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1、 水 利 水 电 工 程 钢 结 构 课 程 设 计 课程设计说明书课 程 名 称:水利水电工程钢结构课程设计课 程 代 码: 8203281 题 目: 露顶式平面钢闸门 学院(直属系) : 能源与环境学院 年级/专业/班: 2009级/水利水电工程 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 开 题 时 间: 2011 年 12 月 日完 成 时 间: 2011 年 12 月 日目 录1.设计资料2.闸门结构的型式及布置3.面板设计4.水平次梁、顶梁和底梁的设计5.主梁设计6.面板参加主（次）梁工作的折算应力验算7.横隔板设计8.纵向连接系设计9.边梁设计10.行走支承设计11.轨道设计1
2、2.闸门启闭力和吊耳计算工程概况：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。水工刚结构露顶式焊接平面钢闸门设计计算书一、 设计资料及有关规定：闸门形式：楼顶式平面钢闸门孔口尺寸（宽高）：10m11m上游水位：10.8m下游水位：0.1m闸底高程：0.0m启闭方式：电动固定式启闭机材料 钢结构：Q235-A.F; 焊条：E43型; 行走支承：滚轮支承; 止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮制造条件 金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足级焊缝质量检
3、验标准规范：水利水电工程钢闸门设计规范SL 1974-2005二、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0.2m,故闸门高度=10.8+0.2=11m;闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：=10m 闸门计算跨度：=+=10+20.2=10.4m 图1 2.主梁的形式主梁的形式应根据水头和跨度大小而定，本闸门属中等跨度，为了制造和维护，决定采用实腹式组合梁。3. 主梁的布置 根据闸门的高跨比，采用4根主梁。根据公式 计算每一根主梁距水面的距离K及第K跟主梁，得：3.60 m；6.58 m；8.52 m；10.09 m 4. 梁格的布置和形式梁格采用复式布置和等高
4、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，其间距应上疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁格的布置具体尺寸见图25. 连接系的布置和形式 （1）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2m，横隔板兼作竖直次梁。 （2） 纵向连接系，设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。 6. 边梁与行走支承 边梁采用单腹式，行走支撑采用胶木滑道。三、面板设计根据SL1974-1995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玩去的折算应力。1.估算面板厚度 假定梁格布置尺寸如图
5、2所示。面板厚度按下式计算t=a 当b/a3时，a=1.5,则t=a=0.068 当b/a 3时，a=1.4,则t=a=0.07现列表1计算如下：表1区格a(mm)b(mm)b/akpt(mm)1820 20001.100.3860.0090.0597.30178020001.120.3560.0270.09811.86165020001.210.3960.0430.12914.47133020001.500.4540.0580.16214.65100020002.000.4970.0690.18512.5894020002.130.4980.0790.19812.6680020002.500
6、.5000.0870.20911.3777020002.600.5000.0950.21811.4171020002.820.7370.1020.27413.23根据上表计算，选用面板厚度t=15mm 。2.面板与梁格的连接计算已知面板厚度t=15mm ,并且近似地取板中最大弯应力max=160N/mm2,则168N/mm ,面板与主梁连接焊缝方向单位长度内地剪力：T=367N/mm面板与主梁连接的焊缝厚度： 5.1mm面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度。四、水平次梁，顶梁和底梁地设计1.荷载与内力地验算水平次梁和顶，底梁都时支承在横隔板上地连续梁，作用在它们上面的水压力可按下式计算，即 现列
7、表2计算后得 575.88kN/m表2梁号梁轴线处水压强度梁间距备注1（顶梁）4.28 顶梁荷载按下图计算1.82217.81.80032.041.783（上主梁）35.51.71560.541.65451.51.49076.741.335（主梁）64.51.16575.141.00674.30.97072.070.947（主梁）83.50.87072.650.80891.30.78571.670.779（下主梁）98.90.74073.190.7110（底梁）105.80.35537.56根据表2计算，水平次梁计算荷载取76.74kN/m，水平次梁为五跨连续梁，跨度为2.0m，水平次梁弯曲时
8、的边跨弯距为: M次中0.077ql2=23.6kNm支座B处的负弯距：M次B0.107ql2=32.84kNm 2.截面选择 考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选22b,由附录三表四查得：A=3624mm2 ; Wx=233800mm3 ; Ix=25714000mm4 ; b1=79mm ; d=9mm 。面板参加次梁工作的有效宽度分别按式611及式612计算，然后取其中较小值。 式：611 Bb1+60t=79+60*13=859mm ; 式：612 B=1b (对跨间正弯距段) B=2b （对支座负弯距段） 。 梁间距b= 。 对于第一跨中正弯距段l0=0.8l=0.8*2050=1
9、640mm ;对于支座负弯距段l0=0.4l0.4*2050820mm 。根据l0/b查表61： 对于l0/b1640/8501.924 得10.68 ，得B=1b0.68850578mm , 对于l0/b820/8500.9647 得20.29 ，得B=2b0.29850246.5mm ,对第一跨中选用B578mm,则水平次梁组合截面面积（例图4）: A=3624+57813=11138mm2 ;组合截面形心到槽钢中心线得距离：e=79mm ;跨中组合截面的惯性距及截面模量为：I次中25714000+3624*792+578*13*37.5258897947mm4Wmin=对支座段选用B24
10、7mm，则组合截面面积：A=3624+247*13=8356mm2 ;组合截面形心到槽钢中心线得距离：e=54.7mm支座初组合截面的惯性距及截面模量为：I次B25714000+3624*552+247*13*61.5248821405mm4Wmin= 3.水平次梁的强度验算由于支座B处（例图3）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，即次说明水平次梁选用22b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，最大挠度发生在便跨，由于水平次梁在B支座处截面的弯距已经求得M次B=22.0248kNm,则边跨挠度可近似地按下式计算
