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1、钢结构课程设计溢洪道露顶式平面钢闸门MCS-2 ；1 基本资料 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 混凝土强度等级： C20 。2 闸门结构的形式及布置（ 1）闸门尺寸的确定（图 1 ）。1 )闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为m,故闸门高度 5.5 0.2 5.7m2 )闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：J 9m ;图1闸门主要尺寸图3 ）闸门计算跨度：L L0 2d 9 2 0.29.40md02VC=2.5H5.7H
2、=5.5b=1.2L,9.00d 0.20L09.00L 9.40P 148.2kN/mH/3=1.8“ b=1.20.20a=0.6(2) 主梁的形式。主梁的形式应根据水头的大小和跨度的大小而定，本闸门属于中等跨度，为了方便制造和维护，决定采用实复式组合梁。(3) 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理的作用线y H /31.8m（图1）并要求下悬臂a 0.12H和a 0.4m,上悬臂c 0.45H ,今取 a 0.60.12H0.66m主梁间距2b 2（y a） 2 1.22.4m2b a 5.5 2.4 0.
3、6 2.5m 0.45H （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(5 )连接系的布置和形式。2.6m,横1) 横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置 3道横隔板，其间距为 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 )边梁与行走支撑。边梁采用单复式，行走支撑采用胶木滑道3面板设计根据钢闸门设计规范（SL74-95 ）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在验算面板的局部弯曲与主梁整体弯 曲的折算应力。（
4、1）估算面板厚度。假定梁格布置尺寸如图2所示。面部厚度按式计算a o,kP 当 b/a 3 时，a 1.5，则 tkp0.9a0.068a kp0.07a kp当 b/a 3 时，a 1,4，则 t a。.；：现列表进行计算面板厚度的估算区格a(mm)b(mm)b/akp( N /mm2)Jkpt(mm)155023401.510.5700.0070.0636.6691023402.570.5000.0200.0996.1376023403.080.5000.0280.1186.28IV72023403.250.5000.0350.1326.68V64023403.660.5000.0420.
5、1446.47VI43023405.440.7500.0470.1885.65注1面板边长a、b都从面板与梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽为140mm（详见后面）。2区格I、VI中系数k由三边固定一边简支板查的根据表计算，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强度方向的横 向拉力P按式p 0.07t max计算，已知面板厚度t 8mm，并且近似的取板中最 大弯应力 max 160N/mm2，贝Up 0.07t max 0.07 8 16089.6N / mm面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为VS129N /mm333450 620 8 244
6、2 1566000000计算面板与主梁连接的焊缝厚度为hf . p2 T2 /(0.7 W)、,89.622072 /(0.7 115)2.8mm面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf 6mm4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、底梁都是支撑在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水平压力可按式q p51屯计算2列表计算后得q 151.54kN/m水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算梁号梁轴线处水压强度2p（kN/m ）梁间距（m）a上a下2(m)-a上 a下q P 2(kN/m)备注1 （顶梁）1.621.03顶梁荷载按下图计算1.47 14.41.47214.41.325
7、19.09R121.623.20(kN /m)314.4kN/m2L3 （上主梁）24.50.94023.03JI0.850.790.760.50R*.1 72mR1.62m432.80.82026.92540.60.77531.446 （下主梁）48.00.63030.257 （底梁）52.90.33317.61根据表计算，水平次梁计算荷载取32.0 kN/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.6 m .水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为2 2M 0.077ql0.077 32.0 2.3513.6 kN m支座B处的弯矩为图3 水平次梁计算简图和弯矩图(2 )截面选择W M618.91 10311
8、8187.5mm160考虑利用面板作为 次梁截面 的一部分，初选18a由附录6附表查的:234A 2569mm ； WX 141400mm ； IX 12727000 mm ； b 68mm ； d 7mm。面板参加次梁工作有效宽度分别按式 B bt 2c，B1b或B 2b计算，其中b也；然后取其中较小值。2B b 60t6860 8548mmB 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（bl 2）（790 760）/2 775mm。确定有效宽度系数 时，需要知道梁弯矩零点之间的距离lo与梁间距b的比值。对于第一跨中正弯矩段取l00.8I0.8 235018
