水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計----露頂式平面剛閘門設(shè)計

1、<p>　　露頂式平面鋼閘門設(shè)計</p><p><b>　　設(shè)計資料</b></p><p>　　閘門形式：溢洪道露頂式平面鋼閘門；</p><p>　　孔口凈寬：9.00m；</p><p>　　設(shè)計水頭：5.50m；</p><p>　　結(jié)構(gòu)材料：Q235鋼；</p>

2、<p><b>　　焊條：E43；</b></p><p>　　止水橡皮：側(cè)止水用p形橡皮；</p><p>　　行走支承：采用膠木滑道，壓合膠木為MCS-2；</p><p>　　混凝土強(qiáng)度等級：C20。</p><p>　　規(guī)范：《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》 （SL 74-95）。</p>

3、<p>　　閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置</p><p>　　（1）閘門尺寸的確定（圖1）。</p><p>　　1）閘門高度：考慮到風(fēng)浪產(chǎn)生的水位超高為0.2m，故閘門高度= 5.5 + 0.2 = 5.7（m）；</p><p>　　2）閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L1 = 9m； </p><p>　　3）閘門的計算跨度：L =

4、 L0 + 2d = 9 +2 0.2 = 9.4(m)；</p><p>　　圖1 閘門的主要尺寸圖（單位：m）</p><p>　　（2）主梁的形式。主梁的形式應(yīng)根據(jù)水頭的大小和跨度的大小而定，本閘門屬于中等跨度，為了方便制造和維護(hù)，決定采用實腹式組合梁。</p><p>　　（3）主梁的布置。根據(jù)閘門的高跨比，決定采用雙主梁。為使兩個主梁設(shè)計水位時所受的水壓

5、力相等，兩個主梁的位置應(yīng)對稱于水壓力的合力作用線 = H/3 1.83 (圖1) 并要求下臂梁和 0.4 。上臂梁 ,今取</p><p><b>　　主梁間距</b></p><p><b>　　則</b></p><p><b>　?。M足要求）</b></p><p&g

6、t;　?。?）梁的布置和形式。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)留孔冰被橫隔板所支承。水平次梁為連續(xù)梁，其間距應(yīng)上疏下密，使面板各區(qū)格需要的厚度大致相等，梁格布置具體尺寸如 (圖2) 所示。</p><p>　　圖2 梁格布置尺寸圖 </p><p>　?。?）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

7、道橫隔板，其間距為 2.35 m，橫隔板兼作豎直次梁。</p><p>　　2）縱向連接系，設(shè)在兩個主梁下的翼緣的豎平面內(nèi)。采用斜桿式桁架。</p><p>　?。?）邊梁與行走支承。邊梁采用單復(fù)式，行走支承采用膠木滑道。</p><p><b>　　三、面板設(shè)計</b></p><p>　　根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計

8、規(guī)范》 （SL 74-95），關(guān)于面板的計算，先估算面板的厚度，在主梁截面選擇之后再驗算面板的局部彎曲與主梁彎曲的折算應(yīng)力。</p><p>　　估算面板厚度。假定梁格布置尺寸 (圖2) 所示。面板厚度按式計算</p><p>　　當(dāng)b/a 3 時，a = 1.5 ，則</p><p>　　當(dāng)b/a> 3 時，a = 1.4 ，則</p>&l

9、t;p>　　現(xiàn)列 表 1 進(jìn)行計算。</p><p>　　表1 面 板 厚 度 的 估 算</p><p>　　注 1、面板邊長a、b都從面板宇梁格的連接焊縫算起，主梁上翼緣寬為140mm (詳見后面)</p><p>　　2、區(qū)格I、VI中的系數(shù)k由三邊固定一邊簡支板查得。</p><p

10、>　　根據(jù)表1計算，選用面板厚度 t = 7 mm。</p><p>　?。?）面板與梁格的連接計算。面板局部繞曲時產(chǎn)生的垂直于焊縫長度方向的橫向拉力P按式max計算，則</p><p><b>　　max =</b></p><p>　　面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)的剪力</p><p><b>

11、;　　由式</b></p><p>　　面板與梁格連接焊縫取其最小厚度。</p><p>　　四、水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計</p><p>　　表2 水 平 次 梁 、 頂 梁 和 底 梁 均 布 荷 載 的 計 算</p><p>　?。?）荷載與內(nèi)力計算。水平次梁和頂、底梁都是支承在橫隔板上的連續(xù)梁，作

