鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計

1、 水利水電工程鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計說明書專業(yè)/班級: 水利水電工程 課程代碼: 16009699 學(xué)生姓名: 學(xué)號: 學(xué)院: 能源與動力工程學(xué)院 指導(dǎo)教師: 目錄一、設(shè)計資料及有關(guān)規(guī)定··································

2、···········1二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置·····································

3、;······2三、面板設(shè)計··········································

4、3;············5四、水平次梁、頂梁和底梁地設(shè)計···································

5、··6五、主梁設(shè)計···············································

6、;········10六、橫隔板設(shè)計········································&#

7、183;············17七、縱向連接系····································

8、;················18八、邊梁設(shè)計································

9、83;·····················20九、行走支承設(shè)計···························

10、;·······················22十、 軌道設(shè)計·························&#

11、183;···························22十一、止水布置方式····················

12、83;··························· 23十二、埋固構(gòu)件 ····················

13、3;·······························23十三、閘門啟閉力·················

14、································· 23十四、吊耳板強(qiáng)度驗(yàn)算· ·············

15、3;······························24十五、 閘門啟閉機(jī)械 ·················

16、83;··························· 24一、設(shè)計資料 1、閘門形式：露頂式平面鋼閘門； 2、孔口尺寸（寬*高）：11m*10m； 3、上游水位：9.8m； 4、下游水位：0m； 5、閘底高程：0m； 6、啟閉方式：液壓式啟閉機(jī)； 7、

17、材料 鋼結(jié)構(gòu)：Q235-A.F；焊條：E43型；行走支承：滾輪支承； 止水橡皮：側(cè)止水用p型橡皮，底止水用條形橡皮； 8、制造條件 金屬結(jié)構(gòu)制造廠制造，手工電弧焊，滿足III級焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 9、規(guī)范：水利水電工程閘門設(shè)計規(guī)范SL 1974-2005二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置1.閘門尺寸的確定閘門高度：考慮風(fēng)浪所產(chǎn)生的水位超高為0.2米，故閘門設(shè)計高度=9.8+0.2=10m；閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L1=11m；閘門計算跨度：L=L0+2d=11+2*0.2=11.4m2.主梁的形式主梁的形式應(yīng)根據(jù)水頭和跨度大小而定，本閘門屬于中等跨度，為了便于制造和維

18、護(hù)，決定采用實(shí)腹式組合梁。3.主梁的布置根據(jù)閘門的寬高比，決定采用五主梁式。為使主梁在設(shè)計水位時所受水壓力相等，根據(jù)公式計算每一根主梁距水面的距離，K及第K根主梁位置。（K=1,2,3,4,5） y1=2.98m y2=5.45m y3=7.06m y4=8.35m y5=9.48m 圖1 閘門尺寸圖（單位：m）4.梁格的布置和形式梁格采用復(fù)式布置和等高連接，水平次梁穿過橫隔板上的預(yù)留孔并被橫隔板所支承。水平次梁為連續(xù)梁，其間距應(yīng)上疏下密，使面板各區(qū)格所需要的厚度大致相等，梁格的布置具體尺寸見圖。圖2 梁格布置尺寸圖（單位：mm）5.連接系的布置和形式（1）橫向連接系，根據(jù)主梁的跨度決定布置4

19、道橫隔板，其間距為2.28m，橫隔板兼做豎直次梁。（2）縱向連接系，設(shè)在兩個主梁下翼緣的豎平面內(nèi)，采用斜桿式桁架。(圖詳見后)6.邊梁與行走支承。 邊梁采用單復(fù)試，行走支承采用滾輪支承。三、面板設(shè)計 根據(jù)SL1974-1995水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范修訂送審稿，關(guān)于面板的計算，先估算面板厚度，在主梁界面選擇之后再驗(yàn)算面板的局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力。1. 估算面板厚度  假定梁格布置尺寸如圖2所示，面板厚度按下式計算：t=akp0.9as當(dāng)b/a3時，a=1.5，則t=akp0.9´1.5´160=0.068akp當(dāng)b/a3時，a=1.4, 則t

20、=akp0.9´1.4´160=0.070akp現(xiàn)列表1進(jìn)行計算表一注 1、面板邊長a、b都從面板宇梁格的連接焊縫算起，主梁上翼緣寬為140mm (詳見后面)2、區(qū)格1、11中的系數(shù)k由三邊固定一邊簡支板查得。根據(jù)上表計算選用面板厚度t=12mm(2）面板與梁格的連接計算面板局部繞曲時產(chǎn)生的垂直于焊縫長度方向的橫向拉力P按式max計算，已知面板厚度t=12mm，并且近似地取板中最大彎應(yīng)力max =【】=160 N/mm2 則max = 0.07×12×160=134.4（N/mm）面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)的剪力 T=VS/2I0 =539600&

