露頂式平面鋼閘門課程設(shè)計鋼結(jié)構(gòu) 1

1、 課程設(shè)計(綜合實驗)報告( 2011- 2012年度第1學(xué)期)名 稱： 水工鋼結(jié)構(gòu) 題 目： 露頂式平面鋼閘門設(shè)計 院 系： 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計周數(shù)： 2 成 績： 日期：2012年1月3日目錄一、設(shè)計資料1閘門形式1孔口凈寬1設(shè)計水頭1結(jié)構(gòu)材料1焊條1止水橡皮1行走支承.1混凝土強(qiáng)度等級1二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置11.閘門尺寸的確定12.主梁的形式13.主梁的布置14.梁格的布置和形式25.連接系的布置和形式25-1橫向聯(lián)接系25-2縱向聯(lián)接系26.邊梁與行走支承2三、面板設(shè)計21.估算面板厚度22.面板與梁格的連接計算4四、水平次梁，頂梁和底梁的設(shè)計41.荷

2、載與內(nèi)力計算42.截面選擇63.水平次梁的強(qiáng)度驗算84.水平次梁的撓度驗算85.頂梁和底梁8五、主梁設(shè)計81.設(shè)計資料82.主梁設(shè)計82-1截面選擇82-2截面改變122-3翼緣焊縫142-4腹板的加勁肋和局部穩(wěn)定驗算142-5面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力驗算15六、橫隔板設(shè)計161.荷載和內(nèi)力計算162.橫隔板截面選擇和強(qiáng)度計算16七、縱向連接設(shè)計171.荷載和內(nèi)力的計算172.斜桿截面計算17八、邊梁設(shè)計181.荷載和內(nèi)力的計算181-1水平荷載181-2豎向荷載182.邊梁的強(qiáng)度驗算19九、行走支承設(shè)計19十、膠木滑塊軌道的設(shè)計201.確定軌道底板寬度202.確定軌道底板厚度20

3、十一、閘門啟閉力和吊座計算201啟門力計算202閉門力計算213吊軸和吊耳板213-1吊軸213-2吊耳板強(qiáng)度驗算22總結(jié)23參考資料24 一、 設(shè)計資料閘門形式：單孔露頂式平面鋼閘門孔口凈寬：10.00mm設(shè)計水頭：6.00m結(jié)構(gòu)材料：平爐熱軋?zhí)妓劁換235焊條：E43止水橡皮：側(cè)止水用P型橡皮，底止水用條形橡皮。行走支承：采用膠木滑道，壓合木為MCS-2.混凝土強(qiáng)度等級：C20二、 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0.2m，故閘門高度=6+0.2=6.2m；閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L1=10m；閘門的計算跨度：L=L0+2d=10+2&#

4、215;0.2=10.4m用autocad畫出圖形如下圖 1 閘門主要尺寸圖（單位 m）2. 主梁的形式主梁的形式根據(jù)水頭合跨度大小而定，本閘門屬中等跨度，為了便于制造和維護(hù)，決定采用實腹式組合梁。3. 主梁的布置根據(jù)閘門的高跨比，決定采用雙主梁。為使兩個主梁在設(shè)計水位時所承受的水壓力相等，兩個主梁的位置應(yīng)對稱于水壓力合力的作用線y=H/3=2m，并要求下懸臂a0.12H和a0.4m，上懸臂c0.45H，今取，a=0.7m0.12H=0.72主梁間距：2b=2(y-a)2×1.3=2.6m則c=H-2b-a=6-2.6-0.7=2.7m=0.45H滿足要求4. 梁格的布置和形式梁格采

5、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，其間應(yīng)上疏下密，使面板各區(qū)格所需要的厚度大致相等，梁布置的具體尺寸詳見圖2。5. 連接系的布置和形式5-1 橫向聯(lián)接系 根據(jù)主梁的跨度決定布置三道隔板，其間距為2.55m ，橫隔板兼作豎直次梁。5-2 縱向聯(lián)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。6. 邊梁與行走支承邊梁采用單腹式，行走支承采用膠木滑道。三、 面板設(shè)計1. 估算面板厚度假定梁格布置如圖2所示。面板厚度按下式計算：t=akp0.9a當(dāng)b/a3時， a=1.5，則t=akp0.9a=akp0.9×1.5×160=0

