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1、精选优质文档-倾情为你奉上露顶式平面钢闸门设计水工钢结构课程设计 露顶式平面钢闸门设计 一：设计资料 闸门形式：露顶式平面钢闸门。 孔口尺寸： ; 上游水位：; 下游水位： 闸底高程：0 m 启闭方式：电动固定式启闭机 结构材料：平炉热轧碳素钢Q235 ; 焊条：E43型; 止水橡皮：侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮。 行走支承：滚轮支承或胶木滑道. 制造条件：金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足III级焊缝质量检验标准.规范：水利水电工程钢闸门设计规范SL 19742005 1 水工钢结构课程设计 二：闸门结构的形式及布置 1.闸门尺寸的确定。如下图 闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为,
2、故闸门高度=+=14m； 闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=20m; 闸门的计算跨 度：L=L1+2=; 2.主梁的形式 主梁的形式根据水头合跨度大小而定，本闸门属大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 根据闸门的高跨比，决定采用4根主梁，为使两个主梁在设计水位时2 水工钢结构课程设计 所承受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线 H/3=/3=。H=，n=4 当k=1时，y1= 当k=2时，y2= 当k=3时，y3= 当k=4时 Y4=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
3、续梁，其间应上疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁布置的具体尺寸详见下图 3 水工钢结构课程设计 5连接系的布置和形式 横向联接系 根据主梁的跨度决定布置9道隔板，其间距为2m,横隔板兼作竖直次梁。 纵向联接系 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 边梁采用复合腹式，行走支承采用胶木滑道。 三：面板设计 1.估算面板厚度 kp假定梁格布置如图1所示。面板厚度按t=? 当b/a3时，?=，当b/a3时，?=, 现列表计算如下面板的厚度估算 区格 1 2 3 4 5 6 7 8 a(mm) b(mm) b/a 1225 1175 1125 1075 1000 9
4、75 925 900 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 20002 k h p t (mm)4 水工钢结构课程设计 9 10 11 12 13 14 15 16 875 850 775 750 650 600 500 300 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 20004 根据上表计算，选用面板厚度t=14mm. 1.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拉力P，已知面板厚度t=14mm,并且近似地取板中最大弯应力?max=?=160NP=?max=*14*160=/mm 面板与主梁连接焊缝方向单位
5、长度内的剪力 mm2 则 T=VS=*1240*14*/(2*)=/mm 2I0计算面板与主梁连接的焊缝厚度： hf= /(2) 2?/?113? = 面板与梁格连接焊缝最小厚度hf=6mm 5 水工钢结构课程设计 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隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力按q=Pa上?a下 2现列表计算如下： ?q=/m 水平次梁，顶梁和底梁均布荷载的计算 梁号 梁轴线水压强梁间度 (mm) 2mm0 3 4 5主梁 6 7 8 9主梁 10 11 6 距 a上?a下(m) 2q=pa上?a下(m) 21顶梁 21水工钢结构课程设计 1
6、2主梁 13 1480 15主梁 16 17底梁根据上表计算，水平次梁计算荷载取/m, 水平次梁为10跨连续梁，跨度为2m.如下图所示。水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为： M次中=*4=m支座B处的负弯矩为： M次B=*4=m 2.截面选择 W=M=(*10)/160= ?考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选槽7 20b.表查得： 水工钢结构课程设计 A=3283mm2； WX=mm3; IX=mm4； b1=75mm; d=9mm; h=200mm 面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取最小值。 Bb1+60t=75+60*14=915mm B=1b( 对跨间正弯矩段）； B=2b(对支
7、座负弯矩段）； 按11号梁计算，设梁间距b=(b1+b2)/2=(850+775)/2=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=*2000=1600mm;对于支座负弯矩段取L0=*2000=800mm.根据L0/b查表2-1得： 对于L0/b=1600/=得 1= 则B=1b=*= 对于L0/b=800/= 得2= 则 B=2b=*= 对于第一跨中弯矩选用B=，则水平次梁组合截面面积：8 水工钢结构课程设计 A=3283+14*= 组合截面形心到槽钢中心线的距离： e=(*14*107)/= 跨中组合截面的惯性矩及截面模量为
8、： I次中=+3283*+*14* = Wmin=/= 对支座段选用B= 则组合截面面积：A=3283+*14= 组合截面形心到槽钢中心线的 距离：e=(*14*107)/= 支座处组合截面的惯性矩及截面模量： I次B=+3283*+*14* = Wmin=/= 3.水平次梁的强度验算 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： M次B ?次=*106/= mmWminmm2说明水平次梁选用20b槽钢满足要求。 9 水工钢结构课程设计 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，于水平次梁在B支座处，
