水工钢结构潜孔式平面钢闸门设计与拦污栅设计.docx
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1、目录一小型潜孔式平面钢闸门1、设计资料及有关规定22、闸门结构的形式及布置23、面板设计34、水平次梁、顶梁和底梁地设计45、主梁设计66、横隔板设计97、纵向连接系108、边梁设计119、行走支承设计1210、 轨道设计1311、止水布置方式1412、埋固构件1413、闸门启闭力1414、闸门的启闭机械16二固定式平面拦污栅1、基本资料192、拦污栅的结构布置193、栅面结构194、梁格设计20第 1页钢结构课程设计一、设计资料及有关规定1、闸门形式:潜孔式平面钢闸门2、孔口尺寸(宽高):7.0m4.0m3、上游水位:64m4、下游水位:0m5、闸底高程:0m6、启闭方式:电动固定式启闭机7
2、、材料: 钢结构:Q235-A.F焊条:E43 型行走支承:采用滚轮支承止水橡皮:侧止水和顶止水用 P 型橡皮,底止水用条型橡皮8、制造条件:金属结构制造厂制造,手工电弧焊,满足级焊缝质量检验标准。9、规范:水利水电工程钢闸门设计规范 SL 1974-2005二、闸门结构的形式及布置1、闸门尺寸的确定闸门高度:4.2m闸门的荷载跨度为两止水的间距:7.0m 闸门计算跨度:7+20.22=7.44 m设计水头:64m6442、主梁的数目及形式主梁是闸门的主要受力构件,其数目主要取决于闸门的尺寸。因为闸门跨度 L=7m,闸门高度 H=4m,L1.5H。所以闸门采用 2 根主梁。本闸门决定采用实腹式
3、组合梁。3、主梁的布置本闸门为高水头的深孔闸门,主梁的位置可按主梁均匀间隔来布置。设计时按最下面的那根受力最大的主梁来设计,各主梁采用相同的截面尺寸。第 3页4、梁格的布置及形式梁格采用复式布置与等高连接,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,其间距应均匀,以减少计算量。5、连接系的布置与形式(1) 横向连接系,根据主梁的跨度,决定布置5 道横隔板,其间距为1.24m,横隔板兼作竖直次粱。(2) 纵向连接系,采用斜杆式桁架。三、面板设计根据钢闸门设计规范 S7495关于面板的设计,先估算面板厚度,在主梁截面选择以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
4、算面板厚度假定梁格布置尺寸如图 2 所示。面板厚度按下式计算当 b/a3 时,a=1.5,则当 b/a 3 时,a=1.4,则现列表 1 计算如下:表 1区格a(mm)b(mm)b/akpN/mm2kpt(mm)192012301.340.4220.5940.50131.34291012301.350.4240.6040.50631.31391012301.350.4240.6130.51031.56491012301.350.4240.6330.51832.05根据上表计算,选用面板厚度 t=33mm钢结构课程设计2、面板与梁格的连接计算已知面板厚度 t=33mm ,并且近似地取板中最大弯应
5、力部扰曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横向拉力 P 为:= =160N/mm2,则面板局max第 8页P = 0.07ts= 0.07 331 6 0= 3 6 9.6 N mm2m a x面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力:VS44100 620 33 306T = 85.374 N mm2I2 16170000000面板与主梁连接的焊缝厚度:P 2 + T 2h =/(0.7 s w )ft1682 + 8702=(0.7 115) = 11mm面板与梁格连接焊缝厚度取起最小厚度h = 11mmf四、水平次梁,顶梁和底梁地设计1、荷载与内力验算水平次梁和顶、底梁都是支承在横隔板上的连续梁
6、,作用在它们上面的水压力可按下式计算,即现列表 2 计算如下q = p a+ a上下2梁号梁轴线处水压力强度 Pa + a上下2q = p a+ a上下2(kN/mm )梁间距(m)2表 2(m)(kN/m)1(顶梁)2(主梁)588598.910.51294598.93(水平次梁)608.611608.64(主梁)618.411618.415(底梁)627.21627.2由列表计算后得Sq = 2747.1kN / m根据上表计算,水平次梁计算荷载取 608.6kN/m,水平次梁为 6 跨连续梁,跨度为 1.24m,水平次梁弯曲时的边跨弯距为:M支座 B 处的负弯距:M= 0.042ql2