6、.068akp當(dāng)b/a3時，a =1.4，則t=akp0.9a=akp0.9×1.4×160=0.070akp列表計算，如表1表1 面板厚度的計算區(qū)格a(mm)b(mm)b/akp(N/mm2)kpt(mm)91320572.250.740.0060.0666334.13686391320572.250.50.0150.0866035.37663251620573.990.610.0240.1209964.24550358620573.510.50.0270.116194.62991968620573.000.50.0330.1284525.99204461620573.3

7、40.50.0370.1360155.69738458620573.510.50.0440.1483245.91041455620573.700.50.0510.1596876.037453圖 2 梁格布置尺寸圖（單位 mm）根據(jù)上表計算，選用面板厚度t=7mm2. 面板與梁格的連接計算面板局部撓曲時產(chǎn)生的垂直于焊縫長度方向的橫拉力P，已知面板厚度t=7mm，并且近似地取板中最大彎應(yīng)力max=160N/mm2 由此P=0.07tmax=0.07×7×160=78.4(N/mm2)面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)的剪力為T=VS÷2I0=441000×62

8、0×7×306÷(2×1617000000)=181(N/mm)計算面板與主梁連接的焊縫厚度：hf=P2+T2÷(0.7t)=78.42+1812÷(0.7×113)=2.5mm面板與梁格連接焊縫最小厚度hf=6mm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?shù)琢憾际侵С性诟舭迳系倪B續(xù)梁，作用在它們上面的水壓力按 q=p(a上+a下)÷2現(xiàn)列表計算如表格2：得出q=152kN/m表2 水平次梁、頂梁共和底梁的計算梁號梁軸線處的水壓強(qiáng)度P(KN/m2)梁間距（m）a上+a下2pa上+a下2備注1（

9、頂梁）3.68頂梁荷載按下圖計算R1=1.57×1.542×1.5731.72=3.68kN/m2 1.7427.3151.5811.591.433（上主梁）17.3581.2822.241.14423.0341.0524.250.97529.480.8825.830.786（下主梁）37.0260.6724.910.56743.8020.4620.340.37850.2480.2713.660.189（底梁）56.3640.095.02根據(jù)上表計算，水平次梁計算荷載取25.83KN/m， 水平次梁為四跨連續(xù)梁，跨度為2.067m.如圖3和圖4所示。圖 3 梁格布置局部尺寸

10、圖（單位 mm）圖 4 水平次梁計算簡圖和彎矩圖水平次梁彎曲時的邊跨跨中彎矩為：M次中=0.077ql2=0.077×25.83×2.0672=8.50KN·m支座B處的負(fù)彎矩為：M次B=0.107ql2=0.107×25.83×2.0672=11.81KN·m2. 截面選擇W=M=11.81×106160=73812.5mm3考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選槽鋼14b ，由表查得：A=1851mm2;Wx=80500mm3；Ix =5637000mm4；b1=60mm; d=8.0mm面板參加次梁工作有效寬度按下式計

11、算，然后取最小值。Bb1+60t=60+60×7=480mmB=1b1（對跨間正彎矩段）B=2b1（對支座負(fù)彎矩段）按5號梁計算，設(shè)梁間距b=b1+b22=580+5702=575mm確定上式中面板的有效寬度系數(shù) 時，需要知道梁彎矩零點之間的距離l0與梁間距b之比值。對于第一跨中正彎矩段取l0=0.8l=0.8×2067=1654mm;對于支座負(fù)彎矩段取l0=0.4l=0.4×2067=827mm.根據(jù)l0b=1654575=2.88得1=0.839則B=1b=0.839×575=482mm 根據(jù)l0b=827575=1.44得1=0.418則B=2b=

12、0.418×575=240mm對于第一跨中彎矩選用B=460mm作圖（圖5）圖 5 面板參加水平次梁工作后的截面（單位 mm）則水平次梁組合截面面積：A=1851+460×6=4611mm2組合截面形心到槽鋼中心線的距離：e=(460×6×73)÷4611=44mm跨中組合截面的慣性矩及截面模量為： I次中=5637000+1851×442+460×6×322=12046766mm4Wmin=12046766÷116=103852mm2對支座段選用B=385mm.則組合截面面積：A=1851+385

13、15;6=79520mm2組合截面形心到槽鋼中心線的距離：e=(360×6×73)÷4161=38mm.支座處組合截面的慣性矩及截面模量：I次B=5637000+1851×442+460×6×322=11432376mm4wmin=11432376÷116=98554mm43. 水平次梁的強(qiáng)度驗算由于支座處B彎矩最大，而截面模量較小，故只需驗算支座B處截面的抗彎強(qiáng)度，即：次=M次Wmin=6.21×10698554=63.018 N /mm2<=160N/mm2說明水平次梁選用14b槽鋼滿足要求。扎成梁的剪應(yīng)