9、截面的弯矩已经求得M次B=m,则边跨挠度可近似地按下式计算： w/l=5ql/(384EI次)-M次Bl/(16EI次)= ?w1?L?=250= 故水平次梁选用20a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20b槽钢。 五主梁设计 设计资料 1.主梁跨度如下图，净宽L0=;计算跨度L=； 荷载跨度L1=20m. 2.主梁荷载q=/m. 3.横向隔间距：2m。 4.主梁容许挠度：?w?=1/600 10 水工钢结构课程设计 11 水工钢结构课程设计 主梁设计1.截面选择 弯矩与剪力 弯矩与剪力计算如下： Mmax=(
10、*20/2)*(/2-20/4)=mV=ql1/2=*20/2= (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 ?=*160=144N/mm2,则需要的截面抵抗矩为 W=Mmax?=*100/(144*)= (3)腹板高度选择按刚度要求的最小梁高：Hmin=*?L ?w/L?E=*144*100*100*600/(*10) = 对于变截面梁的经济梁高，hec=/5=*/5=现选用腹板高度h0=220cm. (4)腹板厚度选择按经验公式计算： tw=h/11=,选用 tw= (5)翼缘截面选择 每个翼缘需要截面为： A1=w/
11、h0-twh0/6=/*220/6cm=332cm B1=h0/3h0/5=220/3220/5=44cm 12 水工钢结构课程设计 B1Q235:b1=l1/16=200/16= 选b1=60cm t1=A1/b1=/60= t1=b1/30* 选t1= 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=,b1=40cm.面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为： B=b1+60t=40+60*=124cm. (6)弯应力强度验算 主梁跨中截面 积离面板2A(CM) 距离y,(cm) 各形心离Ay2(cm4) 中合轴距离y=y,-y1(cm) 面板部分 上翼缘板 腹板 下翼缘
12、板 合计 124*40* 224 220* 352 60* 336117 41184 - - 13 水工钢结构课程设计 截面形心矩：y1=(Ay)/A=/= 截面惯性矩:I=twh0/12+Ay=*220/12+ = 截面抵抗矩： 上翼缘顶边Wmax=I/y1=/= 下翼缘底边Wmax=I/y2=/= 弯应力=Mmax/Wmin=/ =整体稳定性与挠度验算 因主梁上翼缘直接同钢板相连，按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 14 水工钢结构课程设计 因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度，有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小h0
13、s=*220=143cm. 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，离开支承段的距离为2000-100=1900mm=190cm.如下图。 主梁支承端截面图 主梁变截面位置图 15 水工钢结构课程设计 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。以及变截面后的尺寸 部位 截面尺寸 2,3A(cm) y(cm) Ay(cm) y=y,-y1(cm) Ay2(cm4) 面板部分 上翼缘板 腹板 下翼缘板 合计 124* 40* 224- -*143 60* 336截面形心距：y1=
14、/= 截面惯性矩：I0=(*143)/12+=。 截面下半部中和轴的面积矩： S=336*+*/2= 剪应力：=Vmax*S/I0tw=*/(*) =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=截面惯性矩I= 上翼缘对中和轴的面积矩 S1=*+224*= 下翼缘对中和轴的面积矩 S2=336*=16 水工钢结构课程设计 hf=VS1/(f)=*/(*)= 角焊缝最小厚度 hf=t=*56= 全梁的上下翼缘焊缝都采用hf=12mm. 4腹板的加劲肋和局部稳定验算 加劲肋的布置：因为 220/=80 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
15、间距a=200cm。腹板区格划分主梁变截面位置图 . 该区格的腹板平均高度h0=(220+143)/2=因h0/tw=/=80 故在梁高减小的区格内要设置横加劲肋。 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10和11之间板厚度较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取此区格，并验算其长边中点的折算应力。 面板区格在长边中点的局部弯曲应力： my=kypa/t=(*775)/14=/mm mx=umy =*=/mm 对应于面板区格11在长边中点的主梁弯矩和弯应力： M=*10*(*9)/2=m 0x=M/W=(*10)/*10=/
16、mm 面板区格的长边中点的折算应力 2h=/mm=248N/mm 17 水工钢结构课程设计 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14mm，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，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 M=*/2*2*)3=m 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2200mm*8mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm*10mm的扁钢，上翼缘利