9、80mm。对于支座负弯矩取l00.4I0.4 2350940mm。根据 l0/b 查表，得图4面板参加水平次梁工作后的组合截面对于l°/b1880/775B ,b0.78775604.5mm对于l°/b940/7752.426，得10.78，则1.213，得10.353，则对第一跨中选用B 548mm，则水平次梁组合截面面积为2A 2569548 86953mm组合截面形心到槽钢中心线的距离为e 548 8 9459 mm6953跨中组合截面的惯性矩及截面模量为224I 次中 12727000 2569 59548 8 3527040000mmWmin 27040000 1
10、81500mm2149对支座选用B 273.6mm，则组合截面面积为A 2569273.6 84757.8mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离为273.6 8 94 e4757.843mm8 492231845338mm4支座处组合截面的惯性矩及截面模量为I 次 B 12727000 2569 452273.6Wmin231835338 171737.3mm2135(3) 水平次梁的强度验算。由支座 B处弯矩最大，而截面模量最小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即M次Bwmr18.91 106171737.3110.1N/mm2 160N/mm2说明水平次梁选用满足要求轧成梁的剪应力一般很小
11、，可不比验算。（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 18.91kN m，则边跨0.2m9.0mqP/274.1kN1J Jf 1卩 'HHMM，丄J丁7L 9.4m挠度可近似地计算为图5平面钢闸门的主梁位置和计算简图v 5 qlM 次bIl384 El 次16EI 次335 32.0 (2.35 10 )54384 2.06 102704 1018.91 102.35 105416 2.06 102704 10但考虑水面漂浮物的撞击等影响,9m,计算跨度L 9.4m，荷载跨度v 1o.。0472 ?莎
12、o.。04故水平次梁选用满足强度和刚度要求（5）顶梁和底梁。顶梁所受的荷载较小, 必须加强顶梁的刚度，所以采用。5主梁设计（1）设计资料。1 ）主梁跨度：净跨（孔口宽度）LoL| 9m ；卄 0.2mq横隔板1.2mH=5.51.2mJ 0.6m图6平面钢闸门1-1截面2）主梁荷载：q 74.1kN/m;3）横向隔板间距:2.4m4）主梁容许挠度vL/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；面部局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。1）截面选则。 弯矩与剪力。弯矩与剪力的计算如下M max74 1* 9 9 49'（空 9）816.9kN m
13、224VmaxqL111* 74.1* 9333.45kN2 2 需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力=160N/mm2 ，考虑钢闸 门自重引起的附加应力作用，取容许应力=0.9 160144N/mm2,需要的截面模量为W=max816.9*100144* 0.125672.9cm 腹板高度选择。按刚度要求的最小高粱（变截面梁）为hmin经济高粱0.96 0.23 L 87.1 cmEv/Lhec 3.1W2/5= 3.1 5672.92/5 98cm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hec小，但不小于hmin。现选用腹板高度 帕90cm 腹板厚度选择。按经验
14、公式计算：t = . h / 1仁0.86cm，选用t 1.0cm。 翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为W t h。5672.9 1.0 902A1-48 cmh06906下翼缘选用t1 2.0cm（符合钢板规格）hh需要 b1 A1 /t148/2=24,选用 b1 38cm （在40 20cm 之间）。2.55上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用 t12.0cm, b1 14cm面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为B= b|60t1460 0.8 62cm上翼缘截面积为A114 2.0 62 0.8 77.6 cm28图7主梁跨中截面图弯应力强度验算。主梁跨中截
15、面的几何特性见表。截面形心矩为y1AyA截面惯性矩1h。32 190338417612Ay12截面模量：上翼缘顶边Wmin丄y144492645.5下翼缘底边WminI444926y249.3弯应力Mmax816.9 100Wmin9024.810818.545.9 cm235.64444926cm9778cm29024.8cm29.05kN/cm20.9 1614.4kN/cm2,安表6.5主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸截面面积A(cm2)各形心离面板表面距离y'(cm)Ay (cm3)各形心离中和轴距离y y' %(cm)Ay2 (cm4)(cmcm)面板部分620.8
16、49.60.419.8-50.1124300上翼缘板142.028.01.850.3-48.766200腹板901.09047.843022.3476下翼缘342.068.094.86446.453.3193200合计235.610818.5384176整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按设计规范规定，可不必验算整体稳定性。又因梁高度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 槽宽度和 支承边梁 高度(节 省钢材)，=300B=620140 2010540588340 2有必要将主梁支承端腹板高度减小为sh。0.6h。54
