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1、钢结构课程设计题目：露顶式平面钢闸门设计一.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。二.设计资料闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门；孔口净宽：9.00m；设计水头：5.50m；结构材料：Q235钢；焊条：E43；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。三.闸门结构形式与布置 （一）闸门尺寸的确定（图一）1.闸门高度：考虑风浪产生水位超高为0.2m,故闸门高度=5.5+0.2=5.7（
2、m）;2.闸门的荷载跨度为两侧止水的距离：=9m;3.闸门计算跨度：=+2d=9+20.2=9.40（m）;(二) 主梁的形式主梁的形式根据水头的大小和跨度大小决定，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。（三）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（图一）并要求下悬臂和、上悬臂，今取 主梁间距则 （四）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，梁格布局具体的尺寸如图二
3、。（五）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3道隔板，其间距为2.346m,横隔板兼作竖直次梁。（2）纵向联接系，设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。5.边梁与行走支承边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道，压合胶木为MSC-2。四.面板设计根据SL74-95水利水电工程钢闸门设计规范修订送审稿，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。1、估算面板厚度假定梁格布置如图二所示。面板厚度按公式t（mm）计算，其中0.9-面板参加贮量工作需要保留一定的强度储备系数；-弹塑性调整系数，当b/a3时，=1.，当b/
4、a3时，=1.；-钢材的抗弯容许应力，以N/mm计则初取 t=a；当b/a3时，a=1.5，则t=a=0.068a当b/a3时，a=1.4,则t=a=0.07a现列表一表示计算结果如下：面板厚度的估计（表一）区格a(mm)b(mm)b/akP()t(mm) 150023401.560.5800.0060.0596.02 92023402.540.5000.0190.0976.07 78023403.000.5000.0280.1186.26 70023403.340.5000.0370.1366.66 62023403.770.5000.0440.1486.42 49023404.780.75
5、00.0510.1966.72 根据上表计算，选用面板厚度t=7mm。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拉力P按照P=0.07t计算，其中表示厚度为（mm）的面板中最大弯应力，计算时候可以采取，因为已经求知面板厚度t=7mm,并且近似地取板中最大弯应力=160 则 P=0.07t=0.07x7x160=78.4（/mm）面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力： T=又面板与主梁连接的焊缝厚度可以近视的按照（0.7）和不应小于6mm确定，公式中的表示角焊缝容许剪应力，于是（0.7）面板与梁格连接焊缝最小厚度=6mm。五.水平次梁，顶梁和底梁的设计1、荷载与内力计算
6、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计算。其中P表示次梁轴线处的水压强度；分别表示水平次梁轴线到上、下相邻梁之间的距离。现列表二表示计算结果如下：梁间距 水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算表（表二）梁号梁轴线处水压强度p(kN/ m)梁间距（m）q=p(kN/m)备注1（顶梁）1.58214.01.31018.341.043（上主梁）24.20.95523.110.87432.70.82026.810.77540.30.75530.430.746（下主梁）47.50.64530.640.557（底梁）52.90.40021.16根据表二计算，水平次梁计算荷
7、载取q=30.43KN/m, 水平次梁为四跨连续梁，跨度为L=2.35m.如图3所示。水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为： =0.077qL2=0.077x30.43x=12.9(KN.m)支座B处的负弯矩为： =0.107qL2=0.107x30.43x=17.98(KN.m)2、 截面选择W=考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选槽钢16b.由表查得： A=2515； =116800; =9350000；=65mm; d=8.5mm。面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取其中最小值。（1）考虑面板兼作梁翼缘在受压时不致丧失稳定而限制的有效高度B+2c=+60t=65+60x7=485mm
8、（2）考虑面板沿宽度上应力分布不均二折算的有效高度B=1b( 对跨间正弯矩段）；B=2b(对支座负弯矩段）；按5号梁计算，设梁间距b=(b1+b2)/2=(770+740)/2=755mm.确定上式中面板的有效宽度系数时，需要知道梁弯矩零点之间的距离L0与梁间距b之比值。对于第一跨中正弯矩段取L0=0.8L=0.82350=1880mm;对于支座负弯矩段取L0=0.4L=0.42350=940mm.根据L0/b查表得： 对于L0/b=1880/755=2.490得1=0.78则B=1b=0.78755=589mm 对于L0/b=940/755=1.245得2=0.490则 B=2b=0.490