12、用在它們上面的水平壓力可按式計算。</p><p><b>　　列 表2 計算后得</b></p><p>　　根據(jù) 表2 計算，水平次梁計算荷載取30.38kN/m,水平次梁為四跨連續(xù)梁，跨度為2.35m（圖3）。水平次梁彎曲時的邊跨中彎矩為</p><p><b>　　支座B處的彎矩為</b></p>&

13、lt;p>　　圖3 水平次梁計算簡圖和彎矩圖</p><p><b>　　截面選擇。</b></p><p>　　考慮到利用面板作為次梁截面的一部分，初選 [16a 由附表6.3查的： ；；；;。</p><p>　　面板參加次梁工作有效寬度分別按式及式或（其中）計算，然后取其其中較小值。</p><p><

14、b>　　（對胯間正彎矩段）</b></p><p><b>　?。▽χё?fù)彎矩段）</b></p><p>　　按5號梁計算，設(shè)梁間距（770+730）/ 2 = 750（mm）。確定式中面板的有效寬度系數(shù) 時，需要知道梁彎矩零點之間的間距與梁間距b比值。對于第一跨中正彎矩段取= 。對于支座負(fù)</p><p><b&

15、gt;　　彎矩段取 = 。</b></p><p>　　表3 面 板 有 效 寬 度 系 數(shù) 和 </p><p><b>　　根據(jù)查 表3，得</b></p><p>　　對于= 1880/750 = 2.507 ，得= 0.78 ，則B = ;</p><p>　　

16、對 于 = 940/750 = 1.253 ，得= 0.364 ，則B = ;</p><p>　　對第一跨中選用B=488mm ，則水平次梁組合截面面積 (圖4) 為</p><p>　　圖4 面板參加水平次梁工作后的組合截面</p><p><b>　　A = </b></p><p>　　組合

17、截面形心到槽鋼中心線的距離為</p><p>　　跨中組合截面的慣性矩及截面模量為</p><p>　　對支座B = 273 mm ，則組合截面面積為</p><p><b>　　A =</b></p><p>　　組合截面形心到槽鋼中心線的距離為</p><p>　　支座處組合截面的慣性矩及截面

18、模量為</p><p>　?。?）水平次梁的強(qiáng)度驗算。由支座B（圖3）處彎矩最大，而截面模量最小，故只需驗算支座B處的截面的抗彎強(qiáng)度，即</p><p>　　說明水平次梁選用 [16a 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>　?。?）水平次梁的撓度驗算。受均布荷載的等跨連續(xù)梁，最大撓度發(fā)生在邊跨

19、，由于水平次梁在B支座處截面的彎矩已經(jīng)求得，則邊跨撓度可近似地計算為</p><p>　　故水平次梁選用 [16a 滿足強(qiáng)度和剛度要求。</p><p>　?。?）頂梁和底梁。頂梁所受的荷載較小，但考慮水面漂浮物的撞擊等影響，必須加強(qiáng)頂梁的剛度，所以也采用 [16a。</p><p>　　底梁也采用 [16a。</p><p><b&g

20、t;　　五、主梁設(shè)計</b></p><p><b>　?。?）設(shè)計資料。</b></p><p>　　1）主梁跨度（圖5）；凈跨（孔口寬度） ，計算跨度 ,荷載跨度 ；</p><p>　　圖5 平面鋼閘門的主梁位置和計算簡圖</p><p><b>　　2）主梁荷載： ；</b>

21、</p><p>　　3）橫向隔板間距：2.35 ；</p><p><b>　　4）主梁容許撓度。</b></p><p>　?。?）主梁設(shè)計。主梁設(shè)計包括：截面選擇；梁高改變；翼緣焊縫；腹板局部穩(wěn)定驗算；面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力驗算。</p><p><b>　　1）截面選擇。</b>

22、;</p><p>　　彎矩與剪力。彎矩與剪力計算如下</p><p>　　需要的截面模量。已知 Q235 鋼的容許應(yīng)力 ，考慮鋼閘門自重應(yīng)力引起的附加應(yīng)力作用，取容許應(yīng)力為 ，則需要的截面模量為</p><p>　　腹板的高度選擇。按高度要求的最小高梁（變截面梁）為</p><p><b>　　經(jīng)濟(jì)梁高</b><

