水工钢结构课程设计概论

露顶式平面钢闸门设计说明书

工程概况：

闸门是用来关闭﹑开启或者局部开启水工建筑物中过水孔口的活动结构。其主要作用是控制水位﹑调节流量。闸门是水工建筑物的重要组成部分，它的安全与适用，在很大程度影响着整个水工建筑物的原行效果。

一、设计资料

⑴闸门型式：露顶式平面钢闸门 ⑵孔口净宽：8.0 m ⑶设计水头：5.0m ⑷结构材料：Q 235 ⑸焊条：E43型

⑹行走支承：采用胶木滑道,压合胶木为MCS-2;

⑺止水橡皮：侧止水用P 60A 型橡皮，底止水用Ｉ110-16型条形橡皮 ⑻混泥土强度等级：C20 二、闸门结构的型式及布置 1. 闸门尺寸的确定:

⑴ 闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2 m ，故闸门高度5.0+0.2=5.2m ⑵ 闸门的荷载跨度为两侧止水间的间距L D =8.0 m ⑶ 闸门计算跨度L=L 0+2d=8+2×0.3=8.6 m

2. 主梁的型式

主梁的型式应根据水头和跨度大小而定，本闸门属于中等跨度(L=5~10)，为了便于制造和维护，采用实腹式组合梁，焊接组合截面。 3. 主梁的布置

根据闸门的高垮比L H =8.6

5.2 =1.65>1.50，决定采用双主梁，为使两根主梁在设计水位时所受

水压力相等，两根主梁的位置应对称于水压力合力的作用线y=H 3 =5

3 =1.67 m ，并要求下悬

臂a ≥0.12H 和a ≥0.4 m ，上悬臂c ≤0.45H 和c ＜3.6 m 。且使底主梁到底止水的距离尽量符合底缘布置要求（即α>30°），先取a=0.12H=0.6 m ，则主梁间距：2b=2(y-a)=2×(1.67-0.6)=2.14 m

4. 梁格的布置和形式

梁格采用复式布置和高等连接，三根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，其间距上疏下密，面板各区格所需要的厚度大致相等。梁格的布置及

具体尺寸如下图所示： 5. 联结系的布置和形式

（1）横向联结系：根据主梁的跨度，采用布置3道横隔板，横隔板兼作竖直次梁，其横

向联结间距为L=8.6

4

=2.15 m

（2）纵向联结系:采用斜杆式桁架，布置在两根主梁下翼缘的竖平面内，并设有4根等

肢角钢的斜杆。 6. 边梁与行走支承

采用单腹式边梁，行走支承采用双股式滚动行走支承。 三、面板设计

1. 估算面板厚度

假定梁格布置如图所示，面板厚度由公式t=[]

σ92.0kp

a

，且t max -t min ≤2 mm

当b ／a ≤3时，α=1.5，则t==??160

5.19.0kp

a

0.068a kp

当b/a ＞3时，α=1.4，则t==??160

4.19.0kp

a 0.07a kp

格区 a(mm) b(mm) b/a(mm) k(mm) P(N/mm 2

) kp

t(mm) Ⅰ 1500 2150 1.43 0.537 0.0076 0.064 6.53 Ⅱ 960 2150 2.24 0.491 0.020 0.099 6.46 Ⅲ 850 2150 2.53 0.500 0.028 0.118 6.82 Ⅳ 660 2150 3.26 0.500 0.036 0.134 6.19 Ⅴ 630 2150 3.41 0.500 0.042 0.145 6.39 Ⅵ

600

2150

3.58

0.750

0.048

0.190

7.98

注： 区格Ⅰ，Ⅵ中系数k 按三边固定一边简支查表得

根据计算结果，选用面板厚度t=8 mm 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、底梁都是支承横隔板的连续梁，作用在上面的水压力按q=p 2

下

上a a +计算 梁号

梁轴线水压强度p

（KN/m 2

）

梁间距

(m) 2下

上a a + （m ） q=p 2

下上a a + (m)

备注： 顶梁荷载按下图下式计算

1(顶梁)

2.76 R 1=

50

.1330

.127.1430.1?? =2.76KN/m 2

1.50

2

14.70

1.230

18.08 0.96 3（上主梁） 24.11 0.905 21.82 0.85 4 32.44 0.755 24.49 0.66 5

38.91 0.645 25.10 0.63 6（下主梁） 45.08 0.615 27.72 0.60 7（底梁）

50.96

0.300

15.29

水平次梁计算结构简图及弯矩图如下：

水平次梁边跨中的正弯矩为：M 次中=0.077qL=0.077×25.10×2.152

=8.93 KN/m

支座B 处的负弯矩为：M 次B =0.107ql=0.107×25.10×2.152

=12.42 KN/m

2、截面选择 []

