水利水电工程水工钢结构课程设计

M max
=
qL0 2
⎛ ⎜⎝
L 2
−
L0 4
⎞ ⎟⎠
=
202.5 ×14 2
×
⎛ ⎜⎝
14.6 2
−
14 4
⎞ ⎟⎠
=
5386.5( KN im)
Vmax
=
qL0 2
= 1417.5KN
2、需要的截面模量。已知 Q235A-F 钢的容许应力[σ ] = 0.9 ×160 = 144N / mm2 ,则需要的
kp
= 0.07a kp
0.9 ×1.4 ×160
现列表（如下）计算：
表1
4
注 1、面板边长 a、b 都从面板与梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽度为 260mm（详见于后）； 2.、区格Ⅰ、Ⅵ中系数 k 由三边固定一边简支板查得。
根据上表计算，选用面板厚度 t=14mm。 2、 面板和梁格的连接计算
3
见详图 2 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 3 道横隔板，其间距为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、边梁和行走支承 变量采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。
三、 面板设计 根据 SL74—95《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
面板与梁格连接焊缝取其最小厚度 hf = 10mm 。
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压力可按式（7--8） 计算，即
列表（如下）计算后得
q = p a上 = a下 2
∑ q = 427KN / m
5
根据表 2 计算，水平次梁计算荷载去 79.92KN/m。水平次梁为五跨连续梁，为 2.92 米。水 平次梁弯曲时的边跨中弯矩为
( ) Wmin
= 263124290 = 871272 302
mm2
对支座段选用 B=420mm。则组合截面面积：
A = 6809 + 420×14 = 12689mm2
组合截面形心到槽钢中心线距离：
7
e = 420×14×187 = 87 (mm)
12689
支座处组合截面的惯性矩及截面模量：
I次B = 126508000 + 5510×872 + 420×14× (73 + 7)2 = 205855190mm4
闸门的荷载跨度为两侧止水的间距即为孔口净宽： L1 = 14 (m)
闸门的计算跨度： L = L0 + 2d = 14 + 2× 0.3 = 14.6(m)
2、主梁的形式 本闸门为中等跨度，为了便于制造和维护决定采用实腹式组合梁
3、主梁的布置
闸门高跨比 L / H ≥ 1.5 采用双主梁，为使两个主梁在设计水位时所受的水压力相等，
2
一、 设计资料 (1)闸门型式：露顶式平面钢闸门 (2)孔口尺寸（宽×高）：14.0×5.2m2 (3)上游水位：▽26.0m (4)下游水位：无 (5)闸底高程：▽20.0m (6)胸墙底高程：▽25.2m (7)启闭设备：电动固定式启闭机 (8)闸门所用材料：
门叶承重钢结构：Q235.B 钢 焊 条：E43 型 混凝土强度等级：C20 行走支承：采用滚轮，材料为铸钢 ZG45 止水橡皮：顶止水，侧止水——P 形橡皮；底止水——条形橡皮 (9)制造条件：金属结构制造厂制造，手工电焊，满足Ⅲ级焊缝质量检验标准。 (10) 采用的规范：《水利水电工程钢闸门设计规范 SL74—95》 二、 闸门的结构形式及布置 1、闸门尺寸的确定（图 1） 闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为 0.3m，故闸门高度为 9+0.3=9.3 米
说明水平次梁选用[36b 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 = 71.55KN im 。则边跨挠度可近似地按下式计算：
w l
=
5 i ql3 385 EI次
− M次Bl 16EI次
M次中 = 0.077ql2 = 0.077 × 79.92× 3.652 = 87.7 ( KN / m)
M次B = 0.107ql2 = 0.107 × 79.92× 3.652 = 111.2( KN / m)
2、 截面选择
W
=
M
[σ ]
=
111200000 160
=
695000m3
考虑利用面板作为次梁截面的一部分初选[36b。由附录三表 4 查得
Wmin
=
160772640 247
=
833422mm3
3、 水平次梁的强度验算
由于支座 B（图 3）处弯矩最大，截面模量较小，故只需验算支座 B 处截面的抗弯强度，即
( ) ( ) σ次
=
M 次B Wmin
=
111200000 833422
= 133.4
N / mm2
< [σ ] = 160
N / mm2
面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力 p 按式（7--6）计算。已知面板厚
度 t=14mm，并且近似地取版中最大弯应力σ max = [σ ] = 160N / mm2 ，则
( ) P = 0.07tσ max = 0.07 ×14×160 = 156.8 N / mm2
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：
8
截面模量为
W
=
M max
[σ ]
=
5386.5 ×100 144× 0.1
= 37406.25cm3
3、腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为
[σ ] L
hmin
=
0.96× 0.23
E
i ⎡⎢⎣
w l
⎤ ⎥⎦
= 135.2cm
经济梁高 hec = 3.1W 2/5 = 209.2cm
( ) T = VS = 1417500×1100×14× 637 = 433 N / mm2
2I0
2 ×16053500000
由式（7--7）计算面板与主梁连接的焊缝厚度：
( ) hf =
P2 +T 2 /
0.7
⎡⎣τ
ω t
⎤⎦
=
156.82 + 4332 / (0.7 ×113) = 5.82(mm)
6
B = ξ2b(对支座负弯距段)
按 5 号梁计算。设梁间距 b = b1 + b2 = 1.2 +1.2 = 1.2(m) = 1200(mm) 。对于第一跨中正
2
2
弯矩段取 l0 = 0.8l = 0.8× 3650 = 2920(mm) 。
对于支座负弯矩段 l0 = 0.4l = 0.4× 3650 = 1460(mm) 。