23、;/p><p>　　由于鋼閘門中的橫向隔板重量將隨主梁增高而增加，故主梁高度宜選得比 小，但不小于 。現(xiàn)選用腹板高度 。</p><p>　　腹板厚度選擇。按經(jīng)驗公式計算： ，選用。</p><p>　　翼緣截面選擇。每個翼緣截面為</p><p>　　下翼緣選用（符合鋼板規(guī)格）</p><p>　　需要，選用(在 之間）

24、。</p><p>　　上翼緣的部分截面面積可利用面板，故只需設(shè)置較小的上翼緣板同面板相連，選用，。</p><p>　　面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為</p><p><b>　　上翼緣的面積為</b></p><p>　　彎應(yīng)力強(qiáng)度驗算。主梁跨中截面（圖6）的幾何特性見 表4 。截面形心矩為</p>

25、<p>　　圖6 主梁跨中截面積</p><p><b>　　截面慣性矩</b></p><p><b>　　截面模量：</b></p><p><b>　　上翼緣頂邊 </b></p><p><b>　　下翼緣底邊 </b>&l

26、t;/p><p><b>　　彎應(yīng)力</b></p><p>　　表4 主 梁 跨 中 截 面 的 幾 何 特 性</p><p>　　整體穩(wěn)定性與撓度驗算。因主梁上翼緣直接同鋼面板相連，按《設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，可不必驗算整體穩(wěn)定性。又因梁高大于按剛度要求的最小梁高，故梁的撓度不必驗算。</p>&l

27、t;p>　　2)截面改變。因為梁跨度較大，為減小門槽寬度和支承邊梁高度（節(jié)省鋼材），有必要將主梁支承端腹板高度減小為（圖7）</p><p>　　梁高開始改變的位置去載鄰近支承端的橫向隔板下翼緣的外側(cè)（圖8），離開支承端的距離為235–10 = 225 cm</p><p>　　圖7 主梁支承端截面圖</p><p>　　圖8 主梁變截面位置圖</p&

28、gt;<p>　　剪切強(qiáng)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，故可按工字形截面來驗算剪應(yīng)力的強(qiáng)度。主梁支承端截面的幾何性質(zhì)見 表5 。</p><p>　　表5 主 梁 端 部 截 面 的 幾 何 特 性</p><p><b>　　截面形心距</b></p><p&g

29、t;<b>　　截面慣性矩</b></p><p>　　截面下半部對中和軸的面積矩</p><p><b>　　剪應(yīng)力</b></p><p>　　3）翼緣焊縫。翼緣焊縫厚度（焊腳尺寸）按受力最大的支承端截面計算。最大剪應(yīng)力，截面慣性矩。</p><p>　　上翼緣對中和軸的面積矩</p>

30、;<p>　　下翼緣對中和軸的面積矩</p><p>　　需要 </p><p>　　角焊縫最小厚度 </p><p>　　全梁的上、下翼緣焊縫都采用。</p><p>　　4）腹板的加勁肋和局部穩(wěn)定驗算。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

31、向加勁肋，其間距a = 235cm 。腹板區(qū)格劃分如 （圖8）所示。</p><p>　　梁高與彎矩都較大的區(qū)格II可按式驗算：</p><p>　　區(qū)格II左邊及右邊截面上的彎矩分別為</p><p>　　區(qū)格II截面的平均剪應(yīng)力</p><p>　　區(qū)格II左邊及右邊截面上的彎矩分別為</p><p>　　區(qū)格II

32、的平均彎矩為</p><p>　　區(qū)格II的平距彎應(yīng)力為</p><p><b>　　計算</b></p><p>　　計算，由于區(qū)格長短邊之比為 2.35/0.9 > 1.0，則</p><p><b>　　則 </b></p><p>　　將以上數(shù)據(jù)代入公

33、式有（這里無局部壓應(yīng)力）。</p><p>　　滿足局穩(wěn)要求，故在橫隔板之間（區(qū)格II）不必增設(shè)橫向加勁肋。</p><p>　　再從剪力最大的區(qū)格I來考慮；</p><p>　　該區(qū)格的腹板平均高度，因，不必驗算，故在梁高減小的區(qū)格I內(nèi)也不必另設(shè)橫向加勁肋。</p><p>　　5）面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力的驗算。從上述的面板計

