水工钢结构露顶式平面钢闸门设计 10m70mWord下载.docx
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1.荷载和内力的计算17
2.斜杆截面计算17
八、边梁设计18
1-2竖向荷载18
2.边梁的强度验算19
九、行走支承设计19
十、胶木滑块轨道的设计20
1.确定轨道底板宽度20
2.确定轨道底板厚度20
十一闸门启闭力和吊座计算20
1．启门力计算20
2．闭门力计算21
3．吊轴和吊耳板21
3-1吊轴21
3-2吊耳板强度验算22
总结23
参考资料24
一、设计资料
闸门形式：
露顶式平面钢闸门
孔口净宽：
10.00mm
设计水头：
7.00m
结构材料：
平炉热轧碳素钢Q235
焊条：
E43
止水橡皮：
侧止水用P型橡皮，底止水用条形橡皮。
行走支承：
采用胶木滑道，压合木为MCS-2.
混凝土强度等级：
C20
2.闸门结构的形式及布置
3.
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=7+0.2=7.2m；
闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：
L1=10m；
闸门的计算跨度：
L=+2d=10+0.2=10.40m.
用autocad画出图形如图1
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，决定采用双主梁。
为使两个主梁在设计水位时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=2.3m处，并要求下悬a≥0.1和a≥0.4m、上悬臂c≤0.45H，取a=0.85m≈0.12×
7m=0.84m.
主梁间距：
2b=2（-a）=2×
（2.33-0.85）=3.0m；
则c=H-2b-a=7-3.0-0.85=3.15=0.45H，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图2。
图2梁格布置尺寸图（单位mm）
5连接系的布置和形式
5-1横向联接系根据主梁的跨度决定布置三道隔板，其间距为2.55m，横隔板兼作竖直次梁。
5-2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
边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。
3.面板设计
1.估算面板厚度
当b/a≤3时，a=1.5，
当b/a≥3时，a=1.4，
表1表面板厚度估算.
区格
a（㎜）
b（㎜）
b/a
k
p（N/㎜2）
α
[σ]（N/㎜2）
σ（mm）
Ⅰ
580
2070
3.569
0.75
0.068
1.4
160
8.75
Ⅱ
730
2.836
0.5
0.056
1.5
7.88
Ⅲ
930
2.226
0.044
8.90
Ⅳ
1060
1.953
0.498
0.031
8.50
Ⅴ
1280
1.617
0.485
0.021
8.34
Ⅵ
1880
1.101
0.465
0.008
6.61
由于面板厚度是按照偶数设计，并出于安全考虑，由计算结果，取σ=10mm；
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拉力P，已知面板厚度t=7mm，且近似地取板中最大弯应力
σmax=[σ]=160MPa
由此
P=0.07tσ=0.07×
10×
160=112MPaax
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为
T=466N/mm
计算面板与主梁连接的焊缝厚度为=6mm
面板与梁格连接焊缝最小厚度hf=5.97mm
4.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=P[（a上+a下）/2]
现列表计算如表2：
得出
∑q==250.58kN/m
表2水平次梁、顶梁共和底梁的计算
梁号
梁轴线处的水压强度P（KN/m2）
梁间距（m）
（m）
q=p（KN/m）
1（顶）
4.73
1.750
2
17.6
1.575
27.7
1．400
3（上主梁）
30.9
1.275
39.40
1．150
4
42.1
1.075
45.26
1．000
5
51.9
0.925
48.01
0.850
6（下主梁）
60.3
0.800
48.24
0.750
7（底梁）
67.7
0.55
37.24
根据上表计算可知，水平次梁的计算荷载为48.24KN/m，水平次梁为五跨连续梁，跨度为2.08m,：
图3.图4.
图3梁格布置
局部尺寸图（单位mm）
图4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：
M次中＝0.077ql2==16.07kN•m;
支座B处的负弯矩
M次B＝0.107ql2=22.33kN•m;
2.截面选择W=M/[σ]=139562
考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选槽钢14b，由表查得：
A=2195；
Wz=108300;
Iz=866.2;
b=63mm;
d=6.5mm;
面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取最小值。
①B≤b1+60t=63+60=663mm
②B=ξ1b（对跨间正弯距段）
B=ξ2b（对支座负弯距段）
按5号梁计算，设梁间距b=830mm;
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：
l0=0.8l=0.8×
2080=1664mm
对于支座负弯矩段：
l0=0.4l=0.4×
2080=832mm
根据Lo/b查表
对于l0/b＝1664/830=2.005得ξ1=0.703，得B=ξ1b=0.703=583mm；
对于l0/b=832/830=1.002得ξ2=0.302,B=ξ2b=0.302=251mm
对第一跨中选用B=663mm
图5
图5面板参加水平次梁工作后的截面（单位mm）
则水平次梁组合截面面积：
A=2195+663=8825（mm2）
组合截面形心到槽钢中心线的距离：
e=63mm;
跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：
I次中＝=8662000+2195+663=20297785（mm4）
支座段选用B=251mm，.则组合截面面积：
A=2195+251=4705（mm2）
e=52mm；
支座处组合截面的惯性矩及截面模量：
I次中=8662000+2195+251=17167520；
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：
σ=M次/W=159.4N/<
[σ]=160N/
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=71.86kN∙m
则边跨挠度可近似地按下式计算：
fmax=6.6
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。
五.主梁设计
1.设计资料
1-1主梁跨度：
净跨=10m；
计算跨度按照L=10.4m；
荷载跨度10m.