7、= 0.042 608.61.242 = 22.5kN m次中次B608.6kN/m= 0.083ql3 = 0.083 608.61.243 = 77.7kN m2、截面选择sW = M=77.7 106160= 485625mm3考虑利用面板作为次梁截面的一部分,初选32b,由附录查得:A=5510mm2 ;W =509012mm3;I =81442000mm4; b =90mm; d=10mmxx1面板参加次梁工作的有效宽度分别按下式计算,然后取其中较小值。B b1 + 60t = 90 + 60 33 = 2070mmB= B=b(对跨间正弯距段)1b(对支座负弯距段)2b + b10
8、00+1000按 11 号梁计算,梁间距b =1 2 2 =2=1000mm对于第一跨中正弯距段 :l =0.8l=0.81240=992(mm)0对于支座负弯距段:l =0.4l0.41240496(mm)0根据 l /b 查表 7-1:0对于 l /b992/10000.992得00.40,1得 B=b400(mm)1对于 l /b496/10000.496得00.16,2得 B=b160(mm)2对第一跨中选用 B400mm,则水平次梁组合截面面积(如图):A=5510+40033=18710(mm2)组合截面形心到槽钢中心线得距离:400 33176.5e =18710= 124.5m
9、m跨中组合截面的惯性距及截面模量为:I81442000+5510124.52+40033522次中202541177.5(mm4)202541177.5Wmin=284.5= 71146.5mm3对支座段选用 B160mm,则组合截面面:A=5510+160 33=10790(mm2)组合截面形心到槽钢中心线得距离:160 33176.5e = 86.4mm10790支座初组合截面的惯性距及截面模量为:惯性距: I次B= 81442000+ 551086.42 +160 33 90.12 = 165437002.4mm4截面模量:Wmin= 165437002.4246.4= 671416.5
10、mm33. 水平次梁的强度验算由于支座 B 处弯距最大,而截面模量较小,故只需验算支座 B 处截面的抗弯强度, 即:o= M次B次W77.7 106= 115.7N / mm2 160N / mm2 , 671416.5min说明水平次梁选用32b 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,最大挠度发生在便跨,由于水平次梁在 B 支座处截面的弯距已经求得 M=77.7kN m,则边跨挠度可近似地按下式计算:次 BBw = 5 ql 3 - M 次 ll384EI次16EI次=5 608.6 12403-77.7 106 1240 385 2.
11、06 105 202541177.516 2.06 105 202541177.5 w 1= 2.17 10-4 = 0.004 l 250故水平次梁选用32b 度和刚度要求。五、主梁设计(一)设计资料(1) 主梁跨度:净跨(孔口净宽)L 7.0m ;计算跨度 L7.44m;荷载跨度 L =7m;01(2) 主梁荷载: q = Pn = 1215.2 kNm(3) 横向隔板间距:1.24m(4) 主梁容许挠度:W=L/600(二) 主梁设计1、截面选择(1) 弯距和剪力。弯距与剪力计算如下: 弯距:Mmax= 1215.2 7 ( 7.44 - 7 ) = 8378.8N m224剪力:ql1
12、215.2 7Vmax=1 = 4253.2kN22(2) 需要的截面抵抗距:已知 Q235 钢的容许应力 =160N/mm2,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响,取容许应力 =0.9160=144N/mm2 ,则需要的截面模量为:MW= max8378.8100= = 58186cm3。s 144 0.1(3) 腹板高度选择:按刚度要求的最小梁高(变截面梁)为:s Lhmin= 0.96 0.23 Ew l2.06 107 (1 600)= 0.96 0.23 144 100 7.4 100 = 70.3cm经济梁高:hec= 3.1W 25 = 3.1 5818625 = 249.6cm由于
