鋼閘門課程設(shè)計--露頂式平面鋼閘門

1、<p><b>　　\</b></p><p><b>　　課程設(shè)計說明書</b></p><p>　　課 程 名 稱:水利水電工程鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計</p><p>　　課 程 代 碼: </p><p>　　題 目: 露頂式

2、平面鋼閘門 </p><p>　　學院(直屬系) : 能源與環(huán)境學院 </p><p>　　年級/專業(yè)/班: 2009級/水利水電工程 </p><p>　　學 生 姓 名: </p><p>　　學 號: </p><p>　　指 導(dǎo)

3、 教 師: </p><p>　　開 題 時 間: 2011 年 12 月 日</p><p>　　完 成 時 間: 2011 年 12 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1.設(shè)計資料…………………………………………

4、……………………………………………</p><p>　　2.閘門結(jié)構(gòu)的型式及布置………………………………………………………………………</p><p>　　3.面板設(shè)計………………………………………………………………………………………</p><p>　　4.水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計………………………………………………………………</p><p

5、>　　5.主梁設(shè)計………………………………………………………………………………………</p><p>　　6.面板參加主（次）梁工作的折算應(yīng)力驗算…………………………………………………</p><p>　　7.橫隔板設(shè)計……………………………………………………………………………………</p><p>　　8.縱向連接系設(shè)計…………………………………………………

6、……………………………</p><p>　　9.邊梁設(shè)計………………………………………………………………………………………</p><p>　　10.行走支承設(shè)計…………………………………………………………………………………</p><p>　　11.軌道設(shè)計………………………………………………………………………………………</p><p>

7、　　12.閘門啟閉力和吊耳計算………………………………………………………………………</p><p><b>　　工程概況：</b></p><p>　　閘門是用來關(guān)閉、開啟或者局部開啟水工建筑物中過水孔口的活動結(jié)構(gòu)。其主要作用是控制水位、調(diào)節(jié)流量。閘門是水工建筑物的重要組成部分，它的安全與適用，在很大程度影響著整個水工建筑物的原行效果。</p><

8、;p>　　水工剛結(jié)構(gòu)露頂式焊接平面鋼閘門設(shè)計計算書</p><p>　　設(shè)計資料及有關(guān)規(guī)定：</p><p>　　閘門形式：樓頂式平面鋼閘門</p><p>　　孔口尺寸（寬高）：10m11m</p><p>　　上游水位：10.8m</p><p><b>　　下游水位：0.1m</b>&

9、lt;/p><p><b>　　閘底高程：0.0m</b></p><p>　　啟閉方式：電動固定式啟閉機</p><p>　　材料 鋼結(jié)構(gòu)：Q235-A.F;</p><p><b>　　焊條：E43型;</b></p><p>　　行走支承：滾輪支承;</p&

10、gt;<p>　　止水橡皮：側(cè)止水用P型橡皮，底止水用條形橡皮</p><p>　　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)量檢驗標準</p><p>　　規(guī)范：《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范SL 1974-2005》</p><p>　　二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置</p><p>　　1. 閘門尺寸的確定&

11、lt;/p><p>　　閘門高度：考慮風浪所產(chǎn)生的水位超高0.2m,故閘門高度=10.8+0.2=11m;</p><p>　　閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：=10m</p><p>　　閘門計算跨度：=+=10+20.2=10.4m </p><p><b>　　圖1</b></p><p>

12、;<b>　　2.主梁的形式</b></p><p>　　主梁的形式應(yīng)根據(jù)水頭和跨度大小而定，本閘門屬中等跨度，為了制造和維護，決定采用實腹式組合梁。</p><p><b>　　主梁的布置</b></p><p>　　根據(jù)閘門的高跨比，采用4根主梁。</p><p>　　根據(jù)公式 計算每一根主

13、梁距水面的距離K及第K跟主梁，得：</p><p>　　3.60 m；6.58 m；8.52 m；10.09 m</p><p>　　4. 梁格的布置和形式</p><p>　　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2</p>

14、<p>　　5. 連接系的布置和形式 </p><p>　　（1）橫向連接系，根據(jù)主梁的跨度，決定布置4道橫隔板，其間距為2m，橫隔板兼作豎直次梁。</p><p>　?。?） 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。</p><p>　　6. 邊梁與行走支承</p><p>　　邊梁采用單腹式，行走支撐采用膠木

