水工刚课程设计.doc
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内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院
钢结构课程设计
露顶式平面钢闸门设计
题号：
01号
学院：
水利与土木建筑工程学院
专业：
农业水利工程
姓名：
王海瑞
学号：
100610758
指导教师：
赵占彪
职称：
教授
设计完成日期：
二Ο一三年一月
设计资料
闸门形式：
溢洪道露顶式平面钢闸门；
空口净宽：
8.00ｍ；
设计水头：
5.00ｍ；
结构材料：
Q235钢；
焊条：
E43;
之水橡皮：
侧止水用P形橡皮；
行水支承：
采用胶木滑道，压合胶木MCS–2；
混凝土强度等级：
C20
2.闸门结构的形式及布置
2.1闸门尺寸的确定（图1）
（1）闸门高度：
考虑风浪所产生的水位超高为0.2m，故闸门高度=5+0.2=5.2（m）；
（2）闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：
；
⑶闸门计算跨度
2.2主梁的形式。
主梁的形式应根据水头的大小和跨度的大小而定，本闸门属于中等跨度，为了方便制造和维护，决定采用实腹式组合梁。
2.3主梁的布置。
根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。
为使两个主梁设计水位时所受的水压力相等，两个主梁得位置应对称于水压力合力的作用线（图1）并要求下悬臂、上悬臂,今取
主梁间距
则
（满足条件）
2.4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，梁格布置具体尺寸如图2所示
2.5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倒横隔板，其间距为2.6m，横向隔板兼作竖直次梁。
（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。
2.6边梁与行走支撑。
边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。
3面板设计
根据《钢闸门设计规范》（SL74—95）及2006修订送审稿，关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁截面选择之后在验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。
3.1估算面板厚度。
假定梁格布置尺寸如图2所示。
面板厚度按式（3.1）计算
（3.1）
当时，，则
当时，，则
现列表1进行计算
区格
a（mm）
b（mm）
b/a
k
P（））（N/m）
t（mm）
I
1340
2090
1.56
0.581
0.006
0.059
5.38
II
820
2090
2.55
0.500
0.020
0.100
5.58
III
710
2090
2.94
0.500
0.031
0.124
5.99
IV
640
2090
3.27
0.500
0.039
0.140
6.27
V
570
2090
3.67
0.500
0.047
0.155
6.18
VI
430
2090
4.86
0.750
0.055
0.203
6.11
面板厚度的估算
注1面板边长a，b都从面板与梁格的连接焊接算起，主梁上翼缘宽为140mm（详见后面）。
2区格I,VI中系数k由三边固定一边简支查的。
根据表1计算，选用面板厚度。
3.2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向拉力P按式（3.2）计算,已知面板厚度，并且近似地取板中最大弯应力，则
（3.2）
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为
由式3.3计算面板与主梁连接的焊缝厚度为
面板与梁格连接焊缝取最小厚度。
4水平次梁、顶梁和底梁的设计
4.1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接梁，作用在它们上面的水平压力可按式（4.1）计算，即
（4.1）
列表2计算后得
水平次梁﹑顶梁和底梁均布荷载的计算
梁号
梁轴线处水压强度p
（）
梁间距
（m）
（m）
（kN/m）
备注
1（顶梁）
顶梁荷载按下图计算
2
12.3
1.175
14.45
0.94
3（上主梁）
21.6
0.870
18.79
0.80
4
29.4
0.755
22.20
0.71
5
36.4
0.700
25.48
0.69
6（下主梁）
43.1
0.595
25.48
0.50
7（底梁）
48.0
0.350
16.80
根据表2计算，水平次梁计算荷载取25.48kN/m,水平次梁为四跨连接梁，跨度为2.1m（图3）水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为
支座B处的弯矩为
4.2截面选择。
考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选[18a由附录6附表6.3查得：
；；；；。
面板参加次梁工作有效宽度分别按式（4.2）及式（4.3）计算，然后取其中较小值。
（4.2）
（对跨中正弯矩段）（4.3）
（对支座负弯矩段）
按5号梁计算，设梁间距。
确定式（4.3）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与梁间距比值。
对于第一跨中正弯矩段取
对于支座负弯矩段取。
根据查表1.2，得
对于,得，则；
对于，得，则
；
第一跨中选用，则水平次梁组合截面面积（图4）为
组合截面形心到槽钢中心线的距离为
跨中组合截面的惯性矩及截面模量为
对支座段选用B=245mm，则组合截面面积为
组合截面形心到槽钢中心线的距离为