21、#215;640×12×317/（2×2529530000）=259.67(N/mm)由式計算面板與主梁連接的焊縫厚度為hf=(p/1.22)2+T2)(1/2)/(0.7th)=（134.4×134.4+259.67×259.67/（0.7×113）=3.7(mm)面板與梁格連接焊縫取其最小厚度hf=6 mm四、水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計1荷載與內(nèi)力計算水平次梁和頂、底梁都是支承在橫隔板上的連續(xù)梁，作用在它們上面的水平壓力可按式計算。 列表2計算后得q=78.27kN/m梁號梁軸線處水壓強(qiáng)度梁間距（m）（m）（kN/m）備 注1 （

22、頂梁）1.47 214.91 1.47 21.84 1.46 3（主梁）29.23 1.42 41.37 1.37 4.42.67 1.24 52.70 1.10 5.（主梁）53.46 0.97 51.59 0.83 661.61 0.81 49.59 0.78 7（主梁）69.26 0.75 51.60 0.71 876.22 0.65 49.16 0.58 9（主梁）81.91 0.63 51.61 0.68 1088.58 0.57 50.05 0.45 11（主梁）93.00 0.49 45.10 0.52 12（底梁）98.10 0.45 44.15 表二根據(jù)表二計算，水平次梁計算

23、荷載取52.7kN/m,水平次梁為五跨連續(xù)梁，跨度為2.28m（圖三）。水平次梁彎曲時的邊跨中彎矩為M次中=0.080ql2=0.080×52.7×2.28×2.28=21.92 (kNm)支座B處的彎矩為M次B =0.107ql2=0.107×52.7×2.28×2.28=29.31 (kNm)圖3 水平次梁計算簡圖和彎矩圖2.截面選擇 W=M/=29.31×106/160=183208mm3考慮到利用面板作為次梁截面的一部分，初選 18a， 由附錄三表4查得：A=2569mm²；Wx=141400mm3 ；Ix

24、=12727000mm4 b=68mm；d=7mm面板參加次梁工作有效寬度分別按式(1)及式或（其中）計算，然后取其其中較小值。 式（1） Bb1+60t= 68+60×8=548mm（對胯間正彎矩段）（對支座負(fù)彎矩段）按4號梁計算，設(shè)梁間距(1137+1110)/2=1123.5(mm)。確定式中面板的有效寬度系數(shù) 時，需要知道梁彎矩零點(diǎn)之間間距與梁間距b比值。對于第一跨中正彎矩段取= 0.8l=0.8×2280=1846.8(mm) 。對于支座負(fù)彎矩段取 =0.4×2280=912(mm)。面 板 有 效 寬 度 系 數(shù) 和 0.51.01.52.02.534

25、56810120.200.400.580.700.780.840.900.940.950.970.981.000.160.300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92表三根據(jù)查 表3，得對于=1846.8/1123.5=1.64得= 0.61，B=0.61×1123.5=689.4(mm) ;對于= 912/1123.= 0.81 ，得= 0.25 ，則B = 0.25×1123.5=281(mm) ;對第一跨中選用B=660mm ，則水平次梁組合截面面積 圖3 為A =2569+660×12=10489mm2組合截面形心到

26、槽鋼中心線的距離為 e=660×12×96/10489=72（mm）跨中組合截面的慣性矩及截面模量為 I次中=12727000+2569×722+660×8×242=29225944mm4 Wmin=29225944/162=180407mm3對支座B = 281mm ，則組合截面面積為A =2569+281×12=5941 mm2組合截面形心到槽鋼中心線的距離為 e=281×12×96/5941=54.49(mm)圖4 面板參加水平次梁工作后的組合截面（mm）支座處組合截面的慣性矩及截面模量為 I次B=12727

27、000+2569×54.492+281×12×60.492=32693055.5mm4 Wmin=32693055.5/144.49=226265 mm23.水平次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算由支座B（圖3）處彎矩最大，而截面模量最小，故只需驗(yàn)算支座B處的截面的抗彎強(qiáng)度，即次=M次B/Wmin=29310000/226265=129.5N/mm2<=160N/mm2說明水平次梁選用 18a滿足要求。軋成梁的剪應(yīng)力一般很小，可不必驗(yàn)算。4.水平次梁的撓度驗(yàn)算受均布荷載的等跨連續(xù)梁，最大撓度發(fā)生在邊跨，由于水平次梁在B支座處截面的彎矩已經(jīng)求得M次B=26.8kN.m ,則邊跨撓