σ M =1601042.126?=776253

mm

考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选槽钢14a 由附表查得：A=1851 2

mm ；

X W =80500 2mm ；X I =5637000 4mm ；1b =58 mm; d=6 mm

面板参加次梁翼缘工作的有效宽度按下式计算，然后取最小值。

B ≤1b +60t=58+60×8=538 mm B=ξ1b( 对跨间正弯矩段）； B=ξ2b(对支座负弯矩段）；

按5号梁进行计算，设该梁平均间距b=(b1+b2)2 =660+6302 =645 mm ，对于第一跨中正弯矩

段，零点之间的距离:mm l l 172021508.08.00=?==，对于支座负弯矩段取：

mm l l 86021504.04.00=?==，根据L 0/b 查表2—1;

由

667.264517200==b l 得ξ1=0.80，则B=ξ1b=0.80×645=516 mm 由333.1645

8600==b l 得ξ2=0.380，则B=ξ2b=0.380×645=245 mm 对于第一跨中，选用B=516 mm ，则水平次梁的组合截面积：A=1851+516×8=5978mm

2

组合截面形心到槽钢中心线的距离：

e=

516×8×74

5978

=51 mm

跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：

Ι次中=5637000+1851×512+516×8×232=12635136mm 4

，W min =12635136121

=104423 mm

2

组合截面形心到槽钢中心线的距离： e=

516×8×74

5978

=51 mm

对于支座段，选用B=245 mm ，则水平次梁的组合截面积：A=1851+245×8=3811 mm 2

组合截面形心到槽钢中心线的距离：e=245×8×74

3811

=38 mm

支座处截面的惯性矩及截面模量为：Ι次B =5637000+1851×382+245×8×362=10850004 mm

4

W min =10850004108

=100463 mm 2

2. 水平次梁的强度验算

支座B 处弯矩最大，截面模量也较大，跨中弯矩小，故两处截面的抗弯强度都需要验算。

次中σ=min W M 次中

=1044231093.86?=85.52 N/ mm 2 ＜[]σ=160 N/mm

2

B 次σ=min B

W M 次=100463

108.7116?=123.63 N/ mm 2 ＜[]σ=160 N/mm 2

综上可知水平次梁选用[14a 满足弯应力强度要求。 3. 水平次梁的扰度验算

水平次梁为受均布荷载的四跨连续梁，其最大扰度发生在边跨，已求得M 次B =12.42 KN/m ，

Ι次B =10850004 mm 4

， 四跨连续梁0063.0'

'=k ，????

?

?L w =250

1

=0.004 L w =B 3

0''次I E ql k =0.0063×004.10851006.21015.210.25553????=0.0007＜??

?

???L w =0.004，满足挠度要求。 4. 顶梁和底梁

底梁计算简图和弯矩图

支座M =0.107q 2l =0.107×15.29×2.152 =7.56 KN ·m

需W =

[]

σ支座

M =

336

25.4747250160

106.57cm mm ==? 选用[12σW =62.1373

cm ＞需W =3

25.47cm 底梁弯应力强度验算：

σ=

23/67.121137

.621056.7M mm N W y

=?=支座＜[]σ=160 N/2cm ，满足弯应力要求。

底梁刚度验算：

L w =B 3

''次I E ql k =0.0063×466.3911006.21015.229.15553????=0.00119＜??

?

???L w =0.004满足刚度要求。 顶梁采用和底梁相同的槽钢即[12σ，顶梁弯应力强度验算：

支座M =0.107q 2l =0.107×2.76×2.152=1.37 KN ·m σ=

23

/05.22137

.621037.1M mm N W y

=?=支座＜[]σ=160 N/2cm 满足应力强度要求。

顶梁的刚度验算：

L w =B 3

''次I E ql k =0.0063×466.3911006.21015.276.2553????=0.00021＜??

?

???L w =0.004满足刚度要求。 五、主梁设计 （一）已知条件

（1） 主梁跨度：净跨度1l =8.0m ，计算跨度L=8.6m ，荷载跨度l =8.0m

（2） 主梁荷载：P=

21γH 2=21×9.8×5.02=122.5 KN/m ，q =2

p

=61.25 KN/m （3） 横隔板间隔：2.15m 。 （4） 主梁容许绕度：????