14、力一般很小，可不必驗算。4. 水平次梁的撓度驗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=9.21KNm則邊跨撓度可近似地按下式計算：l=5ql3384EI次-M次Bl16EI次=5×28.83×（2067）3384×2.06×105×12046766-9.21×106×206716×2.06×105×12046766=0.00019286<l=1250=0.004故水平次梁選用14b槽鋼滿足強(qiáng)度和剛度要求。5. 頂梁和底梁頂梁所受荷載較

15、小，但考慮水面漂浮物的撞擊等影響，必須加強(qiáng)頂梁剛度，所以也采用14b槽鋼。五、 主梁設(shè)計1. 設(shè)計資料1-1 主梁跨度凈寬L0=10.00m;計算跨度L=10.4m；荷載跨度L1=10m.（見圖6）1-2 主梁荷載q=88.2KN/m.1-3 橫向隔間距：2.6m。1-4 主梁容許撓度： w=1/600 2. 主梁設(shè)計2-1 截面選擇2-1-1 彎矩與剪力 彎矩與剪力計算如下： Mmax=88.2×10÷2×10.4÷2-10÷4=1191(KN m)Vmax=1÷2×88.2×10=441KN 圖 6 平面鋼閘門

16、的主梁位置和計算簡圖2-1-2 需要的截面模量已知Q235鋼的容許應(yīng)力=160N/mm2考慮鋼閘門自重引起的附加應(yīng)力作用，取容許應(yīng)力=0.9×160=144N/mm2則需要的截面抵抗矩為 W=Mmax=1191×100144×0.1=8271cm32-1-3 腹板高度選擇按剛度要求的最小梁高（變截面梁）： hmin=0.93×0.23LEl=0.93×0.23144×10.4×1042.06×107×1600=96.3cm3對于變截面梁的經(jīng)濟(jì)梁高h(yuǎn)ec=3.1W25=3.1×827125=114

17、cm.現(xiàn)選用腹板高度h0=100cm.2-1-4 腹板厚度選擇按經(jīng)驗公式計算：tw=h11=0.91cm選用 tw=1.0cm.2-1-5 翼緣截面選擇 每個翼緣需要截面為：A1=Wh0-twh06=8271100-1×1006=66cm下翼緣選用 t2=2.0cm(符合鋼板規(guī)格）需要b1=A1t1=662=33cm由此b1=34cm上翼緣的部分截面可利用面板，故只需設(shè)置較小的上翼緣板同面板相連，選用b1=14cm t1=2cm 面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為：B=b1+60=14+60×0.8=62cm上翼緣的截面面積A=14×2+60×0.8=77

18、.6cm2-1-6 彎應(yīng)力強(qiáng)度驗算 主梁跨中截面（見圖7)的幾何特性如表3： 圖 7 主梁跨中截面（單位mm）部位截面尺寸 (cm×cm)各形心離面板距離y，(cm2)Ay，(cm3)各形心離中合軸距離y=y，-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分62×0.849.60.4-50.1124300上翼緣板14×2281.8-48.766200腹板100×110052.82.3530下翼緣板34×268103.852.3193200合計245.6384230表3 主梁跨中截面的幾何特性截面形心矩：y1=Ay，A=12408245.6=50.5cm截

19、面慣性矩：I=Ay2+twh0312=384230+1×100×10012=467600(cm4)截面模量：上翼緣頂邊Wmax=Iy1=46760050.5=9276(cm3)下翼緣底邊： Wmin=Iy2=46760054.3=8620(cm3)彎應(yīng)力：=MmaxWmin=1191×1008620=13.8(KN/cm2)< 0.9×16= 14.4(KN/cm2)(安全)2-1-7 整體穩(wěn)定性與撓度驗算因主梁上翼緣直接同鋼板相連，按規(guī)范規(guī)定可不必驗算整體穩(wěn)定性。又因梁高大于剛度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗算。2-2 截面改變因主梁跨度較大