13、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为小,但不小于 h 。现选用腹板厚度 h 240cm 。min0(4)腹板厚度选择t =h /11 =240 /11 = 1.41cm选用 t 4cmww(5)翼缘截面选择:每个翼缘需要截面为0A = W - twh581864 240=-= 82.4cm2 ,1h624060下翼缘采用t =2cm(符合钢板规格)1需要,选用 b =60cm(在 h/2.5h/5=9648 之间)。1上翼缘的部分截面积可利用面板,故只需设置较小的翼缘板同面板相连,选用 t 2cm, b 14cm,11面板兼作主梁上翼缘的有效高度为Bb +60
14、 14+603.3212(cm)1上翼缘截面面积A =142.0+2123.3=727.6(cm2 )1(6)弯应力强度验算截面形心距: Ay1y = A= 151118 = 83.6cm, 1807.6截面惯性距:30I = twh + 4 2403Ay 2 =+ 97455171212= 14353517cm4截面抵抗距:上翼缘顶边WI14353517=171692.8cm3 ,maxy183.6下翼缘底边WI14353517=87681.8cm3 ,miny2163.7弯应力:s =MmaxW8378.8100= 9.56kN / cm2 0.9 16 = 14.4kN / cm2 (安
15、全)87681.8min面板部分2123.3699.61.651154-81.954280411上翼缘142284.3120-79.3159903腹板2404960125.312028841.71981330下翼缘602120246.329556162.73323873合计1807.61511189745517表 3部位截面尺寸截面面积(cmcm)各型心离面板表面距离y(cm)Ay各型心离中和轴距离y=y-y (cm)1Ay2A(cm2)(cm )3(cm )4(7)因主梁上翼缘直接同面板相连,可不必验算整体稳定性,因梁高大于按高度要求的最小梁高,故梁的挠度也不必验算。2、截面改变因主梁跨度较
16、大,为减小门槽宽度与支承边梁高度(节约钢 材 ) , 有 必 要 将 主 梁 承 端 腹 板 高 度 减 小 为hs = 0.6h = 144cm 。梁高开始改变的位置取在邻近支承端的00横向隔板下翼缘的外侧,离开支承端的距离为 12410=114cm考虑到主梁端部腹板及翼缘相焊接,故可按工字截面梁验算应力剪力强度。尺寸表 4 所示:部位截面尺寸(cmcm)截面面积A(cm )2各型心离面板表面距离y(cm)1表 4各型心离中Ay和轴距离Ay2(cm3)y=y(cm4)-y (cm)面板部分2123.3699.61.651154-43.151302601上翼缘142284.3120-40.54
17、5927腹板144457677.34452532.5608400下翼缘602120150.318036105.51335630合计1423.6638363292558钢结构课程设计 Ay63836第 9页截面形心距: y1= A = 1423.6 = 44.8cm,截面惯性距: I0= 3.3144312+ 3292558 = 4113703.6cm4截面下半部对中和轴的面积距:S = 120 105.5 +104.5 4.0 104.52= 34500.5cm3,剪应力:t = maxVI tS4253.2 34500.5t= 8.91kN / cm2 = 9.5kN / cm2 , 411
18、3703 40 w3、翼缘焊缝翼缘焊缝厚度 h 按受力最大的支承端截面计算。V 4253.2kN。I =4113703.6cm4,fmax0上翼缘对中和轴的面积距:S =699.543.152840.5=31317.4(cm3)1下翼缘对中和轴的面积距:S =120105.512660(cm3)S需要h21=1VS=4253.2 31317.4= 20mmf1.4I t f 1.4 4113703.6 11.30wt角焊缝最小厚度h 1.5f= 1.5= 9.5mm40全梁的上下翼缘焊缝都采用h 21mm 。f六、横隔板设计1、荷载和内力计算横隔板同时兼作竖直次粱,主要承受水平次粱、底梁和顶梁
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- 水工 钢结构 潜孔式 平面 闸门 设计 拦污栅
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