露顶式平面钢闸门设计(总)

钢结构课程设计题目：露顶式平面钢闸门设计专业：水利水水电工程姓名：杨军飞班级：14瑶湖一班学号：2014100034指导老师：姚行友二〇一二年6月25日露顶式平面钢闸门设计一、设计资料闸门形式：露顶式平面钢闸门；孔口净宽：10.00m设计水头：5.40m结构材料：Q235FA-;焊条：焊条采用E43型手工焊；止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮；行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为2MCS;-启闭方式：电动固定式启闭机;制造条件：金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足Ⅲ级焊缝质量检验标准；执行规范：《水利水电工程钢闸门设计规范》（1995SL）。

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二、闸门结构的形式及布置（1）闸门尺寸的确定（见下图）。

1）闸门高度：考虑到风浪产生的水位超高为0.2m，故闸门高度= 5.54+ 0.2 = 5.6（m）；2）闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L 1 = 10m ； 3）闸门的计算跨度：L = L 0 + 2d = 10+2⨯0.2 =10.4 (m)；（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，决定采用实腹式组合梁。

（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的合力作用线y = H/3 ≈1.867， 并要求下臂梁H a 12.0≥和≥a 0.4。

上臂梁 H c 45.0≤,今取a 0.12H=0.672(m)主梁间距2b=2(y-a)=2(1.867-0.672)=2.39(m)则c=H-2b-a=5.5-2.46-0.6=2.538(m)（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上的预留孔冰被横隔板所支承。

水平次梁为连续梁，其间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置具体尺寸如下图所示。

（5）连接系的布置和形式。

1）横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置道横隔板，其间距为2.6 m，横隔板兼作竖直次梁。

2）纵向连接系，设在两个主梁下的翼缘的竖平面内。

采用斜杆式桁架。

（6）边梁与行走支承。

边梁采用单复式，行走支承采用胶木滑道。

三、面板设计根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74-95），关于面板的计算，先估算面板的厚度，在主梁截面选择之后再验算面板的局部弯曲与主梁弯曲的折算应力。

（1） 估算面板厚度。

假定梁格布置尺寸 图2 所示。

面板厚度按式[]σα9.0________kpt ≥计算当b/a ≤ 3 时，a = 1.5 ，则kp a kpa t 68.01604.19.0_________=⨯⨯=当b/a > 3 时，a = 1.4 ，则kp a kpa t 07.01604.19.0_________=⨯⨯= 现列 表 1 进行计算。

表1 面 板 厚 度 的 估 算2、区格I 、VI 中的系数k 由三边固定一边简支板查得。

根据表1计算，选用面板厚度 t = 8 mm 。

（2）面板与梁格的连接计算。

面板局部绕曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力P 按式σt P 07.0=max 计算，则σt P 07.0=max =0.07⨯8⨯160=89.6(N/mm)面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力T=VS/2I 。

=333500⨯580⨯8⨯262/2⨯1003410000=202（N/mm ）由式[])7.0/(22ωτf f T P h +≥=2.7（mm ）面板与梁格连接焊缝取其最小厚度6mm 。

四、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、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水平压力可按式2______下上a a p q +=计算。

列 表2 计算后得梁 号梁轴 线处 水压强度()2/m kN p梁间距（m ）2_______下上a a +（m ）2_______下上a a p q +=（kN/m ）备 注1顶梁1.29214.41.24517.931.203上主梁24.5 1.05 27.73 0.91 4 33.6 0.85528.730.805 40.40.7429.900.686下主梁 47.4 0.64 30.33 0.607底梁52.90.37519.8根据 表2 计算，水平次梁计算荷载取30.10kN/m,水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.35m （如上图）。

水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为M 次中=0.077ql ²=0.077⨯29.90⨯2.35²=12.71(kN •m)支座B 处的弯矩为M 次B =0.107ql ²=0.107⨯29.90⨯2.35²=17.67(kN •m)（2） 截面选择。

W=M/[ƃ]=176.7⨯10²⨯10³/160=1104375mm ³) 考虑到利用面板作为次梁截面的一部分，初选 [ 16 a 由附表6.3查的：A=25693mm ；Wx=141400mm ³；Ix=12727000mm4；b=68mm ；d=7mm ；面板参加次梁翼缘工作的有效宽度16068608548()B b t mm ≤+=+⨯=12()B b B bεε==对跨间正弯矩段（对支座负弯矩段）（其中()2/21b b b +=）计算，然后取其其中较小值。