支座处组合截面的惯性矩及截面模量为
4.3水平次梁的强度验算。
由支座B（图3）处弯矩最大，而截面模量最小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即
说明水平次梁选用[14a满足要求。
轧成梁的剪应力一般很小，可不必验算。
4.4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处支座处截面的弯矩已经求得。
则边跨挠度可近似地计算为
故水平次梁选用[14a满足强度和刚度要求。
4.5顶梁和底梁。
顶梁所受的荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度，所以也采用[14a。
底梁也采用[14a。
5主梁设计
5.1设计资料
（1）主梁的跨度（图5）：
净跨（孔口宽度），计算跨度，荷载跨度；
（2）主梁荷载：
；
（3）横向隔板间距：
2.10m；
（4）主梁容许挠度。
5.2主梁设计
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弯矩与剪力。
弯矩与剪力计算如下
②需要的截面模量。
已知Q235钢的容许应力，考虑钢闸门自重引起的附加应力作用，取容许应力为，则需要的截面模量为
③腹板高度选择。
按刚度要求的最小高梁（变截面梁）为
按梁自重最轻所需要的经济梁高（变截面梁）为
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小，但不小于。
现选用腹板高度。
④腹板厚度选择。
按经验公式计算：
，选用。
⑤翼缘截面选择。
根据强度要求，对称梁截面的每个翼缘所需的截面积（为翼缘宽度，为翼缘厚度）
可由通常采用，下翼缘选用（符合钢板规格）。
需要，cm，选用（在之间）。
上翼缘的部分截面面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用，。
考虑面板兼作主梁上翼缘在受压时不知丧失稳定而限制的有效宽度取为
上翼缘截面积为
⑥弯应力强度验算。
主梁跨中截面（图6）的几何特性见（表3）截面形心矩为
截面惯性矩
截面模量：
上翼缘顶边
下翼缘底边
弯应力
（安全）
主梁跨中截面的几何特性
部位
截面尺寸
截面面积
各形心离面板距离
各形心离中和轴距离
面板部分
49.6
0.4
19.8
-36.6
66442
上翼缘板
28.0
1.8
50.4
-35.2
34693
腹板
80
42.8
3424
5.8
2691
下翼缘
50
83.8
4190
46.8
109512
合计
207.6
7684.2
213338
⑦整体稳定性与挠度验算。
因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按<<设计规范》》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，故梁的挠度也不必验算。
（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
（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。
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梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字形截面来验算剪应力强度。
主梁支承端截面的几何性质见表4。
主梁端部截面的几何特性
部位
截面尺寸
面板部分
49.6
0.4
19.8
-21.6
23141
上翼缘板
28.0
1.8
50.4
-20.2
11425
腹板
48
26.8
1286
4.8
1106
下翼缘
50
51.8
2590
29.8
44402
合计
175.6
3946
80074
截面形心距
截面惯性矩
截面下半部对中和轴的面积矩
剪应力
（安全）
（3）翼缘焊缝。
翼缘焊缝厚度（焊脚尺寸）按受力最大的支承端截面计算。
最大剪应力，截面惯性矩。
上翼缘对中和轴的面积矩
下翼缘对中和轴的面积矩
根据角焊缝的强度条件可求得梁端所需的翼缘角焊缝厚度为
角焊缝最小厚度
全梁的上、下翼缘焊缝都采用。
（4）腹板的加劲肋和局部稳定验算。
加劲肋的布置：
因为，故不需设横向加劲肋。
（5）面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。
从上述的面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格Ⅵ所需要的板厚较大，这意味着该区格的长边中点的应力也较大，所以选取区格Ⅵ（图2）按式（5.1）验算其长边中点的折算应力。
面板区格Ⅵ在长边中点的局部弯曲应力为
（5.1）
对应于面板区格Ⅵ在长边中点的主梁弯矩（图5）和弯应力为
面板区格Ⅵ的长边中点的折算应力为
上式中、和的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。
故面板厚度选用8mm，满足强度要求。
6横隔板设计
隔板高度取与主梁相同的高度定为800mm，隔板厚度与主梁腹板厚度一至取20mm，上翼缘利用面板不设，下翼缘采用b=100―200mm，厚度t=10~12mm的扁钢，即规定b=140mm，他t=10mm的扁钢。
由构造要求确定的尺寸其横隔板的应力很小，故可以不进行强度验算。
7纵向连接系设计
7.1荷载和内力计算。
纵向连接系承受闸门自重。
露顶平面钢闸门门叶自重G按附录10中的公式（7.1）计算得
（7.1）
下游纵向连接系承受
纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板布置如图10所示，其结点荷载为
杆件内力计算结果如图10所示。
7.2斜杆截面计算。
斜杆承受最大拉应力，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即.