11、： 0.0004235 故水平次梁选用22b满足强度和刚度要求。五、主梁设计(一)设计资料1）主梁跨度：净跨（孔口净宽）10m；计算跨度10.4m；荷载跨度10m2）主梁荷载：3）横向隔板间距： 2.0m4）主梁容许挠度： W=L/600 。（二）主梁设计1.截面选择（1） 弯距和剪力 弯距与剪力计算如下：弯距： 2371.6剪力： 741.125kN（2）需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力=160N/mm2 ,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力为= 则需要的截面模量为； （3） 腹板高度选择 按刚度要求的最小梁高（变截面梁高）为： 经济梁高：由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁
12、增高而增加，故主梁高度宜选得比hec小，但不小于hmin。现选用腹板厚度h0100cm 。(4)腹板厚度选择，选用tw1.2cm 。(5)翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为下翼缘选用t14.0cm（符合钢板规格），需要36cm,选用38cm,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t14.0cm，b118cm，面板兼作主梁上翼缘的有效高度为 上翼缘截面面积 (6)弯应力强度验算截面形心距：截面惯性距：截面抵抗距：上翼缘顶边 下翼缘底边 弯应力： 安全表3部位截面尺寸（cmcm）截面面积A(cm2)各型心离面板表面距离y（cm）Ay（cm3）各型心离中和轴距离y=y-y
13、1(cm)Ay2(cm4)面板部分1620.75121.5-45.05328779上翼缘723.5252-42.30128829腹板10055.555509.709409下翼缘152107.51634061.70578647合计48622263.51045664（7）整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体稳定性，因梁高大于按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。剪切强度验算： 考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字截面梁验算应力剪
14、力强度。几何特性 表4所示：表4部位截面尺寸（cmcm）截面面积A(cm2)各型心离面板表面距离y（cm）Ay（cm3）各型心离中和轴距离y=y-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分1620.75121.5-30.25148240上翼缘723.5252-27.5054450腹板6538.024707.003185下翼缘15272.51102041.50261782合计45113863.5467657截面形心距： 截面惯性矩： 截面下半部对中和轴的面积矩： 剪应力：=9.5kN/ （安全）3.翼缘焊缝翼缘焊缝厚度按受力最大的支承端截面计算。Vmax741.125kN；I0=495119.5cm4
15、，上翼缘对中和轴的面积距：=6880.5cm3，下翼缘对中和轴的面积距：=6308cm8m时 下游纵向连接系承受 0.4G=0.4352.5=141kN纵向连接系是做简支的平面桁架。其桁架腹杆布置如图，其节点荷载为 杆件内力计算结果如下图。 2.斜杆截面计算斜杆承受最大拉力N=91.34kN，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。选用单角钢16016，查表得：截面面积 A=49.1=4910回转半径 斜杆计算长度 长细比 验算拉杆强度： 考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。8、 边梁设计边梁的截面形式采用双腹式（如图），边梁的截面尺按照构
16、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。 边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计师将容许应力值降低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两个滚轮。其布置尺寸可见下图 图十 （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。每个主梁作用于边梁的荷载为R=714.125KN。（2） 竖向荷载。有闸门自重、滚轮摩擦阻力、止水摩阻力、起吊力等。上滚轮所受的压力中滚轮所受的压力下滚轮所受的压
17、力最大弯矩 最大剪力 最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为2600kN（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2. 边梁的强度验算 截面面积 A=55200mm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应力验算： 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5884kN。设滚轮轮缘宽度b=120mm，轮
18、径D=520mm。 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，可按下式验算：取轴的直径d=320mm，轴套的工作长度b=480mm，滑动轴套容许应N/mm轮轴选用45号优质碳素钢，取轮轴直径d=280mm，其工作长度为b=480mm，对其进行弯曲应力和剪应力验算：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：轴承板所受的压力取轴承板叠总厚度故10、 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，则所需要的轨道底板宽度为，取B=500
19、mm故轨道地面压应力： 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： 式中轨道底板的悬臂长度c=40mm，对于Q235由表查得。故需要轨道底板厚度： ，取值t=70mm。十一、闸门启闭力和吊座验算1. 启门力按式计算 其中闸门自重 G=352.5kN滑道摩阻力 止水摩阻力 因 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=0.1m每边侧止水受压长度 H=10.8m侧止水平均压强 p=72.6KN/故 下吸力Px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16.4m，根据SL74-95修订稿：启门时闸门底缘平均下
20、吸强度一般按 20KN/计算，则下吸力：故闸门的启门力： 2. 闭门力按式（7-24）计算： 显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。为此，我考虑采用一个重量1100kN的加载梁，在闭门时可以依次对需要关闭的闸门加载下压关闭。3. 吊轴和吊耳板验算，如图： 图十二（1）吊轴。由于采用双腹式边梁，采用Q235钢，由表查得，采用双吊点，每边起吊力为吊轴每边剪力 需要吊轴截面积 又 故吊轴直径。取d=180mm（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，（3） 故 因此在边梁腹板上端部各焊一块厚度为30mm的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为D=3d=3180=540mm。吊耳孔壁拉应力按下式计算： ，吊耳板半径R=270mm，轴孔半径r=90mm，由表查得，所以孔壁拉应力： 故满足要求。- 22 -