钢结构平面钢闸门设计.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流钢结构平面钢闸门设计.精品文档.钢 结 构 课 程 设 计设计资料闸门形式：露顶式平面钢闸门设计；孔口净宽：9.00m；设计水头：5.5m；结构材料：Q235钢；焊条：E43；止水橡胶：侧止水用P型橡皮；行走支承：采用胶用滑道，压合胶木为MCS-2；混凝土强度等级：C20。一、 闸门结构的形式及布置图1-1 闸门主要尺寸图（单位：m）1.闸门尺寸的确定闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m，故闸门高度=5.5+0.2=5.7m；闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=9.0m；闸门计算跨度：L=L0+2d=9+2×0.2=9.40m。2.主梁的形式主梁的形式应根据水头和跨度大小而定，本闸门应用实腹式组合梁。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与水压力合力的作用线(图1-1)并要求下悬臂a0.12H和a0.4m、上悬臂c0.45H，现取a=0.60.12H=0.66（m）主梁间距2b=2（-a）=2×1.23=2.46（m）则c=H-2b-a=5.5-2.46-0.6=2.44（m）=0.44H（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，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁格的布置具体尺寸见下图。图1-2 梁格布置尺寸图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2.35m，横隔板兼做竖直次梁。（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.边梁与行走支承边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。三、面板设计根据SL1974-1995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，先估算面板厚度，在主梁界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图1-2所示，面板厚度按下式计算：t=a当b/a3时，a=1.5，则t=a=0.068a当b/a>3时，a=1.4，则t=a=0.07a面 板 厚 度 的 估 算区格a(mm)b(mm)b/akp(N/mm2)t(mm)149023401.570.5840.0060.0595.9892523402.520.5000.0190.0976.1082023402.850.5000.0280.1186.7772523403.230.5000.0370.1366.9066523403.520.5000.0440.1486.8944023405.320.7500.0500.1945.98注 1 面板边长a、b都从面板与梁格的年连接焊缝算起，主梁上翼缘宽度为120mm（详见后面） 2 区格、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=7mm。2、面板与梁格的连接计算面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力P，已知面板厚度t=7mm,并且近似地取板中最大弯应力max=160N/mm2 ，则 P=0.07tmax=0.07×7×160=78.4(N/mm)面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力： T=（N/mm）计算面板与主梁连接的焊缝厚度：面板与梁格连接焊缝最小厚度=6mm四、水平次梁、顶梁和底梁的设计1.荷载与内力的计算水平次梁和顶底梁都是支承在隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力按 q=P计算现列表计算如下：=152.08kN/m水平次梁、顶梁和底梁均布荷载计算梁 号梁轴线处水压强度p(kN/m)梁间距(m)(m)q=P(m)备 注1(顶梁)顶梁荷载按下图计算R1=1.56213.81.29517.871.033(上主梁)23.90.96523.060.90432.70.84527.630.79540.50.78031.590.776(下主梁)480.63530.480.507(底梁)52.90.35018.52根据上表计算，水平次梁计算荷载取31.59KN/m, 水平次梁为4跨连续梁，跨度为2.53m。如图1-3所示。图1-3 水平次梁计算简图和弯矩图水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为： = 0.077ql2 = 0.077×31.59×2.352 = 13.43（kN·m） 支座B处的负弯矩为： = 0.107ql2 = 0.107×31.59×2.352 = 18.67(kN.m)2. 截面选择W= =1116687.5()考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选16a，由附录三表4表查得：A=2195()；WX=108300()；=8660000()；=63(mm)；d=6.5(mm)面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取其中最小值。 B+60t=63+60×7=483(mm) B=1b( 对跨间正弯矩段）； B=2b(对支座负弯矩段）； 按5号梁计算，设梁间距b=(b1+b2)/2=(770+790)/2=780(mm).确定上式中面板的有效宽度系数时，需要知道梁弯矩零点之间的距离L0与梁间距b之比值。对于第一跨中正弯矩段取l0=0.8l=0.8×2350=1880(mm);对于支座负弯矩段取l0=0.4l=0.4×2350=940(mm)。根据l0/b查表7-1得：图1-4 面板参加水平 次梁工作后的组合截面 对于l0/b=1880/780=2.410,得1=0.78,则B=1b=0.78×780=510(mm) 对于l0/b=940/780=1.205,得2=0.351，则 B=2b=0.351×780=274(mm) 对于第一跨中弯矩选用B=483(mm)，则水平次梁组合截面面积（图1-4）为 A=2195+483×7=5576(mm2)组合截面形心到槽钢中心线的距离： e=(483×78×4)/5576=51(mm)跨中组合截面的惯性矩及截面模量为： I次中=8660000+2195×592+483×7×333=18051104(mm4) Wmin=18051104/131=137795(mm2)对支座段选用B=274(mm).