28、度可近似地計算為=5/384×ql3/EI次-M次Bl/16EI次=5×52.7×(2.18×103）3/(384×2.06×105×29225944 )- 29310000×2.28×103/(16×2.06×105×29225944 )=0.000487<W/L=1/250=0.004 故水平次梁選用 18a 滿足強(qiáng)度和剛度要求。（5）頂梁和底梁。頂梁所受的荷載較小，但考慮水面漂浮物的撞擊等影響，必須加強(qiáng)頂梁的剛度，所以也采用 18a。底梁也采用 18a五、主梁設(shè)計

29、(一)設(shè)計資料設(shè)計如下圖，主梁凈跨（孔口寬度）L0=11.00m;計算跨度L=11.40m；荷載跨度L1=11m. 2. 主梁荷載q=98.1KN/m.   3. 橫向隔間距：2.28m；4. 主梁容許撓度：w=L/600圖5 主梁位置圖（單位：m）（二）主梁設(shè)計   主梁設(shè)計內(nèi)容包括：1.截面選擇；2.梁高改變；3.翼緣焊縫；4.腹板局部穩(wěn)定驗(yàn)算；5.面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力驗(yàn)算。1.截面選擇（1）彎矩與剪力。彎矩與剪力計算如下：Mmax=98.1´112´（11.42-114）=1591.7（kN&

30、#183;m） Vmax=qL12=12´98.1´11=539,6kN(2) 需要的截面抵抗矩。已知Q235鋼的容許應(yīng)力s=160KN/mm²，考慮鋼閘門自重引起的附加應(yīng)力作用，取容許應(yīng)力s=0.9×160=144N/mm2，則需要的截面模量為W=Mmaxs=1591.7´100144´0.1=11053.5cm³(3)腹板高度選擇按剛度要求的最小梁高（變截面梁）：hmin=0.96´0.23sLEwL=0.96´0.23´144´100´11.4´1002.06

31、´107´(1/600)=105.57cm經(jīng)濟(jì)梁高 hec=3.1W(2/5)=3.1´11053.5(2/5)=128.5cm現(xiàn)選用腹板高度h0=110cm(4)腹板厚度選擇。按經(jīng)驗(yàn)公式計算：tw=h/11=11011=0.95cm ，選擇用tw=1cm（5）翼緣截面選擇。每個翼緣截面為 A1=W/h0-twh0/6=11053.5/110-1×110/6=82.1cm2下翼緣選用（符合鋼板規(guī)格） 需要，選用b1=A1/t1 =87.8/2.0=41.05cm，選用b1=42cm(在 之間）。 上翼緣的部分截面面積可利用面板，故只需設(shè)置較小的上翼緣板同

32、面板相連，選用t1 =2.0cm，b1=16cm。 面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為 B=b1+60=16+60×1.2=88cm； 上翼緣的面積為 A1=16×2.0+88×1.2=137.6cm2(6)彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。主梁跨中截面（圖6）的幾何特性見 表4 。截面形心矩為y1=Ay'/A=15855.280/302.8=52.36cm；截面慣性矩圖6 主梁跨中截面（單位：mm）I=twh03/12+Ay2=1×1103/12+32607463.3=32718380cm4截面模量： 上翼緣頂邊 Wmin=I/y1=32718380/52.36=

33、624873cm3； 下翼緣底邊 Wmin= I/y2=32718380/62.84=520661cm3；彎應(yīng)力=Mmax/Wmin=1591.7´100/520661=0.30kN/cm2<0.9×16=14.4kN/cm2，（安全）部位面板部分64×1.276.80.646.080 -51.762 123462.358 上翼緣板16×2.0322.683.200 -49.762 206024.553 腹板110×1.011058.26402.000 5.838 218194.526 下翼緣42×2.0841119324.00

34、0 58.638 32059781.870 合計302.815855.280 32607463.307 表4(7)整體穩(wěn)定性與撓度驗(yàn)算。因主梁上翼緣直接同鋼面板相連，按設(shè)計規(guī)范規(guī)定，可不必驗(yàn)算整體穩(wěn)定性。又因梁高大于按剛度要求的最小梁高，故梁的撓度不必驗(yàn)算。2截面改變因?yàn)榱嚎缍容^大，為減小門槽寬度和支承邊梁高度（節(jié)省鋼材），有必要將主梁支承端腹板高度減小為（圖7） 圖7 主梁支撐端截面（單位：mm）圖8 主梁變截面位置圖（單位：mm）梁高開始改變的位置去載鄰近支承端的橫向隔板下翼緣的外側(cè)（圖8），離開支承端的距離為22810 = 218 cm。剪切強(qiáng)度驗(yàn)算：考慮到主梁端部的腹板及翼緣都分別同支