15、滑道。</p><p><b>　　三、面板設(shè)計</b></p><p>　　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，在主梁截面選擇之后再驗算面板的局部彎曲與主梁整體玩去的折算應(yīng)力。</p><p><b>　　1.估算面板厚度</b></p>&

16、lt;p>　　假定梁格布置尺寸如圖2所示。面板厚度按下式計算</p><p><b>　　t=a</b></p><p>　　當b/a≤3時，a=1.5,則t=a=0.068</p><p>　　當b/a >3時，a=1.4,則t=a=0.07</p><p><b>　　現(xiàn)列表1計算如下：<

17、/b></p><p><b>　　表1</b></p><p>　　根據(jù)上表計算，選用面板厚度t=15mm 。</p><p>　　2.面板與梁格的連接計算</p><p>　　已知面板厚度t=15mm ,并且近似地取板中最大彎應(yīng)力σmax=[σ]=160N/mm2,則</p><p>　

18、　168N/mm ,</p><p>　　面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)地剪力：</p><p>　　T＝=367N/mm</p><p>　　面板與主梁連接的焊縫厚度：</p><p><b>　　5.1mm</b></p><p>　　面板與梁格連接焊縫厚度取起最小厚度。</p>

19、;<p>　　四、水平次梁，頂梁和底梁地設(shè)計</p><p>　　1.荷載與內(nèi)力地驗算</p><p>　　水平次梁和頂，底梁都時支承在橫隔板上地連續(xù)梁，作用在它們上面的水壓力可</p><p><b>　　按下式計算，即</b></p><p><b>　　現(xiàn)列表2計算后得</b>&

20、lt;/p><p>　　575.88kN/m</p><p><b>　　表2</b></p><p>　　根據(jù)表2計算，水平次梁計算荷載取76.74kN/m，水平次梁為五跨連續(xù)梁，跨度為2.0m，水平次梁彎曲時的邊跨彎距為: M次中＝0.077ql2=23.6kN?m</p><p><b>　　支座B處的負彎

21、距：</b></p><p>　　M次B＝0.107ql2=32.84kN?m</p><p><b>　　2.截面選擇</b></p><p>　　考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選［22b,由附錄三表四查得：</p><p>　　A=3624mm2 ; Wx=233800mm3 ; Ix=25

22、714000mm4 ; b1=79mm ; d=9mm 。</p><p>　　面板參加次梁工作的有效寬度分別按式6—11及式6—12計算，然后取其中較小值。</p><p>　　式：6—11 B≤b1+60t=79+60*13=859mm ;</p><p>　　式：6—12 B=ζ1b (對跨間正彎距段)</p><p

23、>　　B=ζ2b （對支座負彎距段） 。</p><p>　　梁間距b= 。 對于第一跨中正彎距段l0=0.8l=0.8*2050=1640mm ;對于支座負彎距段l0=0.4l＝0.4*2050＝820mm 。</p><p>　　根據(jù)l0/b查表6—1：</p><p>　　對于l0/b＝1640/850＝1.924 得ζ1＝0.68 ，得B

24、=ζ1b＝0.68Х850＝578mm ,</p><p>　　對于l0/b＝820/850＝0.9647 得ζ2＝0.29 ，得B=ζ2b＝0.29Х850＝246.5mm ,</p><p>　　對第一跨中選用B＝578mm,則水平次梁組合截面面積（例圖4）: </p><p>　　A=3624+578Х13=11138mm2 ;</p><

25、p>　　組合截面形心到槽鋼中心線得距離：</p><p><b>　　e==79mm ;</b></p><p>　　跨中組合截面的慣性距及截面模量為：</p><p>　　I次中＝25714000+3624*792+578*13*37.52＝58897947mm4</p><p><b>　　Wmin=

26、</b></p><p>　　對支座段選用B＝247mm，則組合截面面積：A=3624+247*13=8356mm2 ;</p><p>　　組合截面形心到槽鋼中心線得距離：</p><p><b>　　e==54.7mm</b></p><p>　　支座初組合截面的慣性距及截面模量為：</p>

27、<p>　　I次B＝25714000+3624*552+247*13*61.52＝48821405mm4</p><p><b>　　Wmin=</b></p><p>　　3.水平次梁的強度驗算</p><p>　　由于支座B處（例圖3）處彎距最大，而截面模量較小，故只需驗算支座B處截面的抗彎強度，即</p><