17、cm梁高开始改变图8主梁支承端截面图的位置取在邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧，离开支承端的距离为235 10 225cm。面板边梁 I54023502350图9主梁变截面位置图剪切强度验算：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，故可按工字形截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何性质见 下表。yi60171 30cm199.6主梁支承端部截面的几何特性部分截面尺寸A(cm2)1y(cm)Ay (cm3)y y' y1(cm)Ay4 (cm4)(cmcm)面板部分620.849.60.419.8-30.646443上翼缘板142.028.01.850.3-2
18、9.223874腹板541.05429.81609-1.277下翼缘342.068.063.8433832.873157合计199.66017.1143551截面形心距截面惯性矩10156673 cm4截面下半部分对中和轴的面积矩31 832剪应力Smaxlot333.45* 2736156673* 1.05.82kN / cm29.5kN/cm2 安全3）翼缘焊缝。翼缘焊缝厚度（焊脚尺寸）hf接受力最大的支承端截面计算最大剪应力Vmax 333.45kN，截面惯性矩10 156673 cm4 。上翼缘对中和轴的面积矩S1= 2335 cm3F翼缘对中和轴的面积矩S268*232.7 = 22
19、20 cm3>S1需要hfV31.41。 f0.403cm角焊缝最小厚度hf1.5 t 6.7mm全梁的上下翼缘焊缝都采用hf 8mm4）腹板的加劲肋和局部稳定验算。加劲肋的布置：因为匹聖90 >80 ,t 1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 作横向加劲肋，其间距a= 235cm。腹板区格划分如图所示。梁高与弯矩都较大的区格 可按（/ cr）2（ / cr）2 c/ c.cr 1验算：区格左边及右边截面的剪力分别为V 左 333.45 74.1* （4.5 2.35）174.1kN ； v 右 0区格 截面的平均剪应力为区格左边及右边截面上的弯
20、矩分别为333.45*22.35 74.1 * (4.52.35)612kN mM max 816.9kN m区格的平均弯矩为68714.45kN m区格的平均弯应力为M y°901.5* 427* 1064I444926 * 10286.5N /mm计算crh°/t177 .23590/1.01770.510.852cr 160 N / mm计算cr，由于区格长短边之比为2.35/1.0 1.0，则h°/tS 415.34 4(h0/a)2则 cr 10.59( s 0.8) =89.4 N / mm2将以上数据代入公式22c()(一)1crcrccr(86.5
21、)2(9.67)2(160)(89.4)0.29 0.010.31.0（这里无局部压应力）hot满足局部要求，故在横板之间（区格）不必增设横向加劲助90*1再从剪力最大的区格 来考虑:该区格的腹板平均高度h。(90 54)/277,因h°/tw 77不必验算，故在梁高减小的区格 内也不必另设横向加劲助。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 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，所以取区格IV按式验算其长边中点的折算应力。面板区格IV在长边中点的局部弯曲应力为mykpa20.5* 0.04*720
22、22162N /mmmy0.3*16248.6N/m2对应于面板区格IV在长边中点的主梁弯矩和弯应力为74.1* 4.5*3.525274.1* 3.325765.8kN m297.5 N / mm765.8* 1060x67.852* 10面板区格IV的长边中点的折算应力为zh厂my(mx0x)2my( mx 0x)1622(48.6 97.5)2162*(48.6 97.5)191.2N /mm1.1 246.4N /mm21300'ViiiiiJ1222!iiJL1940 8200Ik8r图10横隔板截面图上式中mymx和0x的取值均以拉应力为正号，压应力为负号故面板厚度选用8
23、mm，满足强度要求。6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，并且吧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匹竺*2.35*更2360.0kN 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900mm 8mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用 200mm 8mm 的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度按B2b确定，其中b=2350mm ，按l0/b 2 2500/23502.127，从表6.1查得有效宽度系数 20.51，贝U
24、 B=0.512350=1198mm ，取 B=1200mm 。计算如图6.53所示的截面几何特性。截面形心到腹板中心线的距离为1200*8*454 200*8*454e197mm1200*8 200*8 900*8截面惯距为38* 900128* 900* 22228* 200 *62628* 1200* 2822223128* 104mm4截面模量为4630Wmin如28* 103541714mm3验算弯应力为也 60血 16.9N/mm2 Wmin3541714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hf 6mm 。7纵向连接系设计(1 )荷载和内力计
25、算。纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶 自重G按附录10中式(附10.1 )计算G KzKcKgH1.43B 0.88 9.80.81 1.0 0.13 5.51.43 90.889.868.9(kN)下游纵向连接系承受0.4G 0.4 68.9 27.6(kN)纵向连接系视作简支的平面桁架腹板布置如图所示，其结点荷载为6.89(kN)杆件内力计算结果如图6.54所示。(2)斜杆截面计算。斜杆承受最大拉力N 17.33kN，同时考虑到闸门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。选用单角钢 100 8，由附表6.4查得截面面积2 2A 15.6cm1560mm回转半
