.4mm ，对于A4查表得[σ]＝200N/mm2 ，

故：mm c t n 7.35100

5.8224.63][32

2=??==σσ，故t ＝40mm 。

2.22 闸门启闭力和吊座验算

（2）启门力：T 启＝2.2G+2.2(T 2d +T 2s )+Px G=80.6KN

滑道摩阻力：,083.1609225.14812.02kN fp T d =??==

止水摩阻力：.56.1195.265.506.065.0222kN fbHp T s =????==

因橡皮止水与钢板间摩擦系数f ＝0.64， 橡皮止水受压宽度取为b ＝0.06m ， 每边侧止水受压长度H ＝4.4m ，

侧止水平均压强：,/95.262/12m kN gH P ==ρ

下吸力Px 底止水橡皮采用I220—26型，其规格为宽26mm ，长220mm ，底止水沿门跨长0.4m ，根据规范SDJ24—78，启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m2计算，则下吸力：

kN P x 3016.04.920=??=

故闸门启门力：.5.3073)56.11083.160(2.16.891.1kN T =++?+?=启

（2）闭门力：,33.1256.899.0)56.11083.160(2.19.0)2.12d 2kN G T T T S =?-+?=-+（＝闭 显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。由于该溢洪道闸门孔口较多，若把闸门行走支承改为滚轮则边梁需由单腹式改为多腹式，加上增设滚轮等设备，则总造价增加较多。为此，应考虑采用一个重量为200KN 的加载梁，在关闭时可以一次对需要关闭的闸门加载下压关闭。 （4）吊轴和吊耳板验算（图24） 2）吊轴。

吊轴和吊耳板

图13

采用4号钢，由第一章表2—0查得[τ]=64n/mm 2

,采用双吊点，每边启吊力为：

,5.18422.1kN T P =?=启吊轴每边剪力：,25.922

kN P

V ==

需吊轴截面积：2

3

23.1419651025.92][mm V A =?==τ由,785.04

22d d A ==π有：d ≥,5.42785

.0mm A

=取d ＝80mm ， 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，

查表2—0得A4得[σcj ]=80N/mm 2,

∴t ,9.2880

80105.184][3

mm d P cj =??==σ

固在边梁腹板上端部的两侧各焊一块为20mm 的轴承板。轴承板采用圆形，

其直径取为4d ＝4Х80＝240mm ，

吊耳孔壁拉应力计算：

][8.02

22

2K k Y

R Y R σσ≤-+= 式中23

/66.5780

40105.184mm N td P cj =??==σ，吊耳板直径R=220mm,轴孔半径r=40mm ，由附表2.7查得：[σk ]=220N/mm 2，故孔壁拉应力：

222

22

2/961208.0/1.7240

1204012066.57mm N mm N k =?<=-+?=σ， 故满足要求。