34、算可見，直接與主梁相鄰的面板區(qū)格，只有區(qū)格IV所需要的板厚較大，這意味著該區(qū)格的長邊中點應(yīng)力也較大，所以選取區(qū)格IV(圖2)按式（其中，）驗算其長邊中點的折算應(yīng)力。</p><p>　　面板區(qū)格IV在長邊中點的局部彎曲應(yīng)力為</p><p>　　對應(yīng)于面板區(qū)格IV在長邊中點的主梁彎矩（圖5）和彎應(yīng)力為</p><p>　　面板區(qū)格IV的長邊中點的折算應(yīng)力為</

35、p><p>　　上式中、和的取值均以拉應(yīng)力為正號，壓應(yīng)力為負(fù)號。</p><p>　　故面板厚度選用7mm,滿足強(qiáng)度要求。</p><p><b>　　六、橫隔板設(shè)計</b></p><p>　　（1）荷載和內(nèi)力計算。橫隔板同時兼作豎直次梁，它主要承受水平次梁、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

36、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撐在主梁上的雙懸臂梁。則每片橫隔板在上懸臂的最大彎矩為</p><p>　?。?）橫隔板截面選擇和強(qiáng)度計算。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。上翼緣可利用面板寬度按確定，其中b=2350mm,按1，從 表3查得有效寬度系數(shù)，則，取。</p><p>　　計算如 (圖9) 所示的截面幾何特性。</

37、p><p>　　圖9 橫 隔 板 截 面 圖</p><p>　　截面形心到腹板中心線的距離為</p><p><b>　　截面慣矩為</b></p><p><b>　　截面模量為</b></p><p><b>　　驗算彎應(yīng)力為</b><

38、;/p><p>　　由于橫隔板截面高度較大，剪切強(qiáng)度更不必驗算。橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度6mm。</p><p><b>　　七、縱向連接系設(shè)計</b></p><p>　?。?）荷載和內(nèi)力計算?？v向連接系承受閘門自重。露頂式平面剛閘門門葉自重G按附錄10中的式計算</p><p>　　下游縱向連接系承受 </p

39、><p>　　縱向連接系視作簡支的平面桁架，其桁架腹板桿布置如 (圖10)所示，其結(jié)點荷載為</p><p>　　桿件內(nèi)力計算結(jié)果如 (圖10) 所示。</p><p>　?。?）斜桿截面計算。斜桿承受做大拉力N = 17.35kN，同時考慮閘門偶然扭曲時可能承受壓力，故長細(xì)比的限制值應(yīng)與壓桿相同，即200。</p><p>　　圖10 縱向連接

40、系計算圖</p><p>　　選用單角鋼L,由表附表6.4查得</p><p><b>　　截面面積</b></p><p><b>　　回轉(zhuǎn)半徑</b></p><p><b>　　斜桿計算長度</b></p><p><b>　　長細(xì)比&l

41、t;/b></p><p><b>　　驗算拉桿強(qiáng)度</b></p><p>　　考慮到單角鋼受力偏心的影響，將容許應(yīng)力降低15%進(jìn)行計算。</p><p>　?。?）斜桿與結(jié)點板的連接計算（略）。</p><p><b>　　八、邊梁設(shè)計</b></p><p>　　

42、邊梁的截面形式采用單腹式（圖11），邊梁的截面尺寸按構(gòu)造要求確定，即截面高度與主梁端高度相同，腹板厚度與主梁腹板厚度相同，為了便于安裝壓合膠木滑塊，下翼緣寬度不宜小于300mm。</p><p>　　邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，故在設(shè)計時可將容許應(yīng)力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲備。</p><p>　?。?）荷載和內(nèi)力計算。在閘門每側(cè)邊梁上各設(shè)兩個膠木滑塊。其布置尺

43、寸見 （圖12）。</p><p>　　圖11 邊梁截面圖 圖12 邊梁計算圖</p><p>　　1）水平荷載。主要是主梁傳來的水平荷載，還有水平次梁和頂、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R =334。</p><p>　　2）豎向荷載。有閘門自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、啟吊力等

44、。</p><p><b>　　上滑塊所受的壓力</b></p><p><b>　　下滑塊所受的壓力</b></p><p><b>　　最大彎矩</b></p><p><b>　　最大剪力</b></p><p>　　最大軸向