1-2主梁荷载q==120kN/m
1-3横向隔间距：
2.08m
1-4主梁容许挠度：
[W]=L/600.
主梁位置及计算简图见图（6）
2.主梁设计
主梁设计内容：
i.截面选择；
ii.梁高改变；
iii.翼缘焊缝；
iv.腹板局部稳定性验算；
v.面板局部弯曲与主梁整体弯曲度折应力验算。
①截面选择
弯矩和剪力弯矩和剪力计算如下：
弯距：
=1620kN•m
剪力：
=0.5=600kN
图6平面钢闸门的主梁位置和计算简图
2-1-1需要的截面模量
已知Q235钢的容许应力[σ]=160N/mm2
考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力
[σ]=0.9×
160=144N/mm2
则需要的截面抵抗矩为W=11250
2-1-2腹板高度选择
按刚度要求的最小梁高（变截面梁）：
=1.1=100cm
对于变截面梁的经济梁高=2.8=2.8=117mm
.
现选用腹板高度.100cm
2-1-3腹板厚度选择
按经验公式计算：
=/11=/11=0.91cm
选用t＝4cm
2-1-4翼缘截面选择
下翼缘选用t1=2cm（符合钢板规格）
需要选用b1=40cm（在h/2.5~h/5=96~48之间）。
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＝2cm
面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为：
B＝b1+60δ＝620cm
上翼缘的截面面积A1=14×
2.0+224×
3.5=812（cm2）
2-1-5弯应力强度验算
主梁跨中截面（图7）的几何特性如表3：
图7主梁跨中截面（单位mm）
部位
截面尺寸（cm）
截面面积A（）
形心离表面（cm）
A
（）
y=
（cm）
面板部分
74
37
—49.7
182787
上翼缘板
39.2
2.4
94
—47.8
89566
腹板
100
53.8
5380
3.6
1296
下翼缘
34
95.2
105.2
10015
55.2
290078
合计
308.4
15492
563727
表3主梁跨中截面的几何特性
2-1-6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。
2-1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，有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小
梁高开始改变的位置取在临近支承端的横向隔板下翼缘的外侧，离开支承端的距离为208—10=198cm
见图8和图9
图8主梁支撑端截面（单位mm）
图9主梁两边截面位置图（单位mm）
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。
表4主梁端部截面的几何特性
—30.7
69744
—28.8
32514
60
33.8
2028
2.6
406
65.2
6207
110051
268.4
8366
212715
截面形心距：
2cm
截面惯性矩：
I=563727
截面下半部中和轴的面积矩：
S=95.2=3581
剪应力：
9.31kN/<
[σ]=9.5kN/，满足剪力要求，安全。
2-2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，截面惯性矩
上翼缘对中和轴的面积矩S1=784×
40.85＋28×
38.1=33093（cm3）
下翼缘对中和轴的面积矩S2=120×
107.9＝12948（cm3）﹤S1
需要hf＝21mm
角焊缝最小厚度hf＝9mm
全梁的上下翼缘焊缝都采用需要hf＝21mm
2-3腹板的加劲肋和局部稳定验算
加劲肋的布置为必须考虑设置横向加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。
因闸门上已经布置了横向隔板，其间距为a=208cm
因闸门已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距。
腹板区格划分见图10。
图10腹板区格划分（单位mm）
梁高与弯矩都较大的区格2
左边截面的剪力V=600-120=249.6kN
该截面的弯矩M=600=736kN•m;
腹板弯曲压应力=425kN•m;
故在横隔板之间不必增设横向劲肋。
再从剪力最大区考虑，区格1的剪力最大，该区格的平均高度
因安全，不必验算，故在梁高减小的区格1也不必增设横加劲肋。
对于区格II，剪力为V=600-120=249.6kN
该区格截面的弯矩M=736kN•m;
平均弯矩M=409kN•m;
平均弯应力σ=106kN•m
故，在区格II之间不必要增加劲肋。