28、;p><b>　　σ次＝</b></p><p>　　說明水平次梁選用[22b滿足要求。</p><p>　　軋成梁的剪應(yīng)力一般很小，可不必驗算。</p><p>　　4.水平次梁的撓度驗算</p><p>　　受均布荷載的等跨連續(xù)梁，最大撓度發(fā)生在便跨，由于水平次梁在B支座處截面的彎距已經(jīng)求得M次B=22.024

29、8kN?m,則邊跨撓度可近似地按下式計算：</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　＝0.0004235≤</p><p>　　故水平次梁選用[22b滿足強度和剛度要求。</p><p><b>　　五、主梁設(shè)計</b></p><p><b>

30、　　(一)設(shè)計資料</b></p><p>　　1）主梁跨度：凈跨（孔口凈寬）10m；計算跨度10.4m；荷載跨度10m</p><p><b>　　2）主梁荷載：</b></p><p>　　3）橫向隔板間距： 2.0m</p><p>　　4）主梁容許撓度： [W]=L/600 。</p>

31、<p><b>　?。ǘ┲髁涸O(shè)計</b></p><p><b>　　1.截面選擇</b></p><p>　　彎距和剪力 彎距與剪力計算如下：</p><p>　　彎距： 2371.6</p><p>　　剪力： 741.125kN</p><p>　　（2

32、）需要的截面模量。已知Q235鋼的容許應(yīng)力[σ]=160N/mm2 ,考慮鋼閘門自重引起附加應(yīng)力的影響，取容許應(yīng)力為[σ]= 則需要的截面模量為；</p><p>　　腹板高度選擇 按剛度要求的最小梁高（變截面梁高）為：</p><p><b>　　經(jīng)濟梁高：</b></p><p>　　由于鋼閘門中的橫向隔板重量將隨主梁增高而增加，

33、故主梁高度宜選得比hec小，但不小于hmin。現(xiàn)選用腹板厚度h0＝100cm 。</p><p><b>　　(4)腹板厚度選擇</b></p><p>　　，選用tw＝1.2cm 。</p><p>　　(5)翼緣截面選擇：每個翼緣需要截面為</p><p>　　下翼緣選用t1＝4.0cm（符合鋼板規(guī)格），需要36cm

34、,選用＝38cm,上翼緣的部分截面積可利用面板，故只需設(shè)置較小的翼緣板同面板相連，選用t1＝4.0cm，b1＝18cm，面板兼作主梁上翼緣的有效高度為</p><p><b>　　上翼緣截面面積</b></p><p>　　(6)彎應(yīng)力強度驗算</p><p><b>　　截面形心距：</b></p><

35、;p><b>　　截面慣性距：</b></p><p>　　截面抵抗距：上翼緣頂邊 </p><p><b>　　下翼緣底邊 </b></p><p><b>　　彎應(yīng)力：< 安全</b></p><p><b>　　表3</b></p&

36、gt;<p>　?。?）整體穩(wěn)定性與撓度驗算。因主梁上翼緣直接同面板相連，可不必驗算整體穩(wěn)定性，因梁高大于按剛度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗算。</p><p><b>　　2.截面改變</b></p><p>　　因主梁跨度較大，為減小門槽寬度與支承邊梁高度（節(jié)約鋼材），有必要將主梁承端腹板高度減小為。</p><p>　

37、　剪切強度驗算： 考慮到主梁端部的腹板及翼緣都分別同支承邊梁的腹板及翼緣相焊接，故可按工字截面梁驗算應(yīng)力剪力強度。幾何特性 表4所示：</p><p><b>　　表4</b></p><p>　　截面形心距： </p><p>　　截面慣性矩： </p><p>　　截面下半部對中和軸的面積矩： &l

38、t;/p><p>　　剪應(yīng)力：<=9.5kN/ （安全）</p><p><b>　　3.翼緣焊縫</b></p><p>　　翼緣焊縫厚度按受力最大的支承端截面計算。Vmax＝741.125kN；I0=495119.5cm4，</p><p>　　上翼緣對中和軸的面積距：=6880.5cm3，</p>

39、<p>　　下翼緣對中和軸的面積距：=6308cm<,</p><p>　　需要 0.651cm</p><p><b>　　角焊縫最小厚度 </b></p><p>　　全梁的上下翼緣焊縫都采用11mm。</p><p><b>　　4.腹板的加勁肋</b></p>

40、<p>　　加勁肋的布置：因為 , 故需設(shè)置橫向加勁肋,以保證腹板的局部穩(wěn)定性。因閘門上已布置橫向隔板可兼作橫向加勁肋，其間距a=200cm。</p><p><b>　　六、橫隔板設(shè)計</b></p><p><b>　　1.荷載和內(nèi)力計算</b></p><p>　　橫隔板同時兼作豎直次梁，它主要承受水平