26、径iy0 1.98cm19.8mm斜杆计算长度l009 2.3522.42 0.423.04m图11纵向连接系计算图长细比I。3.04*103iyo 19.81535200验算拉杆强度为317.33*10156011.1N /mm20.85 133N/mm2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(3)斜杆与结点板的连接计算(略)。8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。边梁是闸门重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可容许应力值
27、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6.56.1 ）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 333.45kN 。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333.45* 2.4242kN最大弯矩M max 242* 0.65157.3kN m最大剪力Vmax Rl 242kN最大轴向力作用在一个边梁上的启吊力，估计为200kN （详细计算见后面）在最大弯矩作用截面上的轴向力，
28、等于启吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力N 200 R,f 200242* 0.12170.96kN（2）边梁的强度验算。截面面积2A 540*10 2* 300*1413800mm面积矩Smax 14* 300* 277 10* 270* 1501527900mm3截面惯性矩32* 300* 14* 2772824523600 mm410* 540312截面模量82452360028432903252mm截面边缘最大应力验算maxmax170.96 10157.3 1066N / mm2 0.8 128N/mm2138002903252腹板最大剪力验算Itsmax242* 100*152790
29、0824523600*102 245N /mm 0.8 76N /mm腹板与下翼缘连接处折算应力验算N M maxyA Wy12 54*空 63.3N/mm22842hItw234.1N/mm242*103 * 300*14* 27782.45236* 107 *1087N/mm20.8 0.8*160 128N/mm2以上验算均满足强度要求9行走支撑设计胶木滑块计算：滑块位置如图所示，下滑快受力最大，其值为R2 534 kN设滑块长度为350 mm ,则滑块单位长度的承压力为21214N /mm2424.9*10350根据上述q值由表查的轨顶弧面半径R 150mm，轨头设计宽度为b 35mm
30、。max104 1501214胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按式进行验算2 2295.8N / mm j500N / mm选定胶木高30 mm，宽120 mm，长350 mm。10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决定。根据C20混凝土由附表9.2查得混凝土的容许承压应力为h 7N/mm2,则所需的轨道 底板宽度为q 1214Bh173mm(取 Bh 240mm)h7为h故轨道底面压应力121418526.5N / mm(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图14胶木滑块支承轨道截面图式中轨道底板的悬臂长度c 102.5m
31、m。对于Q235钢，查得100N / mm2故所需轨道底板厚度为3*6.5*752 10033.1mm(取 t50mm)11闸门启闭力和吊座计算(1)启门力按式计算T 启 1.1G1.2(Tzd Tzs) Px其中闸门自重 G 68.9kN滑道摩阻力 Tzd fP 0.12 1482 1 77 .84kN止水摩阻力 Tzs 2fbHp 因为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 0.06m 每边侧止水受水压长度 H 5.5m 侧止水平均压强 p 26.95kN /m2故 TZs 2 0.65 0.06 6 26.9511.6kN下吸力Px底止水橡皮采用1110 16型
32、，其规格为宽16 mm、长110 mm.底止水沿门跨长 9.4 m 。根据钢闸门设计规范 ：启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m2计算，则下吸力为Px 20 9.4 0.016 3kN故闸门启门力为 T启 1.1 68.9 1.2 (177.84 11.6)3306kN(2) 闭门力按式计算T闭 1.2( Tzd Tzs)0.9G1.2 (177.84 11.6)0.9 68.9165.3kN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， 若把闸门行走支撑改为滚轮，则边梁需由单复式改为双复式，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 kN的加载梁，在关
33、闭时可以依次对 需要关闭的闸门加载下压关闭。吊轴1r?8020io20nn图15吊轴和吊耳板(3) 吊轴和吊耳板验算1)吊轴。采用Q235钢，查得65kN/mm2，采用双吊点，每边起吊力P 1.2* 主需要吊轴截面积A占391.8 1021412mm65d2又 A 0.785d24故吊轴直径d ； 0.785141242.4mm(取 d 80mm)；0.7853061.2183.6kN2吊轴每边剪力V P竺k 9侮2 )吊耳板强度验算。按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按式计算，查得 Q235 钢的cj 80N /mm2，故P183.6 103t d cj8080 29mm因此在边梁腹板上端部的两侧各焊一块厚度为20 mm的轴承板。轴承采用圆形，其直径取为3d 240mm。r2 2吊耳孔壁拉应力按式k cj 一30.8 kR r式 中 cj P/td 183.6 1 03/(40 80)57.4N/mm2 ， 吊耳 板半径R 120mm，轴孔半径r 40mm，查附表1.7得k120 N /mm2，所以孔壁拉应力57.42212040221204071.8N / mm20.8*120 96N/mm2故满足要求。