??L w =600

1

。 （二）主梁设计

1. 截面选择

（1）主梁内力分析如图：

主梁简支于边梁上，最大弯矩在跨中，

最大剪力在支承处

max M =

)2(4l L ql

-=5.563)2

86.8(64825.61=-?? KN ·m max V =245825.612

1

21=??=ql KN

（2）需要的截面抵抗矩（考虑闸门自重引起的附加应力的影响）

W =

[]33

max 3828160

92.0105.56392.0cm M =??=σ （3）腹板高度h 0选择（刚度条件求得最小梁高h min ）

min h =0.96×0.208×[][]L W E L /σ0.96×0.208×()

cm 62.73600/11006.292

.0106.81605

2=????? ec h =3.15

/2W

=3.1×cm 05.843828

5

/2=

经济梁高选取的梁高h 一般应大于min h 但比ec h 稍小，故应选取h=80 cm 。

（4）腹板厚度选择：腹板厚度w t =11h =

81.011

80

=，选w t =1.0cm （5）翼缘截面选择： 每个翼缘所需截面为：A 1=

6

800.1803828600?-=-h t h W w =34.522

cm 下翼缘选用cm t A b cm t 26.172

52

.34,0.21111===

=，因此需要选用cm b 251=。(在cm h

h 16325

5.2-=-之间)，上翼缘的部分截面面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用cm b cm t 14,0.211==。

面板兼做主梁上翼缘的有效宽度B=1b +5t=14+50×0.8=54cm

上翼缘截面面积2

12.718.0540.214cm A =?+?= （6）弯应力强度验算：

主梁跨中截面的几何特性如下表； 部位 截面尺寸 cm 2 截面面积 cm 2

各形心离面板

表面距离y ＇ 'Ay

各形心离中心

轴距离y=y ＇-y

2Ay

面板部分 54×0.8 43.2 0.4 17.28 -37.78 61660.59 上翼缘板 14×2.0 28.0 1.8 50.4 -36.38 37058.12 腹板 80×1.0 80 42.8 3424 4.62 1707.55 下翼缘板 25×2.0 50 83.8

4190

45.62

104059.22 合计

201.2

7681.68

204485.48

主梁跨中截面形心距面板表面的距离y 1

=∑

∑A Ay '=cm 18.382.20158.7681=

截面惯性矩为:

4323

024715248.20448512

800.112cm Ay h t I w =+?=+=∑截面抵抗矩为:

上翼缘顶边21max 647318.38247152

cm y I W ===

下翼缘底边22min 591082

.41247152cm y I W ===

弯应力2min max /53.95910

1005.563cm KN M M =?==

σ＜0.92×23=21.16 KN/2cm ，安全 （7）主梁支承端剪应力强度验算

()3134.17894.082.418.054cm S =-??=，()56.11208.182.412142=-??=S 3219.290956.112034.1789cm S S S =+=+=

24

3

3max /85.280

.110247152109.290910245mm N It S V w =?????==τ＜[]2/95mm N =τ （8）整体稳定与刚度验算。

因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按《钢结构设计规范》（GB50017—2003）规定可不必验算

其整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的刚度也不必验算。 2.翼缘焊缝

上翼缘对中和轴的面积矩3

cm 4.726508.336288.737.243Ay =?+?==上S 下翼缘对中和轴的面积矩3

cm 22812.64550=?=下S ＜上S

需要焊缝厚度[]

cm t cm S V h w f

f 67.05.135.280

102471524.11074.265010245.41max 4

3

3max =≥=??????==

τ上 因此全梁上、下翼缘焊缝均取mm h f 9=。 3.腹板的加劲肋和局部稳定验算 加劲肋的布置：

800

.1800==w t h ＞66345235

80

=，因此需设置横加劲肋，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向加劲肋，其间据a=2150mm 。腹板区格

划分如图：

区格I 左边及右边的截面剪力分别为KN 245=左I v

KN v I 9.6131.30-5.1261.25-245=?=）（右，区格I

截面平均剪力为

2

0/5.230

.1802

/)69.131245(2/)(mm N t h v v w I I =?+=+=

右左τ区格I 左边及右边截面上的弯矩分别为0=左I M ，

5.94212

.30-5.125.261-5.122452

=??=）

（右

I M KN ·m

区格I 的平均弯矩：8.92102

5

.942102=+=+=

右左M M M I KN ·m

区格I 的平均弯应力：2

460/21.3010

247152108.35398.210mm N I y M I I =???==σ 2351770

y

w

b f t h

=λ=

45.0235235

.117780=??＜0.85

[]2/160mm N cr ==σσ

计算cr τ由区格长短边之比为2.15/1.15=1.87＞1.0