=
0.00055 ≤
⎡w⎤ ⎢⎣ l ⎥⎦
=
1 250
=
0.004
故水平次梁选用[36b 满足强度和刚度要求。 5、 顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度。所 以采用[36b，底梁也采用[36b。
五、 主梁设计 （一） 设计资料
1） 主梁跨度（如图 5）：净跨（孔口宽度）L0 = 14m ，计算跨度 L=14.6m，荷载跨度 L1 = 14m ;
由 l0 / b 查表 7—1：
对于 l0 / b = 2920 /1200 = 2.4 得ξ1 = 0.769 则 B = ξ1b = 0.769×1200 = 922.8(mm)
对于 l0 / b = 1460 /1200 = 1.21 得ξ2 = 0.3504 则 B = ξ2b = 0.3504×1200 = 420(mm)
10
截面形心距
y1
=
29282.8 544
=
53.8cm
。
截面下半部对中和轴的面积距：
S = 144× (127.4 − 53.8 −1.5) + (127.4 − 53.8 − 3)2 ×1.4 = 14021cm3 2
∑ 截面惯性矩
I0
=
twh03 12
+
Ay2 = 1.4×1203 +1403750 = 1605350cm4 12
水工钢结构课程设计说明书
题目： 专业： 姓名： 班级： 学号： 成绩：
二〇一五年 月 日
1
目录
一、设计资料 二、闸门结构的形式及布置 三、面板设计 四、水平次梁、顶梁和底梁的设计 五、主梁设计 六、横隔板设计 七、纵向连接系设计 八、边梁设计 九、行走支承设计 十、胶木滑块轨道设计 十一、闸门启闭力和吊座计算
A = 6809mm2 Wx = 702900mm3 Ix = 126518000mm4 b = 98mm d = 11mm
面板参加次梁工作有效宽度分别按式（7—11）及式（7—12）计算，然后取其中较小值。
式（7—11） B ≤ b1 + 60t = 98 + 60×14 = 938mm
式（7—12） B = ξ1b(对跨间正弯距段)
对第一跨中选用 B=923mm，则水平次梁组合截面面积为
A = 6809 + 923×14 = 19731mm2
组合截面形心到槽钢中心线的距离为
e = 923×14×187 = 122(mm)
19731
跨中组合截面的惯性矩及截面模量为
I次中 = 126518000 + 5510×1222 + 923×14× (58 + 7)2 = 263024290(mm)4
两 个 主 梁 的 位 置 应 对 称 于 水 压 力 的 作 用 线 y = H / 3 = 3(m) （ 图 2 ）， 并 要 求 下 悬 臂
a ≥ 0.12H 和 a ≥ 0.4m 。
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，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置的具体尺寸
A1 = 26× 3.0 +110×1.4 = 164.8cm2
6、 弯应力强度验算，主梁跨中截面的几何特性见下表
9
截面形心距：
∑ Ay′
y1 =
= 90.3cm
∑A
∑ 截面惯性矩： I = twh03 + Ay2 = 4745484cm4 12
截面模量：
上翼缘顶边Wmax
=
I y1
=
4745484 90.3
= 52552cm3
下翼缘底边Wmin
=
I y2
=
4745484 200 + 3 + 3 +1.4 + 90.3
=
40525cm3
弯应力σ = M max = 5386.5×100 = 13.3 < 0.9×1.6 = 14.4KN / cm2 （安全）
Wmin
40525
7、 整体稳定性与挠度验算。因为主梁上翼缘直接通钢面板相连，，按规范规定可不必 验算整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高。估量的挠度也不必验算。
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），有必要将主梁支承端腹板高
度 减 小 为 h0s = 0.6h0 = 120cm （ 图 7 ）
梁高开始改变的位置取在邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧（图 8）。 离开支承端的距离为 364-15=349cm。 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的腹板及翼缘相焊接，可按工 字形截面来验算剪应力强度。主梁与支承端截面的几何特性见下表
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，不小于
hmin 。现选用腹板高度 h0 = 200cm 。
4、 腹板厚度选择。按经验公式计算， tw
=
h 11
= 1.28cm ，选用 tw
= 1.4cm 。
5、 翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为
A1
=W h0
−
twh0 6
2） 主梁荷载： q = P = 405 = 202.5KN / m ; 22
3） 横向隔板间距：3.65m;
4） 主梁容许挠度:[ω] = L 。
600
（二）主梁设计 主梁设计内容包括：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、 剪力和弯矩。弯矩与剪力计算如下：
= 140.4cm2
下翼缘选用 t1 = 3.0cm
需要 b1
=
A1 t1
=
46.7cm
取 b1 = 48cm 。
上翼缘的部分截面积可以利用面板，故需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用
t1 = 3.0cm b1 = 20cm
面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为
B = b1 + 60δ = 110cm
上翼缘截面积
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整体弯曲的折算应力。 1、 估算面板厚度
假定梁格布置尺寸如上图所示。面板厚度按式（7--3）计算：
t=a
kp
0.9a[σ ]
ຫໍສະໝຸດ Baidu
当 b / a ≤ 3 时， a = 1.5 ，则 t = a
kp
= 0.068a kp
0.9 ×1.5 ×160
当 b / a > 3 时， a = 1.4 ，则 t = a