则组合截面面积：A=2195+274×7=4111(mm2)组合截面形心到槽钢中心线的距离：e=(274×7×84)/4111=39(mm)支座处组合截面的惯性矩及截面模量：I次B=8660000×2195×392+274×7×452=15882545(mm4) Wmin=15882545/119=133467(mm2)3.水平次梁的强度验算由于支座处B弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即： =18.67×106/133467=139.9(N/mm2)<=160(N/mm2)说明水平次梁选用 16a槽钢满足要求。 扎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=18.67kN·m,则边跨挠度可近似地按下式计算： =0.000698=0.004故水平次梁选用16a槽钢满足强度和刚度要求。5.顶梁和底梁顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度，所以也采用 16a槽钢。底梁也采用16a。五、主梁设计（一）设计资料 1.设计如图1-5，主梁跨度净宽L0=9.0m;计算跨度L=9.40m；荷载跨度L1=9m 图1-5平面钢闸门的主梁位置和计算件简图 2.主梁荷载q=66.7kN/m. 3.横向隔间距：2.35m。 4.主梁容许挠度：=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.弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下： Mmax=735(kN·m) 2.需要的截面抵抗矩已知Q235钢的容许应力=160KN/mm2， 考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力=0.9×160=144N/mm2,则需要的截面抵抗矩为 W=5104cm2. 3.腹板高度选择按刚度要求的最小梁高（变截面梁）：hmin=0.96×0.23=0.96×0.23×=87.1（cm）对于变截面梁的经济梁高，he=3.1w2/5=3.1×51042/5=94(cm)。现选用腹板高度h0=90cm. 4.腹板厚度选择按经验公式计算：tw=0.86cm,选用 tw=1.0cm. 5.翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为：A1=下翼缘选用 t1=2.0cm(符合钢板规格）需要b1=,选用b1=22cm（).上翼缘的部分截面可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用t1=2.0cm,b1=12cm.面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为： B=b1+60t=12+60×0.7=54cm.上翼缘面积A1=12×2+54×0.7=61.8cm26. 弯应力强度验算。主梁跨中截面（见图1-6)的几何特性如下表：主梁跨中截面的几何特征 部位截面尺寸（cm*cm)A(cm2)y,(cm)Ay,(cm3)Y=y,-y1(cm)Ay2(cm4）面板部分54×0.737.80.3513.2-42.969567上翼缘板12×2.0241.740.8-41.641533腹 板90×1.09047.742934.41742下翼缘板22×2.04493.7412350.4111767合计195.88470224609 截面形心矩：y1= 截面惯性矩；截面模量： 上翼缘顶边： Wmon= 下翼缘底边： Wmax=弯应力：图1-6 主梁跨中截面图0.9×16=14.4(kN/cm2)(安全) 7.整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢板相连，按设计规范规定，可不必验算整体稳定性。又因梁高大于刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。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），有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小h0s=0.6h0=0.6×90=54cm（图1-7）。梁高开始改变的位置取在临近支承段的横向隔板下翼缘的外侧（图1-8），离开支承段的距离为253-10=243cm 图1-7主梁支承端截面图 图1-8 主梁变截面位置图 剪切强度验算：考虑到主梁段部的腹板及翼缘部分分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字钢截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何特性如下表。截面形心距：y1.截面惯性矩：。截面下半部中和轴的面积矩：。剪应力：<(安全)。主梁跨中截面的几何特征 部位截面尺寸（cm*cm)A(cm2)y,(cm)Ay,(cm3)Y=y,-y1(cm)Ay2(cm3）面板部分54×0.737.80.3513.2-25.6524869上翼缘板12×2241.740.8-24.314172腹 板54×1.05429.716043.7739下翼缘板22×2.04457.7253931.744215合计159.84197839953.翼缘焊缝 翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。最大剪力Vmax=300kN.截面惯性矩I=97117cm4。上翼缘对中和轴的面积矩 S1=37.8×25.9+24×24.6=1569cm3。下翼缘对中和轴的面积矩 S2=44×314=1382()<S1需要 角焊缝最小厚度 hf1.5.所以全梁的上下翼缘焊缝都采用hf=8mm.4.腹板的加劲肋和局部稳定验算加劲肋的布置：因为 ,故需设置横向加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板兼作加劲肋，其间距a=253cm。腹板区格划如图梁高与弯矩都较大的区格可按下式计算区格左边及右边截面的剪力分别为区格截面的平均剪力为区格左边及右边截面上的弯矩分别为区格的平均弯矩为区格的平均弯应力为计算计算，由于区格长短边之比为2.35/1.0，则 则 满足局部稳定要求，故在横隔板之间（区格）不必增加横向加劲肋。该区格的腹板平均高度，因，不必验算，故在梁高减小的区格内也不必另设横向加劲肋。5. 