水利水电工程水工钢结构课程设计

1露顶式平面钢闸门设计2007101316王亮春一、设计资料闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门；孔口净宽：14.00m；设计水头：6.00m；结构材料：Q235；焊条：E43；止水橡胶：侧止水用P形橡皮，底止水用条形橡皮；行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS—2;混凝土强度等级：C20二、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米闸门的荷载跨度为两侧止水的间距即为孔口净宽：114Lm闸门的计算跨度：021420.314.6LLdm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/1.5LH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，两个主梁的位置应对称于水压力的作用线/33yHm（图2），并要求下悬臂0.12aH和0.4am。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见详图25、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2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：0.9kptaa当/3ba时，1.5a，则0.0680.91.5160kptaakp当/3ba时，1.4a，则0.070.91.4160kptaakp现列表（如下）计算：表1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）；32.、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2max160/Nmm，则2max0.070.0714160156.8/PtNmm面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：201417500110014637433/2216053500000VSTNmmI由式（7--7）计算面板与主梁连接的焊缝厚度：2222/0.7156.8433/0.71135.82fthPTmm面板与梁格连接焊缝取其最小厚度10fhmm。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2aaqp下上列表（如下）计算后得427/qKNm4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220.0770.07779.923.6587.7/MqlKNm次中220.1070.10779.923.65111.2/MqlKNm次B2、截面选择3111200000695000160MWm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26809Amm3702900xWmm4126518000xImm98bmm11dmm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）160986014938Bbtmm式（7—12）1()Bb对跨间正弯距段2()Bb对支座负弯距段按5号梁计算。设梁间距121.21.21.2120022bbbmmm。对于第一跨中正弯矩段取00.80.836502920llmm。对于支座负弯矩段00.40.436501460llmm。由0/lb查表7—1：对于0/2920/12002.4lb得10.769则10.7691200922.8Bbmm对于0/1460/12001.21lb得20.3504则20.35041200420Bbmm对第一跨中选用B=923mm，则水平次梁组合截面面积为268099231419731Amm5组合截面形心到槽钢中心线的距离为9231418712219731emm跨中组合截面的惯性矩及截面模量为242126518000551012292314587263024290Imm次中2min263124290871272302Wmm对支座段选用B=420mm。则组合截面面积：268094201412689Amm组合截面形心到槽钢中心线距离：420141878712689emm支座处组合截面的惯性矩及截面模量：22412650800055108742014737205855190BImm次3min160772640833422247Wmm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22min111200000133.4/160/833422BMNmmNmmW次次说明水平次梁选用[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6经求得71.55BMKNm次。则边跨挠度可近似地按下式计算：3510.000550.00438516250BMlwqlwlEIEIl次次次故水平次梁选用[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）014Lm，计算跨度L=14.6m，荷载跨度114Lm;2）主梁荷载：405202.5/22PqKNm;3）横向隔板间距：3.65m;4）主梁容许挠度:600L。（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：00max202.51414.6145386.5224224qLLLMKNm0max1417.52qLVKN2、需要的截面模量。已知Q235A-F钢的容许应力20.9160144/Nmm,则需要的截面模量为3max5386.510037406.251440.1MWcm3、腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为min0.960.23135.2LhcmwEl经济梁高2/53.1209.2echWcm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ech小，不小于minh。现选用腹板高度0200hcm。74、腹板厚度选择。按经验公式计算，1.2811whtcm，选用1.4wtcm。5、翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为2010140.46wthWAcmh下翼缘选用13.0tcm需要11146.7Abcmt取148bcm。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13.0tcm120bcm面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为160110Bbcm上翼缘截面积21263.01101.4164.8Acm6、弯应力强度验算，主梁跨中截面的几何特性见下表截面形心距：190.3AyycmA截面惯性矩：3240474548412wthIAycm截面模量：8上翼缘顶边3max147454845255290.3IWcmy下翼缘底边3min2474548440525200331.490.3IWcmy弯应力2maxmin5386.510013.30.91.614.4/40525MKNcmW（安全）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000.6120shhcm（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截面形心距129282.853.8544ycm。截面下半部对中和轴的面积距：23(127.453.83)1.4144(127.453.81.5)140212Scm9截面惯性矩3324001.4120140375016053501212wthIAycm剪应力：22max01417.5140218.84(/)9.5/16053501.4wVSKNcmKNcmIt3）、翼缘焊缝翼缘焊缝厚度fh按受力最大的支承端截面计算。最大剪力max1417.5VKN,截面惯性矩401605350Icm。上翼缘对中和轴的面积距：31154(53.80.7)78(53.82.9)12147.6Scm下翼缘对中和轴的面积距：321144(127.453.81.5)10382.4ScmS需要101417.512147.60.6781.4160535011.31.4fwfVShcmI角焊缝最小厚度1.51.5308.216fhtmm全梁上下翼缘焊缝都采用10fhmm4）、腹板的加劲梁河局部稳定验算加劲梁的布置：因为02001431.4wht，故需设置横加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋，其间距365acm。腹板区格划分见图8。梁高与弯矩都较大的区格Ⅱ可按式（4--66）即221.ccrcrccr验算。区格Ⅱ左边及右边截面的剪力分别为1417.5202.5(73.65)737;0VKNV左右区格Ⅱ截面的平均剪应力为2737/213.2/2001.4wVVNmmt左右0（+）/2h区格Ⅱ左边及右边截面上的弯矩分别为1417.53.65202.54017MKNm2左（7-3.64）2max5386.5MMKNm右10区格Ⅱ的平均弯矩为47022MMMKNm左右区格的平均弯应力为20470285900000085.1/4745484MyNmmI由式4—61计算cr0/0.8070.85177235ywbfht计算cr由于区格长短之比为3.64/1.21。采用式（4—54b）计算s：020/1.3623545.344(/)ywsfhtha因s1.2，则222951.11.176.8/1.36crsNmm将以上数据代入式4—66得2285.113.20.3131.016076.8