9、755=370mm对于第一跨中弯矩选用B=485mm，则水平次梁组合截面面积（如图4）为： A=2115+4857=5910mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离为： e=(485783.5)/5910=48mm跨中组合截面的惯性矩及截面模量为： I次中=9350000+2515482+485735.53=19423109mm4 Wmin=19423109/128=151743mm2对支座段选用B=370mm.则组合截面面积：A=2515+3707=5105mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离：e=(370783.5)/5105=42mm.支座处组合截面的惯性矩及截面模量：I次B=9350000
10、+2515422+370745.52=19148408mm4 Wmin=19148408/122=156954mm23、水平次梁的强度验算 由于支座B（图三）处弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即： =17.98106/156954=114.6N/mm2=160N/mm2说明水平次梁选用16b槽钢满足要求。 同时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=9.21KNm,则边跨挠度可近似地按下式计算： =- =- =0.00063=0.004故水平次梁选用16b
11、槽钢满足强度和刚度要求。4、 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16b槽钢。六.主梁设计1、设计资料 （1）.主梁跨度（图5）净宽L0=9.00m;计算跨度L=9.4m；荷载跨度L1=9m. （2）.主梁荷载q=74.1KN/m. （3）.横向隔间距：2.35m。 （4）.主梁容许挠度：=L/600 2、主梁设计主梁设计包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板局部稳定验算；面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力计算。1）.截面选择（1）弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下： Mmax=817kN； (2)需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力=16
12、0KN/mm2， 考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力=0.9160=144N/mm2,则需要的截面模量为 W=5674cm2.(3)腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为： min=0.960.23=0.960.23=87.1cm对于变截面梁的经济梁高，he=3.1w2/5=3.156742/5=98cm.由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增高，故主梁高度宜选得比he小，但不小于min，现选用腹板高度h0=97cm.(4) 腹板厚度选择。按经验公式计算： tw=0.90cm,选用 tw=1.0cm.(5) 翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为： A1=cm下翼缘选用 t1
13、=2.0cm(符合钢板规格）需要b1=,选用b1=22cm（).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t1=2.0cm,b1=14cm.面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为：B=b1+60t=14+600.7=56cm.上翼缘截面积142.0560.767.2（）弯应力强度验算。主梁跨中截面（见图)的几何特性如下表：主梁跨中界面的几何特性（表）部位截面尺寸(cmcm)截面面积A（）各形心离面板表面距离（cm）A()各形心离中和轴距离A（）面板部分56*0.739.20.3513.7-48.792970上翼缘板14*2.028.01.747.6-47.362644腹板9
14、7*1.09751.249662.2469下翼缘2*2.044.0100.8443551.7117607合计208.29462273690 截面形心矩：y1=截面惯性矩： =349746（cm4）截面抵抗矩：上翼缘顶边Wmax=.下翼缘底边： Wmax=弯应力：（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（节省钢材），有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小h0s=0.6h0=0.697=58cm（图）。梁高开始改变的位置取在临近支承段的横
15、向隔板下翼缘的外侧（图），离开支承段的距离为235-10=225cm. 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。主梁端部界面的几何特性（表）部位截面尺寸（cm*cm)A(cm2)y,(cm)Ay,(cm3)Y=y,-y1(cm)Ay2(cm3)面板部分56x0.739.20.3513.7-29.834811上翼缘板14x2.028.01.747.6-28.422584腹板58x1.058.031.718391.6149下翼缘板22x2.044.060.8267530.74
16、1470合计169.2457699014截面形心距：y1.截面惯性矩：。截面下半部中和轴的面积矩：S=4430.7+29.71.0。剪应力：。（安全）。3).翼缘焊缝 翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。最大剪力Vmax=333kN.截面惯性矩I=115273cm.上翼缘对中和轴的面积矩 S=39.229.8+2828.4=1963(cm3).下翼缘对中和轴的面积矩 S=4431.6=13901.5全梁的上下翼缘焊缝都采用hf=8mm.4).腹板的加劲肋和局部稳定验算。加劲肋的布置为,故需设置横向加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距a=235cm.