35、承邊梁的腹板及翼緣相焊接，故可按工字形截面來驗(yàn)算剪應(yīng)力的強(qiáng)度。主梁支承端截面的幾何性質(zhì)見 表5 。表5截面形心距 y1=8383.3/258.8=32.39cm 截面慣性矩 I0=1×663/12+228995=252953cm4 截面下半部對中和軸的面積矩 S=84×37.8+36.8×1.0×36.8/2=3852.32cm3 剪應(yīng)力=VmaxS/I0t=539,6×3852.32/252953×1.0=8.22KN/cm2<=9.5KN/cm2安全3.翼緣焊縫翼緣焊縫厚度（焊腳尺寸）按受力最大的支承端截面計算。最大剪應(yīng)力5

36、39.6kN，截面慣性矩= 252953cm4。上翼緣對中和軸的面積矩 S1=76.8×31.7+32×30.1=3398cm3; 下翼緣對中和軸的面積矩 S2=84×37.8=3175.2cm3<S1； 需要hf=VS1/1.4I0f= 539,6×3398/(1.4×252953×11.3)=0.46cm 角焊縫最小厚度hf1.5t=1.5×20=6.7mm 所以，全梁的上、下翼緣焊縫都采用8mm。4、腹板的加勁肋加勁肋的布置：因h0t=110010=110>80，故需要設(shè)置橫向加勁肋。以保證腹板的局部穩(wěn)定性

37、。因閘門上已布置橫向隔板兼作加勁肋，其間距a=228cm。腹板區(qū)格劃分見圖7。梁高和彎矩都較大的區(qū)格II左邊及右邊截面的剪力分別為區(qū)格II截面的平均剪應(yīng)力為區(qū)格左邊及右邊截面上的彎矩分別為 區(qū)格的平均彎矩為區(qū)格的平均彎曲應(yīng)力為計算 計算，由于區(qū)格長短邊之比為2.28/1.1>1,則 所以 故滿足穩(wěn)定性要求，故在橫隔板之間（區(qū)格II）不必增設(shè)橫向加勁肋。再從剪力最大的區(qū)格I來考慮：該區(qū)格的腹板平均高度故需要驗(yàn)算。I左邊及右邊截面的剪力分別為區(qū)格I截面的平均剪應(yīng)力為區(qū)格I左邊及右邊截面上的彎矩分別為區(qū)格I的平均彎矩為MI=MI右/2=357.5KN.m區(qū)格I的平均彎曲應(yīng)力為計算 計算，由于區(qū)

38、格長短邊之比為2.28/0.88>1,則 所以 故滿足穩(wěn)定性要求，故在橫隔板之間（區(qū)格I）不必增設(shè)橫向加勁肋。5、面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力的驗(yàn)算從面板計算的表格可見，直接與主梁相鄰的面板區(qū)格中，區(qū)格3所需面板厚度較大，這意味著該區(qū)格長邊中點(diǎn)應(yīng)力也比較大，所以選取區(qū)格3來驗(yàn)算其長邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力。面板區(qū)格3在長邊中點(diǎn)的局部彎應(yīng)力： my=kpa2t2=0.476×0.036×13002122=±201.1(N/mm2)mx=my=±0.3×201.1=±60.3(N/mm2)面板區(qū)格3的長邊中點(diǎn)的主梁彎矩和彎應(yīng)力M=9

39、8.1×5.5×11=5935(kN·m)0x=MW=5935×106624.873×106=9.5(N/mm2)該區(qū)格長邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力zh=my2+mx+0x2-mymx+0x =201.12+(60.3-9.5)2-201.1×(60.3-9.5)=181.1Nmm2<=1.55×160=248(N/mm2) 故面板厚度選用12mm滿足強(qiáng)度要求 。六、橫隔板的設(shè)計1荷載和內(nèi)力計算。橫隔板同時兼作豎直次梁，它主要承受水平次梁、頂梁和底梁傳來的集中荷載以及面板傳來的分布荷載，計算時可把這些荷載用以三角形分布的水壓力來