45、力為作用在一個邊梁上的啟吊力，估計為200kN（詳細(xì)計算見后面）。在最大彎矩作用截面上的軸向力，等于啟吊力減去上滑塊的摩阻力，該軸向力。</p><p>　?。?）邊梁的強(qiáng)度驗算。</p><p><b>　　截面面積</b></p><p><b>　　面積矩</b></p><p><b&

46、gt;　　截面慣性矩</b></p><p><b>　　截面模量</b></p><p>　　截面邊緣最大應(yīng)力驗算</p><p><b>　　腹板最大剪應(yīng)力驗算</b></p><p>　　腹板與下翼緣連接處折算應(yīng)力驗算</p><p>　　以上驗算均滿足強(qiáng)度

47、要求。</p><p><b>　　九、行走支承設(shè)計</b></p><p>　　膠木滑道計算：滑塊的位置如 （圖12） 所示，下滑塊受力最大，其值為。設(shè)滑塊長度為300mm，則滑塊單位長度的承壓力為</p><p>　　根據(jù) 表6 查得軌頂狐面半徑R = 150mm，軌頭設(shè)計寬度為b = 35mm。</p><p>　

48、　表6 鋼 軌 工 作 表 面 寬 度 與 圓 弧 半 徑</p><p>　　注 b值不得與滑塊中間的一條膠木同寬。</p><p>　　膠木滑道與軌頂弧面的接觸應(yīng)力按式進(jìn)行驗算</p><p>　　選定膠木高30mm，寬120mm，長300mm。</p><p>　　十、膠木滑塊軌道設(shè)計（圖13）</p&g

49、t;<p>　?。?）確定軌道底板寬度。軌道底板寬度按混凝土承壓強(qiáng)度確定。根據(jù)C20混凝土附表9.2查得混凝土的容許承壓應(yīng)力為，則所需的軌道底板寬度為</p><p><b>　　故軌道底面壓應(yīng)力為</b></p><p>　　圖13 膠木滑塊支承軌道截面圖</p><p>　?。?）確定軌道底板厚度。軌道底板厚度按其彎曲強(qiáng)度確定

50、。軌道底板的最大彎應(yīng)力為</p><p>　　式中軌道底板的懸臂長度c =102.5mm，對于Q235鋼，查得。</p><p>　　故所需軌道底板厚度為</p><p>　　十一、閘門啟閉力和吊座計算</p><p>　　（1）啟門力按式（其中）計算</p><p><b>　　其中閘門自重</b&g

51、t;</p><p><b>　　滑道摩阻力</b></p><p><b>　　止水摩阻力</b></p><p>　　因為橡皮止水與鋼板間摩擦系數(shù)</p><p>　　橡皮止水受壓寬度取為</p><p>　　每邊側(cè)止水受水壓長度</p><p>

52、<b>　　側(cè)止水平均壓強(qiáng)</b></p><p>　　故 </p><p>　　下吸力底止水橡皮采用I110—16型，其規(guī)格為寬16mm、長110mm。底止水沿門跨長9.4m。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》：啟門時閘門底緣平均下吸強(qiáng)度一般按計算，則下吸力為</p><p><b>　　故閘門啟門力為

53、</b></p><p>　?。?）閉門力按式計算</p><p>　　顯然僅靠閘門自重是不能關(guān)閉閘門的。由于該溢洪道閘門孔口較多，若把閘門行走支承改為滾輪，則邊梁需由單腹式改為雙腹式，加上增設(shè)滾輪等設(shè)備，則總造價增加較多。為此，應(yīng)考慮采用一個重量為200kN的加載梁，在關(guān)閉時可以一次對需要關(guān)閉的閘門加載下壓關(guān)閉。</p><p>　　圖14 吊耳和吊耳

54、板</p><p>　?。?）吊軸和吊耳板驗算（圖14）</p><p>　　1）吊軸。采用Q235鋼，查得，采用雙吊點，每邊啟吊力為</p><p><b>　　吊軸每邊剪力</b></p><p><b>　　需要吊軸截面積</b></p><p>　　又

55、 </p><p><b>　　故吊軸直徑</b></p><p>　　2）吊耳板強(qiáng)度驗算。按局部緊接承壓條件，吊耳板需要厚度按式計算，查的Q235鋼的，故</p><p>　　因此在邊梁腹板上端部分的兩側(cè)各焊一塊厚度為20mm的軸承板。軸承板采用圓形，其直徑取為。</p><p>　　吊