20、，為減小門槽寬度和支承邊梁高度，有必要將主梁支承段腹板高度寬度減小h0s=0.6h0=0.6×100=60cm 梁高開始改變的位置取在臨近支承段的橫向隔板下翼緣的外側(cè)，離開支承段的距離為260-10=250cm見圖8和圖9圖 8 主梁支撐端截面（單位mm）圖 9 主梁兩邊截面位置圖（單位mm）剪切強(qiáng)度驗算：考慮到主梁段部的腹板及翼緣部分分別同支承邊梁的腹板及翼緣相焊接，故可按工字鋼截面來驗算剪應(yīng)力強(qiáng)度。主梁支承端截面的幾何特性如下表。以及變截面后的尺寸。表4 主梁端部截面的幾何特性部位截面尺寸 (cm×cm)A(cm2)y，(cm)y=y，-y1(cm)Ay2(cm4)面板

21、部分62×0.849.60.4-30.646443上翼緣板14×2281.8-29.223874腹板100×16032.81.8194下翼緣板34×26863.832.873157合計205.6143668截面形心距：y1=6367205.6=31cm截面慣性矩： I0=1×60312+143668=161668cm4截面下半部中和軸的面積矩：S=31.82+31.8+32.8×68=2376cm4剪應(yīng)力：=SVmaxI0tw=2736×441161668×1=7.46 KN/cm2< =9.5KN/cm2(

22、安全)2-3 翼緣焊縫翼緣焊縫厚度hf按受力最大的支承端截面計算。最大剪力Vmax=441KN，截面慣性矩I0=161668cm4上翼緣對中和軸的面積矩 S1=49.6×30.6+28×29.2=2335cm3下翼緣對中和軸的面積矩 S2=68×32.7=2220cm3<S1需要hf=VS11.4I0fw=441×23351.4×161668×11.3=0.403 cm角焊縫最小厚度hf1.5t=1.5×20=6.7cm全梁的上下翼緣焊縫都采用hf=7cm2-4 腹板的加勁肋和局部穩(wěn)定驗算加勁肋的布置為h0tw=100

23、1=100>80因閘門已布置橫向隔板可兼作橫加勁肋，其間距a=280cm。腹板區(qū)格劃分見圖10。圖 10 腹板區(qū)格劃分（單位mm）梁高與彎矩都較大的區(qū)格 可按式(cr)2+(cr)2+(cc，cr)21驗算。對于區(qū)格II，剪力為VII，左=441-88.2×5-2.6=229KN ；VII，右=0平均剪力為=(VII，左+VII，右)2h0tw=2292×100×1=11.5N/mm2該區(qū)格截面的彎矩MII左=441×2.6-88.2×(5-2.6)2÷2=893 kNmMII右=Mmax=1191 kNm平均彎矩MII=104

24、2 kNm平均彎應(yīng)力II=MIIyI=1042×477×106467600×104=106.3N/mm2由于，區(qū)格長短邊之比大于1，則s=10041×5.34+4(100÷260)2235235=1N/mm2則cr=1-0.59s-0.8=1-0.591-0.895=83.8N/mm2c=0驗算(106.3160)2+(11.583.8)2+(0c，cr)2=0.461（安全）故，在區(qū)格II之間不必要增加勁肋。同理，區(qū)格II之間不必要增加勁肋。2-5 面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力驗算面板區(qū)格IV在長邊中點的局部彎曲應(yīng)力：my=kpa2t

25、2=0.5×0.027×586282=±72.44Nmm2mx=my=±0.3×72.44=±21.73Nmm2對應(yīng)于面板IV長邊中點的主梁彎矩和彎應(yīng)力M=88.2×5×3.9-88.2×3.722=1116KNm0x=MW=11169.27=120Nmm2面板IV長邊中點的折算應(yīng)力 zh=my2+(mx+0x)2-mx(mx+0x) =72.442+(21.73-120)2-72.44(21.73-120) =148.4Nmm2<1.55=248Nmm2滿足要求，面板厚度取8mm。六、 橫隔板設(shè)計

26、1. 荷載和內(nèi)力計算首先，吧荷載用三角形分布的水壓力來代替，見圖11。圖 11 橫隔板截面（單位mm）把隔板作為支撐在主梁上的雙臂懸梁。則每塊隔板的最大負(fù)載彎矩M=2.8×26.52×2.6×2.83=90.03KNm2. 橫隔板截面選擇和強(qiáng)度計算其腹板選用和主梁同高度，采用1000×8mm，上翼緣采用200×8mm 扁鋼。上翼緣B=1200mm截面形心到腹板中心線的距離：e=1200×8×504-200×8×5041200×8+8×200+1000×8=210 mm截面慣性