41、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代替（圖1），并且把橫隔板作為支承在主梁上的雙懸臂。則每片橫隔板在上懸臂的最大負彎矩為</p><p>　　2.橫隔板截面選擇和強度驗算</p><p>　　其腹板選用與主梁腹板同高，采用，上翼緣利用面板，下翼緣采用的扁鋼，上翼緣可利用面板的寬度按確定，其中b=2000mm,按，查表得，則136

42、0mm</p><p>　　計算如圖截面幾何特性。</p><p>　　截面形心到腹板中心線的距離：mm</p><p><b>　　圖七</b></p><p><b>　　截面慣性距：</b></p><p><b>　　截面模量： </b><

43、/p><p><b>　　驗算彎應(yīng)力：</b></p><p>　　由于橫隔板截面高度較大，剪切強度更不必驗算，橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度。</p><p><b>　　七、縱向連接系設(shè)計</b></p><p><b>　　1.荷載和內(nèi)力計算</b></p>&

44、lt;p>　　縱向連接系承受閘門自重。露頂式平面鋼閘門門葉自重G按附錄十一式計算：</p><p><b>　　當H>8m時</b></p><p>　　下游縱向連接系承受 0.4G=0.4×352.5=141kN</p><p>　　縱向連接系是做簡支的平面桁架。其桁架腹桿布置如圖，其節(jié)點荷載為</p>

45、<p>　　桿件內(nèi)力計算結(jié)果如下圖。</p><p><b>　　2.斜桿截面計算</b></p><p>　　斜桿承受最大拉力N=91.34kN，同時考慮閘門偶然扭曲是可能承受壓力，故長細比的限制值應(yīng)與壓桿相同，即。</p><p>　　選用單角鋼∟160×16，查表得：</p><p>　　截

46、面面積 A=49.1=4910</p><p><b>　　回轉(zhuǎn)半徑 </b></p><p>　　斜桿計算長度 </p><p>　　長細比 </p><p><b>　　驗算拉桿強度：</b></p><p>　　考慮單角鋼受力偏心

47、的影響，將容許應(yīng)力降低15%進行強度驗算。</p><p><b>　　邊梁設(shè)計</b></p><p>　　邊梁的截面形式采用雙腹式（如圖），邊梁的截面尺按照構(gòu)造要求確定，即截面高度與主梁端部高度相同，腹板厚度與主梁腹板厚度相同，為了便于安裝滾輪，兩個下翼緣為用寬度為200mm的扁鋼做成。</p><p>　　邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受

48、力情況復(fù)雜，故在設(shè)計師將容許應(yīng)力值降低15%作為考慮受扭影響的安全儲備。</p><p><b>　　荷載和內(nèi)力計算</b></p><p>　　在閘門每側(cè)邊梁上各設(shè)兩個滾輪。其布置尺寸可見下圖</p><p><b>　　圖十</b></p><p>　　水平荷載。主要是主梁傳來的水平荷載，還有水

49、平次梁和頂、底梁傳來的水平荷載。為了簡化起見，可假定這些荷載由主梁傳給邊梁。每個主梁作用于邊梁的荷載為R=714.125KN。</p><p>　　豎向荷載。有閘門自重、滾輪摩擦阻力、止水摩阻力、起吊力等。</p><p><b>　　上滾輪所受的壓力</b></p><p><b>　　中滾輪所受的壓力</b></

50、p><p><b>　　下滾輪所受的壓力</b></p><p>　　最大彎矩 </p><p>　　最大剪力 </p><p>　　最大軸向力為作用在一個邊梁上的起吊力，估計為2600kN（詳細計算見后）。在最大彎矩作用截面上的軸向力，等于起吊力減去上滾輪的摩阻力，該軸向力</p&g

51、t;<p><b>　　邊梁的強度驗算</b></p><p>　　截面面積 A=55200mm</p><p><b>　　面積矩 </b></p><p><b>　　截面慣性矩 </b></p><p>　　截面模量 </p>

52、<p>　　截面邊緣最大應(yīng)力驗算:</p><p>　　腹板最大剪應(yīng)力驗算：</p><p>　　腹板與下翼緣連接處應(yīng)力驗算：</p><p>　　以上的驗算滿足強度要求。</p><p><b>　　九、行走支承設(shè)計</b></p><p>　　滾輪計算：輪子的主要尺寸是輪徑D和