面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算从上述的面板设计可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格所需板厚度较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取区格（图1-2），并验算其长边中点的折算应力。面板区格3在长边中点的局部弯曲应力：对应于面板区格3在长边中点的主梁弯矩（图5）和弯应力： 面板区格3的长边中点的折算应力 =104（N/mm2）<1.1a=1.1×1.4×160=246.4（N/mm2） =1.55*160=248(N/)上式中、的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。故面板厚度选用7mm，满足强度要求。六、横隔板设计1、荷载和内力计算横隔板同时兼做竖直次梁，它主要承受水平次梁、顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替（见图1-9），并且把横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬 臂的最大负弯矩为图1-9 横隔板截面图2、横隔板截面选择和强度计算其腹板选用与主梁腹板同高，采用900mm×8mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用180mm×8mm的扁钢， 上翼缘利用面板的宽度按B=2b确定，其中b=2530mm， 按/b=2×2440/2530=1.929,从查6.1表可得有效宽度系数2=0.5，则B=0.5*2530=1265mm，取B=1240mm如图1-9，截面形心到腹板中心线的距离： （mm） 截面惯矩：（mm4） 截面模量： 验算弯应力： 由于横隔板截面高度较大，剪切强度更不必验算，横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度=6mm。七、纵向连接系设计1、载荷和内力计算纵向连接系受闸门自重。露顶式平面钢闸门G按式计算： 当H>8m时下游纵向连接系承受 0.4G=0.4×81.7=32.7kN纵向连接系是做简支的平面桁架，其桁架腹杆布置如图1-10，其节点荷载为 2.斜杆截面计算斜杆承受最大拉力N=17.43N，同时考虑闸门偶然扭曲是可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即。图1-10 纵向连接系计算图选用双角钢200×18，表查得：截面面积A=138602回转半径iy0=87.4mm斜杆计算长度 长细比 验算拉杆强度：考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。八、边梁设计 边梁的截面形式采用双腹式（如图1-11），边梁的截面尺按照构造要求确定，即截面高度与主梁端部高度相同，腹板厚度与主梁腹板厚度相同，为了便于安装滚轮，两个下翼缘宽度不应小于300mm。 边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计师将容许应力值降低20%作为考虑受扭影响的安全储备。1.荷载和内力计算在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑块。其布置尺寸可见下图。（ 1）水平荷载。边梁所受的水平荷载主要是主梁传来的水平荷载及水平次梁、顶梁传来的水平荷载。为了简化计算，可假设这些荷载完全是由主梁传给边梁。每根主梁作用于边梁的集中荷载R=300kN。（2）竖向荷载。边梁所受的竖向荷载包括：闸门自重、滑道摩擦力、止水摩擦力、起吊力等。如图所示，可计算出上滑块所受的压力为 图 1-11 边梁截面图 图1-12 边梁计算图下滑块所受压力边梁最大弯矩最大剪力 最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为180kN。在最大弯矩作用的截面上的轴向力，等于起吊力减去上滑块的摩擦力，该轴向力为2、边梁的强度验算 截面面积 A=500×10+2×300×14=13800(mm)面积矩 截面惯性矩 截面模量 截面边缘最大应力验算:腹板最大剪应力验算： 腹板与下翼缘连接处应力验算：以上的验算满足强度要求。九、 行走支承设计 胶木滑块计算：滑块位置如图1-12所示，下滑块受力最大，其值R2=359kN，设滑块长度为300mm，则滑块单位长度的承压力为根据上述Q值由表6.2查得轨顶弧面半径R=150mm，轨头设计宽度b=35mm，胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按式（6.14）进行验算选定胶木高mm30，宽120mm，长300mm。十、胶木滑块轨道设计（图1-13）1. 轨道底板宽度Bk轨道底板宽度按混泥土承压强度决定。根据C20号混泥土的容许承压应力值，所需的轨道底板宽度为取，故轨道底面压应力为图1-13 胶木滑块支承轨道截面图2. 轨道底板厚度轨道底板厚度按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力式中轨道底板的悬臂长度c=72.5mm，对于Q235钢，查得。故所需轨道底板厚度为十一、闸门启闭力和吊耳计算1.启门力按式计算 其中闸门自重 G=81.7 kN 滑道摩阻力 止水摩阻力 因橡皮止水与钢板间摩擦系数 f=0.65 橡皮止水受压宽度取为 b=0.06m 每边侧止水受压长度 H=5.5m侧止水平均压强 p=24.26kN/m2故 下吸力Px底止水橡皮采用I110-16型，其规格为宽16mm，长110mm。底止水沿门跨长16.4m，根据SL74-95修订稿：启门时闸门底缘平均下吸强度一般按 20KN/计算，则下吸力：故闸门的启门力：2.闭门力按式（6.25）计算： 显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。为此，我考虑采用一个重量4000kN的加载梁，在闭门时可以依次对需要关闭的闸门加载下压关闭。3.吊轴和吊耳板验算，如图1-14：图1-14 吊轴和吊耳板 （1）吊轴。由于采用双腹式边梁，采用Q235钢，由表查得，采用双吊点，每边起吊力为吊轴每边剪力 需要吊轴截面积 又 故吊轴直径 取d=80mm（2） 吊耳板强度验算。按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按下式计算。由表查得Q235钢的，故因此在边梁腹板上端部各焊一块厚度为70mm的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为D=3d=3×80=240mm。吊耳孔壁拉应力按下式计算：，吊耳板半径R=120mm，轴孔半径r=40mm，由表查得，所以孔壁拉应力：故满足要求。