27、矩I=287623×104mm4截面模量Wmin=287623×104760=3784513mm3驗算彎應(yīng)力=90.03×1063784513=23.79Nmm2<橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度hf=6mm七、 縱向連接設(shè)計1. 荷載和內(nèi)力的計算縱向連接系承受閘門自重，其中G=KzKcKgH1.43B0.88×9.8=0.71×1×0.13×61.43×100.88×9.8=88.97KN 下游縱向連接系承受0.4G=0.4×88.97=35.59KN 由此，縱向連接系桁架腹桿布置圖及其計

28、算結(jié)果如圖12圖 12 縱向連接系計算圖（單位mm）2. 斜桿截面計算斜桿承受的最大壓力為17.8KN，取長細(xì)比=200選用單角鋼12.6，由此得出截面面積A=1569mm2 ；回轉(zhuǎn)半徑iy0=20.07mm ；斜桿計算長度l0=0.9×2.72+2.72+0.72=3.85m長細(xì)比=l0iy0=3.85×10320.07=185.8=200驗算拉桿強(qiáng)度=17.8×1031569=11.34Nmm2<0.85=133Nmm2八、 邊梁設(shè)計邊梁設(shè)計采用單腹式，見圖131. 荷載和內(nèi)力的計算在每側(cè)閘門上設(shè)置兩個膠木滑塊，其尺寸見圖141-1 水平荷載主要用來傳遞

29、主梁的水平方向的荷載，每個邊梁的荷載為450KN1-2 豎向荷載上滑塊所受的壓力R1=450×2.067÷3.3=281.9KN圖 13 邊梁截面（單位mm）圖 13 邊梁計算簡圖下滑塊所受的壓力R2=900-281.9=618.8KN最大彎矩Mmax=281.9×0.7=197.33KN·m最大剪力Vmax=618.8KN·m2. 邊梁的強(qiáng)度驗算截面面積A=600×10+400×14×2=17200mm2面積矩Smax=400×14×307+400×10×200=25192

30、00mm3截面慣性矩I=10×6003÷12+2×400×14×3072=707794400mm4截面模量W=707794400÷314=2254122mm3截面邊界最大應(yīng)力驗算max=NA+MmaxW=158.2417200+197.32254.122=83Nmm2<0.8=126N/mm2腹板下翼緣連接處應(yīng)力驗算=NA+MmaxWy'y=158.2417200+197.32254.122×300314=72.6Nmm22h=2+32=72.62+3×22.042=82.024Nmm2<0.8

31、=128Nmm2九、 行走支承設(shè)計假設(shè)滑塊的長度為400mm。則滑塊承受的壓力為q=618.8÷4×10=1547Nmm由此得出軌道頂部弧面半徑R=160mm，軌道設(shè)計寬度為b=40mm驗算max=104qR=104×1547160=302Nmm2<f=500Nmm2選定膠木滑塊的高為40mm，寬130mm 長400mm十、 膠木滑塊軌道的設(shè)計圖 14 膠木滑塊支撐軌道截面（單位 mm）1. 確定軌道底板寬度混凝土的容許壓力h=7KNmm2所需要的軌道底板的寬度Bk=q÷h=1547÷7=221mm軌道底板面壓力=1547÷30

32、0=5.16N/mm2。2. 確定軌道底板厚度軌道底板的厚度t=3hc2=3×5.16×1302100=51.14mm取厚度t=60mm十一、 閘門啟閉力和吊座計算1-1- (2020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020

33、2020202020202020202020202020202020201 啟門力計算T啟=1.1G+1.2Tzs+Tzd+Px其中，閘門自重G=101.5KN滑道摩阻力Tzd=fp=0.12×1800=216KN止水摩阻力Tzs=2fpH=2×0.65×0.06×60.12×30=14KN下吸力Px底止水橡皮采用I110-16型，其規(guī)格是16×110，底止水沿門跨長10.4m。根據(jù)SL 74-95修訂稿：啟門時插門底緣平均下吸力按照20千牛每米計算，則下吸力Px20×10.4×0.016=3.3KN故閘門的啟動力T啟=1.1×101.5+1.2×216+14+3.3=390.95KN2 閉門力計算T閉=-0.9G+1.2Tzs+Tzd=-0.9×101.5+1.2×216+14=184.65KN圖 15 吊軸和吊耳板（單位 mm）3 吊軸和吊耳板3-1 吊軸采用Q235鋼，得=65Nmm2，采用雙吊點，每邊吊起的力