按5号梁计算，设梁间距()=+=2/21b b b (720+770)/2=745(mm)。

确定式中面板的有效宽度系数 ξ 时，需要知道梁弯矩零点之间的间距0l 与梁间距b 比值。

对于第一跨中正弯矩段取0l =0.8L=1880mm 。

对于支座负弯矩段取0l = 0.4L=940mm 。

表3 面 板 有 效 宽 度 系 数 1ξ 和 2ξ根据b L /0查 表3，得对于b L /0= 1880/700= 2.686，得1ξ= 0.78，则B =0.78*745=581; 对于b L /0= 940/700 = 1.262，得1ξ= 0.364，则B =0.364*745= 271.2 ; 对第一跨中选用B=548mm ，则水平次梁组合截面面积（如图）为 对于第一跨中选用B=548mm ，则水平次梁组合截面面积为2256954886953()A mm =+⨯=组合截面形心到钢槽中心线的距离为 54889459()6953e mm ⨯⨯==跨中组合截面的惯性矩及截面模量为224=127270000+256959+548835=27040000I ⨯⨯⨯次中（mm ）2min 27040000181500()149mm =W 对支座B =300mm ，则组合截面面积为A =2569+300⨯8=4969（mm ²）组合截面形心到槽钢中心线的距离为e=8+83-46=45（mm）支座处组合截面的惯性矩及截面模量为I次B=12727000+2569⨯45²+300⨯8⨯49²=23691625（mm4）Wmin=23691625/135=175493（mm³）（3）水平次梁的强度验算。

由支座B（图3）处弯矩最大，而截面模量最小，故只需验算支座B处的截面的抗弯强度，即Ƃ次=M次B/ Wmin=17790000/175493=101.4<160N/mm²说明水平次梁选用[18a 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 =26.26kN•m，则边跨挠度可近似地计算为v/l=5ql³/384EI一次M次Bl/16 EI次=5⨯30.10⨯2350³/384⨯206000⨯27040000-17190⨯2350/16⨯2060000⨯27040000=0.000912‹【v/l】=1//250=0.004故水平次梁选用[18a 满足强度和刚度要求。

（5）顶梁和底梁。

顶梁所受的荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度，所以也采用 [18a 。

底梁也采用 [18a 。

五、主梁设计 （1）设计资料。

1）主梁跨度（图5）；净跨（孔口宽度）()m L 100= ，计算跨度 m L 4.10=,荷载跨度m L 101= ；2）主梁荷载：；q=74.11kN/m 3）横向隔板间距：2.60 ； 4）主梁容许挠度[]600/L =υ。

（2）主梁设计。

主梁设计包括：○1截面选择；○2梁高改变；○3翼缘焊缝；○4腹板局部稳定验算；○5面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。

1）截面选择。

○1弯矩与剪力。

弯矩与剪力计算如下Mmax=747.11⨯10.0⨯（10.4/2-10/4）/2=10085 kN/mVmax=74.11⨯10.0/2=370.55kN○2需要的截面模量。

已知Q235 钢的容许应力[]2σ，考虑钢N160mm/=闸门自重应力引起的附加应力作用，取容许应力为[]2σ，⨯==9.0mm/N144160则需要的截面模量为W=Mmax/[ƃ]=100850/14.4=7000（cm3）○3腹板的高度选择。

按高度要求的最小高梁（变截面梁）为 hmin=0.96⨯0.23⨯144000⨯10400/20600000⨯（1/600）=87.1（cm ） 经济梁高ec h =3.1⨯5√5674.03²=98.4（cm ）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ec h 小，但不小于m in h 。

现选用腹板高度h 。

=90cm○4腹板厚度选择。

按经验公式计算：cm h t 86.011/9011/===ϖ，选用cm t 0.1=ϖ。

○5翼缘截面选择。

下翼缘选用cm t 0.21=（符合钢板规格） 需要选用cmb 321=(在cm hh 20~405~5.2= 之间）。

上翼缘的部分截面面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用cm t 0.21=，cm b 121=。

面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为 B=b1+60δ=10+60⨯0.8=58(cm) 上翼缘的面积为A1=10⨯2+58⨯0.8=66.4(cm2)○6弯应力强度验算。

主梁跨中截面的几何特性见表4 。

截面形心矩为Y1=∑Ay1/∑A=8839/200.4=44.1(cm)截面惯性矩I=ϖt h 。

³/12+∑Ay ²=90³⨯1/12+231650=292400（cm4） 截面模量：上翼缘顶边 Wmin=I/y1=292400/44.1=6630(cm3) 下翼缘底边 Wmin=I/y2=292400/49.9=5860(cm3) 弯应力ƃ=Mmax/Wmin=81706/5860=13.9(kN/cm2)‹0.9⨯16=14.4(kN/cm2)(安全)○7整体稳定性与挠度验算。