17、腹板区格划分见图。梁高与弯矩都较大的区格 可按式验算：区格左边及右边截面的剪应力V左=333-74.1（4.5-2.35）=174KN；V右=0截面的平均剪应力为区格左边及右边截面上的弯矩分别为M左=333x2.35-74.1x=611（kN/m）.M左=817KNm该区格截面的平均弯矩为 M=（611+817）/2=714KNm.该区的平均弯应力为计算=160N/计算，由于区格长短边之比为2.35/0.971.0,则则 将以上数据代入公式有 (这里无局部压应力)。满足局稳要求，故在横隔板之间（区格2）不必横向加劲肋。再从剪力最大的区格1来考虑：该区格的腹板平均高度，因，不必验算，故在梁高减小
18、的区格1内也不必另设横向加劲肋。5） .面板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4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4（图2）按下式验算长边中点的折算应力。面板区格4长边中点的局部弯曲应力为对应于面板区格4长边中点的主梁弯矩（图5）和弯应力为面板区格IV的长边中点的折算应力为上式中、和的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。故面板厚度选用7m,满足强度要求。七.横隔板设计1、荷载和内力计算。横隔板同时兼作竖直次梁，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
19、分布的水压力来代替（图1），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弯矩为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970，上翼缘利用面板，下翼缘采用的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度按确定，其中b=2350mm，按，从表6.1查得有效宽度系数。计算如图9所示的截面几何特性。截面形心到腹板中心线的距离为截面惯性矩为截面模量为验算弯应力为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。八.纵向连接系设计1、荷载和内力计算。向连接系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门叶自重G按附录10中的式计算下游纵向连接系承受纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架
20、腹板杆布置如图10所示，其节点荷载为杆件内力计算结果如图10所示。2、斜杆截面计算。杆承受最大拉力N=17.33kN，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长系比的限制值应与压杆相同，即。选用单角钢，由附表6.4查得斜杆计算长度长细比验算拉杆强度为考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度计算。斜杆与结点的连接计算（略）。九.边梁设计边梁的截面形式采用单腹式，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300mm。边梁截面图见图11。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许
21、应力值降低20%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两个胶木滑块。其布置尺寸见图12。 1）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的荷载为R=333kN。2）竖向荷载。有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、启吊力等。上滑块所受的压力下滑快所受的压力最大弯矩最大剪力最大轴向力为作用在一个边梁上的启吊力，估计为200kN。在最大弯矩作用截面上的轴力为。2、边梁的强度验算。截面面积面积矩截面惯性矩截面模量截面边缘最大应力验算腹板最大剪应力验算腹板与下翼缘连接处折算应力验算以
22、上验算均满足强度要求。十.行走支梁设计胶木滑块的计算：滑块位置如图所示，下滑块受力最大，其值为R2=479kN。设滑块长度为300mm，则滑块单位长度的承压力为由所计算的q，查表6.2得轨道顶圆狐半径R=150mm, 轨头设计宽度为b=35mm。胶木滑道与轨顶弧面的接触应力为选定胶木滑道高30mm，宽120mm，长300mm。十一.胶木滑块轨道设计1、确定轨道底板宽度。轨道底板宽度按混凝土承压强度确定。根据C20混凝土附表9.2查得混凝土的容许承压应力为，则所需的轨道底板宽度为(取Bh=240)故轨道底面压应力为2、确定轨道底板厚度。轨道底板厚度按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力为式中轨道
23、底板的悬臂长度，对于Q235钢，查得。故所需轨道底板厚度为十二.闸门启闭力和吊座计算1、启门力按式计算其中闸门自重 滑道摩阻力 止水摩阻力 因为橡皮止水与钢板间摩擦系数 橡皮止水受压宽度取为 每边侧止水受水压长度 侧止水平均压强 故 下吸力底止水橡皮采用I11016型，其规格为宽16mm、长110mm。底止水沿门跨长9.4m。根据水利水电工程钢闸门设计规范：启门时闸门底缘平均下吸强度一般按计算，则下吸力为故闸门启门力为2、闭门力按式计算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双腹式，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。3、吊轴和吊耳板验算（图14）1）吊轴。采用Q235钢，查得，采用双吊点，每边启吊力为 吊轴每边剪力 需要吊轴截面积 又 故吊轴直径 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，查的Q235钢的，故因此在边梁腹板上端部分的两侧各焊一块厚度为的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为。吊耳孔壁拉应力按下式计算 式中 ，吊耳板半径轴孔半径，又查附表1.7得，所以孔壁拉应力故满足要求。