选用单角钢∟，由表1.2查得
截面面积
回转半径
斜杆计算长度
长细比
验算拉杆强度为
考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。
（2）斜杆与节点板的连接计算（略）。
8边梁设计
边梁的截面形式采用单腹式（图11），从边梁的截面尺寸按构造要求确定，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，为了便于安装压合胶木滑块，其翼缘宽度不宜小于300mm，翼缘厚度则应该大于腹板厚度。
边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力值降低20%作为考虑受扭影响的安全储备。
8.1荷载和内力计算。
在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑块。
其布置尺寸见图12。
（1）水平荷载。
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，可假定这些荷载由主梁传给边梁。
每个主梁作用于边梁的荷载为。
（2）竖向荷载。
有闸门自重、滑道摩擦阻力、止水阻力、起吊力等。
上滑块所受的压力
下滑块所受的压力
最大弯矩
最大剪力
最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为150KN（详细计算见后面）。
在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力
。
8.2边梁的强度计算
截面面积
面积矩
截面惯性矩
截面模量
截面边缘最大应力验算
腹板最大剪应力验算
板与下翼缘连接处折算应力验算
以上验算均满足强度要求。
9行走支撑设计
胶木滑块计算：
滑块位置如图12所示，下滑块受力最大，其值为。
设滑块长度为350mm，则滑块单位长度的承压力为
根据上述q值查表1.3得轨顶弧面半径R=100mm，轨头设计宽度为b=25mm。
胶木滑道与轨顶弧面的接触应力进行验算
选定胶木高30mm，宽100mm，长300mm。
10胶木滑块轨道设计（图13）
10.1确定轨道底板宽度。
轨道底板宽度按混凝土承压强度决定。
根据混凝土由表查得混凝土的容许承压力为，则所需的轨道底板宽度为
故轨道底面压应力为
10.2确定轨道底板厚度。
轨道底板厚度按其弯曲强度确定。
轨道地板的最大弯曲应力为
式中轨道底板的悬臂长c=52.5mm，对于Q235钢，查得
故所需轨道底板厚度为
（取）
11闸门启闭力和吊座计算
11.1启门力计算
其中闸门自重
滑道摩阻力
止水摩阻力
因为橡皮止水与钢板间摩擦系数
橡皮止水受压宽度取为
每边侧止水受水压长度
侧止水平均压强
故
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8.4m。
根据《钢闸门设计规范》：
启门时闸门底缘平均下吸强度一般按计算，则下吸力为
故闸门启门时力为
11.2闭门力计算
显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。
由于该溢洪道闸门孔口较多，若把闸门行走支承改为滚轮，则边梁需由单腹式改为双腹式，加上增设滚轮等设备，则总造价增加较多。
为此，应考虑采用一个重量为150KN的加载梁，在关闭时可以依次对需要关闭的闸门加载下压关闭。
11.3吊轴和吊耳板验算（图14）.
（1）吊轴。
采用Q235钢，查得，采用双吊点，每边启吊力为
吊轴每边剪力
需要吊轴截面面积
又
故吊轴直径
（取）
（2）吊耳板强度验算。
按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度计算，查得Q235钢的，故
因此在边梁腹板上端部的两侧各焊一块厚度为20mm的轴承板。
轴承板采用圆形，其直径取为
吊耳孔壁拉应力按式（11.1）计算
（11.1）
式中，吊耳板半径R=100mm轴孔半径r=30mm，又附表1.7查得，所以孔壁拉应力
故满足要求。
附表
图1闸门主要尺寸图（单位：
m）
图2梁格布置尺寸图（单位：
mm）
图3水平次梁计算简图和弯矩图
图4面板参加水平次梁工作后的组合截面
图5平面钢闸门的主梁位置和计算图
目录
一、设计资料 1
1.闸门形式 1
2.孔口净宽 1
3.设计水头 1
4.结构材料 1
5.焊条 1
6.止水橡皮 1
7.行走支承. 1
8.启闭方式 1
9.混凝土强度等级 1
10.制造条件 1
11.执行规范 1
二、 闸门结构的形式及布置 1
1. 闸门尺寸的确定 1
2. 主梁的形式 1
3. 主梁的布置 1
4. 梁格的布置和形式 2
5. 连接系的布置和形式 2
5-1 横向联接系 2
5-2 纵向联接系 2
6. 边梁与行走支承 2
三、 面板设计 2
1. 估算面板厚度 2
2. 面板与梁格的连接计算 4
四、 水平次梁，顶梁和底梁的设计 4
1. 荷载与内力计算 4
2. 截面选择 6
3. 水平次梁的强度验算 8
4. 水平次梁的挠度验算 8
5. 顶梁和底梁 8
五、 主梁设计 8
1. 设计资料 8
2. 主梁设计 8
2-1 截面选择 8
2-2 截面改变 12
2-3 翼缘焊缝 14
2-4 腹板的加劲肋和局部稳定验算 14
2-5 面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算 15
六、 横隔板设计 16
1. 荷载和内力计算 16
2. 横隔板截面选择和强度计算 16
七、 纵向连接设计 17
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. 荷载和内力的计算 18
1-1 水平荷载 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
29
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