同理，区格II之间不必要增加劲肋。
2-4面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算
面板区格IV在长边中点的局部弯曲应力=190N/
对应于面板IV长边中点的主梁弯矩和弯应力M=120=1116kN•m
面板IV长边中点的折算应力=213.2N
满足要求，面板厚度取8mm。
六.横隔板设计
1.荷载和内力计算
首先，吧荷载用三角形分布的水压力来代替，见图11。
图11横隔板截面（单位mm）
把隔板作为支撑在主梁上的双臂悬梁。
则每块隔板的最大负载弯矩
M=90.2kN/m
2.横隔板截面选择和强度计算
其腹板选用和主梁同高度，采用1000mmx10mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mmx10mm扁钢。
上翼缘可利用的面板宽度计算式为B＝ξ2b确定其中b=2080mm,按l0/b=2×
1.015/1.24=3.22查表得ξ2＝0.46，则B=0.46×
1240=1352mm，取B=1300mm
截面形心到腹板中心线的距离：
e==226mm
截面惯性矩I=342475
截面模量=4678618
验算弯应力=19.3N/
横隔板翼缘焊缝采用和主梁翼缘相同的焊缝厚度，hf＝8mm
7.纵向连接设计
1.荷载和内力的计算
纵向连接系承受闸门自重，其中
下游纵向连接系承受0.4G=464KN46.4/4=11.6
由此，纵向连接系桁架腹杆布置图及其计算结果如图12
图12纵向连接系计算图（单位mm）
2.斜杆截面计算
斜杆承受的最大压力为17.8KN，取长细比200
选用单角钢12.6，由此得出
截面面积A=25.2cm2；
回转半径iy0=21.5cm；
斜杆计算长度lo=3.33mm
长细比=168.2<
200
验算拉杆强度σ=21.5x10/1560=13.8（N/mm）<
133（N/mm）
8.边梁设计
边梁设计采用单腹式，见图13
在每侧闸门上设置两个胶木滑块，其尺寸见图14
1-1水平荷载
主要用来传递主梁的水平方向的荷载，每个边梁的荷载为R=600kN
1-2竖向荷载
上滑块所受的压力=487kN
下滑块所受的压力=1200—487=713kN
最大弯矩Mmax=487=341kN•m
最大剪力Vmax=487kN
2.边梁的强度验算
截面面积A=60010+216800mm
面积矩=18mm
截面惯性矩I=3.31176×
1010（mm40）
截面边界最大应力验算=103N/<
0.8N/
腹板下翼缘连接处应力验算=10.8+92.2=97.8N/
图13边梁截面（单位mm）
图13边梁计算简图
九.行走支承设计
假设滑块的长度为400mm。
则滑块承受的压力为q==1782N
由此得出轨道顶部弧面半径R=150mm，轨道设计宽度为b=35mm
验算
选定胶木高30mm，宽度120mm，长400mm
十.胶木滑块轨道的设计
图14胶木滑块支撑轨道截面（单位mm）
1.确定轨道底板宽度200mm
混凝土的容许压力所需要的轨道底板的宽度轨道底板面压力=7.13N/mm2。
2.确定轨道底板厚度
轨道底板的厚度t=46.5mm
取厚度t=50mm
十.一闸门启闭力和吊座计算1-1-（
1．启门力计算
其中，闸门自重G=162.61kN
滑道摩阻力=fp=0.12=288kN
止水摩阻力=2fbHp=2kN
下吸力底止水橡皮采用I110-16型，其规格为宽16mm，长110mm底止水沿门跨长10.4m根据SL74-95修订稿：
启门时插门底缘平均下吸力按照20千牛每米计算，则下吸力=20=3.3kN
故闸门的启动力=547.1kN
2．闭门力计算
图15吊轴和吊耳板（单位mm）
3-1吊轴
采用Q235钢，其＝65kN/㎜2，采用双吊点，
每边吊起的力为P=1.2×
=299.1kN
吊轴每边剪力V=P=299.1kN
吊轴截面积A=423㎜2
故吊轴直径d≥=76.6mm，
取d=90mm
3-2吊耳板强度验算
由Q235钢，t=42mm
因此在边梁腹板上端部的两侧各焊接一块厚20mm的轴承板，抽承板采用圆形，其直径为3d=270mm
则有吊耳壁拉应力=79.1N/
取R=130㎜,r=40㎜,
满足要求。
总结设计经验总结与不足
在设计钢闸门过程中，我遇到了很多困难，发现自己有很多知识并没有掌握，自己还有很多不足。
但是也让我对这门课程有了更深刻的了解，和以往对知识的疏忽和补充，课程设计给我很多的基础知识，为以后的工作打下坚实的基础。
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这些日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
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