40、代替（圖1），并且把橫隔板作為支撐在主梁上的雙懸臂梁。則每片橫隔板在上懸臂的最大彎矩為 M=2.98×29.23/2×2.28×2.98/3=98.64kN.m（2）橫隔板截面選擇和強(qiáng)度計算其腹板選用與主梁腹板同高，采用 1100mm ×8mm ，上翼緣利用面板，下翼緣采用200mm ×8mm 的扁鋼。上翼緣可利用面板寬度按確定，其中b= 2280mm ,按 l0/b=2×2980/2280=2.61，從表查得有效寬度系數(shù)2=0.59，則B=0.59×2280=1345.2mm，取B=1300mm 計算如 圖9 所示的截面幾

41、何特性。截面形心到腹板中心線的距離為e =1300×12×556-200×8×554/（1300×12+200×8+1100×8）=299.5mm截面慣矩為I=8×110003/12+8×200×853.52+8×1100×299.52+12×1300×256.52=89031405×104mm4截面模量為 Wmin=89031405×104/858.5=1037057715mm3驗(yàn)算彎應(yīng)力為 ð =M/Wmin=98.64&

42、#215;106/1327628=74.3N/mm2 <ð圖9 橫隔板截面（單位：mm）由于橫隔板截面高度較大，剪切強(qiáng)度更不必驗(yàn)算。橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度6mm七、縱向連接系1、荷載和內(nèi)力計算縱向連接系承受閘門自重。露頂式平面剛閘門門葉自重G按附錄十一中的式計算G=0.012KzKcH1.65B1.85×9.8KN=0.012×1×1´101.65×111.85=443.6(kN)下游縱向連接系承受 0.4G=0.4×443.6=266KN縱向連接系視作簡支的平面桁架，其桁架腹板桿布置如 圖10所示，其結(jié)點(diǎn)荷載

43、為 266/5=53.2（kN）桿件內(nèi)力計算結(jié)果如 圖10 所示。圖10 縱向連接系計算圖（單位：mm）2斜桿截面計算。斜桿承受做大拉力N =240KN. 同時考慮閘門偶然扭曲時可能承受壓力，故長細(xì)比的限制應(yīng)與壓桿相同，即 =200 選用單角鋼L110×10, 由附錄三查得 截面面積 A=15.6cm2=2130mm2回轉(zhuǎn)半徑 i=1.98cm=21.7mm ； 斜桿計算長度 l=0.9×=2.92m 長細(xì)比 =l0/iy0=2.92×103/21.7=137<=200 驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度 =240×103/2130=112.7N/mm2<0.85

44、=133N/mm2 考慮到單角鋼受力偏心的影響，將容許應(yīng)力降低15%進(jìn)行計算。3斜桿與結(jié)點(diǎn)板的連接計算（略）八、邊梁設(shè)計由于為大孔口，行走支承采用滾輪式。所以這里用雙腹式組合邊梁。邊梁的截面尺寸按構(gòu)造要求確定，梁高660mm，下翼緣用兩個180mm×20mm的扁鋼做成。腹板厚度20mm。邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，做設(shè)計時將容許應(yīng)力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲備。1、 荷載和內(nèi)力計算 滾輪采用等荷載布置，在每個邊梁上分別布置5個大小相等的圖11 邊梁截面（單位：mm）主輪。每個主輪位于主梁后面。每個主輪受力為1080kN。具體計算根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器求解得最大彎

45、矩Mmax=900kN/m最大剪力Vmax=731kN最大軸向力為作用在邊梁上的一個起吊力，估為350kN（詳見后面）在最大彎矩作用截面上軸向力為：N=350-731×0.1=227kN 圖12 邊梁計算圖2.邊梁強(qiáng)度驗(yàn)算截面面積A=600×20+660´20´2+180´2´20=45600(mm2)面積矩 Smax=20×600×340+660×20´330´2+180´20´340´2=15240000(mm3)截面慣性矩 I=20×660

46、³/12+600×20×340²+180´20´2´340²=2837400000mm4 截面模量 W=2837400000/330=8598181 mm3 截面邊緣最大應(yīng)力驗(yàn)算max=N/A+Mmax/W=227×1000/45600+900×1000000/8598181=109N/mm2<0.8=126N/mm2腹板最大應(yīng)力驗(yàn)算 =VmaxSmax/Itw=731×100×15240000/（2837400000×20）=20N/mm2<0.8=76 N/mm2腹板與下翼緣連接處折算應(yīng)力驗(yàn)算 max=N/A+Mmax/W.y'/y=227×1000/45600+900×1000000/8598181×（330/350）=104 N/mm2 = VmaxSi/Itw=731×1000×600×20×340/（2837400000×20）=52.556N/mm2 zh=124.6<0.8=128N/mm2 以上驗(yàn)算均滿足