53、輪緣寬度b，這些尺寸是根據(jù)輪緣與軌道之間的接觸應(yīng)力的強度條件來確定的，對于圓柱形滾輪與平面軌道的接觸情況是線接觸，其接觸應(yīng)力可按下式計算，其中下滾輪受力最大，其值為5884kN。設(shè)滾輪輪緣寬度b=120mm，輪徑D=520mm。</p><p>　　為了減少滾輪轉(zhuǎn)動時的摩擦阻力，在滾輪的軸孔內(nèi)還要設(shè)滑動軸承，選用鋼對10-1鑄鐵鋁磷青銅。</p><p>　　軸和軸套間壓力傳遞也是接觸應(yīng)力

54、的形式，可按下式驗算：</p><p>　　取軸的直徑d=320mm，軸套的工作長度b=480mm，</p><p>　　滑動軸套容許應(yīng)N/mm</p><p>　　輪軸選用45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼，取輪軸直徑d=280mm，其工作長度為b=480mm，對其進行彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力驗算：</p><p>　　軸在軸承板的連接處還應(yīng)按下式驗算輪軸與軸承板之

55、間的緊密接觸局部承壓應(yīng)力：</p><p><b>　　軸承板所受的壓力</b></p><p><b>　　取軸承板疊總厚度</b></p><p><b>　　故</b></p><p><b>　　滾輪軌道設(shè)計</b></p><

56、p><b>　　確定軌道鋼板寬度</b></p><p>　　軌道鋼板寬度按鋼板承壓強度決定。根據(jù)Q235鋼的容許承壓應(yīng)力為，則所需要的軌道底板寬度為</p><p><b>　　，取B=500mm</b></p><p><b>　　故軌道地面壓應(yīng)力：</b></p><p

57、><b>　　確定軌道底板厚度</b></p><p>　　軌道底板厚度б按其彎曲強度確定。軌道底板的最大彎應(yīng)力：</p><p>　　式中軌道底板的懸臂長度c=40mm，對于Q235由表查得。</p><p>　　故需要軌道底板厚度：</p><p>　　，取值t=70mm。</p><p&g

58、t;　　十一、閘門啟閉力和吊座驗算</p><p><b>　　啟門力按式計算 </b></p><p>　　其中閘門自重 G=352.5kN</p><p><b>　　滑道摩阻力 </b></p><p>　　止水摩阻力 </p><p>　　因

59、 橡皮止水與鋼板間摩擦系數(shù) f=0.65</p><p>　　橡皮止水受壓寬度取為 b=0.1m</p><p>　　每邊側(cè)止水受壓長度 H=10.8m</p><p>　　側(cè)止水平均壓強 p=72.6KN/㎡</p><p><b>　　故 </b></p><p>

60、　　下吸力Px底止水橡皮采用I110-16型，其規(guī)格為寬16mm，長110mm。底止水沿門跨長16.4m，根據(jù)SL74-95修訂稿：啟門時閘門底緣平均下吸強度一般按 20KN/㎡計算，則下吸力：</p><p><b>　　故閘門的啟門力：</b></p><p>　　閉門力按式（7-24）計算：</p><p>　　顯然僅靠閘門自重是不能

61、關(guān)閉閘門的。為此，我考慮采用一個重量1100kN的加載梁，在閉門時可以依次對需要關(guān)閉的閘門加載下壓關(guān)閉。</p><p>　　吊軸和吊耳板驗算，如圖：</p><p><b>　　圖十二</b></p><p>　?。?）吊軸。由于采用雙腹式邊梁，采用Q235鋼，由表查得，采用雙吊點，每邊起吊力為</p><p>　　吊

62、軸每邊剪力 </p><p>　　需要吊軸截面積 </p><p><b>　　又 </b></p><p>　　故吊軸直徑。取d=180mm</p><p>　　吊耳板強度驗算。按局部緊接承壓條件，吊耳板需要厚度按下式計算。由表查得Q235鋼的，</p><p><b&

63、gt;　　故 </b></p><p>　　因此在邊梁腹板上端部各焊一塊厚度為30mm的軸承板。軸承板采用圓形，其直徑取為D=3d=3×180=540mm。</p><p>　　吊耳孔壁拉應(yīng)力按下式計算：</p><p>　　，吊耳板半徑R=270mm，軸孔半徑r=90mm，由表查得，所以孔壁拉應(yīng)力：</p><p>