17、用面板的宽度按B=2b确定，其中b=2000mm，按,查表可得有效宽度系数2=，则B=*2000=1492mm，取B=1450mm 如下图 18 水工钢结构课程设计 截面形心到腹板中心线的距离： e=(1450*14*1107-200*10*1105)/(1450*14+200*10+2200*8) 截面惯矩:I=(8*2200)/12+8*2200*+10*200* +14*1450*=*10mm 截面模量：Wmin=*10/= 验算弯应力：=M/Wmin=*10/ =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=10mm。 7 ：纵向连接系设计 1.荷载和内力计
18、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H8m时G=* =*1*1*14比 =l0/iy0=(*10)/=验算拉杆强度：=(*10)/48900=边梁的截面形式采用双腹式，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，两个下翼缘为用宽度为200mm的扁钢做成。 双腹式边梁截面 边梁是闸门的重要受力构件，于受力情况复杂，故在设计师将容许应力值降低15%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3个滚轮。其布置尺寸可见下图 20 水工钢结构课程设计 边梁计算图如下图 弯矩图 剪力图 6.水平荷
19、载。主要是主梁传来的水平荷载，还有水平次梁和顶、底梁传来的 水平荷载。为了简化起见，可假定这些荷载主梁传给边梁。每个主梁作用于边梁的荷载为R=。 7.竖向荷载。有闸门自重、滚轮摩擦阻力、止水摩阻力、起吊力等。 上滚轮所受的压R1= 其他滚轮所受的压为 R2= 21 水工钢结构课程设计 下滚轮所受的压力R3= 最大弯矩 Mmax=m最大剪力 Vmax=最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为7000kN。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滚轮的摩阻力，该轴向力 N?7000?f?7000? 2.边梁的强度验算 截面面积 A=1430?16?2?550?56?200?56?2=98
20、960mm 面积矩 Smax?(98960?771?150?56?1514)/(98960?150?56)? 截面惯性矩 I=16*(1430)*2/12+*10=mm 截面模量W? 14582截面边缘最大应力验算: ?106?/mm2?120N/mm2 腹板最大剪应力验算： ?103?/mm2?95?76N/mm22Itw2?16 腹板与下翼缘连接处应力验算： NMmaxy?/VmaxSi1167?103?200?56?2?/mm22Itw2?16 22 水工钢结构课程设计 ?2h?2?3?2?3?/mm2?160?128N/mm2 以上的验算满足强度要求。 九 ：行走支承设计 滚轮计算：
21、轮子的主要尺寸是轮径D和轮缘宽度b，这些尺寸是根据轮缘与轨道之间的接触应力的强度条件来确定的，对于圆柱形滚轮与平面轨道的接触情况是线接触，其接触应力可按下式计算，其中下滚轮受力最大，其值为。设滚轮轮缘宽度b=120mm，轮径D=540mm。 ?105?/mm2?235?/mm2bR120?270为了减少滚轮转动时的摩擦阻力，在滚轮的轴孔内还要设滑动轴承，选用钢对10-1铸铁铝磷青铜。 轴和轴套间压力传递也是接触应力的形式，验算： ?cg?*10?cg?50N/mm db1200*280?取轴的直径d=200mm，轴套的工作长度b1=280mm， 轮轴选用45号优质碳素钢，取轮轴直径d=160m
22、m，其工作长度为b=280mm，对其进行弯曲应力和剪应力验算： Mmax?110KN?m ?16033W?106?/mm2?116N/mm2 ?Pl? 223 水工钢结构课程设计 ?10322?/mm?76N/mm ?160/4?d4轴在轴承板的连接处还应按下式验算轮轴与轴承板之间的紧密接触局部承压应力：?cj?Nd?t?10?cj?128N/mm 160?90?其中 轴承板所受的压力N?Pl? 2取轴承板叠总厚度?t?90mm 十、滚轮轨道设计 1.确定轨道钢板宽度 轨道钢板宽度按钢板承压强度决定。根据Q235钢的容许承压应力为?100N/mm2，则所需要的轨道底板宽度为 ?103q?/mm
23、 b120B?q?，取B=100mm 100故轨道地面压应力： ?c?/mm2110 2.确定轨道底板厚度 轨道底板厚度按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力： c2?3?c2?t2?100N/mm式中轨道底板的悬臂长度c=20mm，对于Q235表查得。 故需要轨道底板厚度： t?3?cc2?3?202? ，取值t=40mm。 水工钢结构课程设计 轨道如图 十一闸门启闭力和吊耳计算 1.启门力按式计算 ?Px Zd?TZs）T启?(T其中闸门自重G= 滑道摩阻力Tzd?4?20?(?)? 止水摩阻力Tzs?2fbHp?2? 其中 橡皮止水与钢板间摩擦系数 f= 橡皮止水受压宽度取为 b= 每边
24、侧止水受压长度H= 侧止水平均压强 p=*4/=/ 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，根据SL74-95修订稿：启门时闸门底缘平均下吸强25 水工钢结构课程设计 度一般按 20KN/计算，则下吸力： Px?20? 故闸门的启门力： T启?(Tzd?Tzs)?Px?(?)? ? 2.闭门力按式计算： T闭?(Tzs?Tzd)?(? 显然仅靠闸门自重是能关闭闸门的。 吊轴和吊耳板验算，如图： 吊轴和吊耳板图 吊轴，于采用双腹式边梁，采用Q235钢，表查得?65Mpa，采用双吊点，每边起吊力为P?T启2?2? P4012吊轴每边剪力V?4?.
25、0914? 26 水工钢结构课程设计 ?103A?65需要吊轴截面积VA?d24又? 故吊轴直径d? 取d=143mm 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。表查得Q235钢的?80N/mm 2cjt?故 2d?cj?103?143?80 则t取177mm 因此在边梁腹板上端部各焊一块厚度为50mm的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为D=3d=3143=429mm。 吊耳孔壁拉应力按下式计算： ?k?cjR2?r2?k?R2?r2 ?103式中?cj?/mm22td2?177?143 ，吊耳板半径R=，轴孔半径r=，表查得?k?120Mpa，所以孔壁拉应力： ?k?/mm2?120?102N/?故满足要求。 27 水工钢结构课程设计 十二 ：液压启闭机的选择 根据本闸门的设计情况应在上表选择QPKY-5000 /-型号的的液压启闭机两台。 28 专心-专注-专业