1、 1水工钢结构课程设计说明书 题目： 专业： 姓名： 班级： 学号： 成绩： 二一五年 月 日 2目 录 一、设计资料 二、闸门结构的形式及布置 三、面板设计 四、水平次梁、顶梁和底梁的设计 五、主梁设计 六、横隔板设计 七、纵向连接系设计 八、边梁设计 九、行走支承设计 十、胶木滑块轨道设计 十一、闸门启闭力和吊座计算 3一、 设计资料 (1)闸门型式：露顶式平面钢闸门 (2)孔口尺寸（宽高） ： 14.05.2m2 (3)上游水位： 26.0m (4)下游水位：无 (5)闸底高程： 20.0m (6)胸墙底高程： 25.2m (7)启闭设备：电动固定式启闭机 (8)闸门所用材料： 门叶承重
2、钢结构： Q235.B 钢 焊 条： E43 型 混凝土强度等级： C20 行走支承：采用滚轮，材料为铸钢 ZG45 止水橡皮：顶止水，侧止水 P 形橡皮；底止水条形橡皮 (9)制造条件：金属结构制造厂制造，手工电焊，满足级焊缝质量检验标准。 (10) 采用的规范： 水利水电工程钢闸门设计规范 SL74 95 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：( )114L m= 闸门的计算跨度：( )02 14 2 0.3 14.6L Ld m=+=+=
3、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 ( )/3 3y Hm=（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4见详图 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 道横隔板，其间距为横隔板兼作竖直次梁。 2）
4、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 变量采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。 三、 面板设计 根据 SL7495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 0.0680.9 1.5 160kpta akp=当 /3ba 时， 1.4a = ，则 0.070.9 1.4 160kpta akp=现列表（如下）计算： 表 1
5、5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） ； 2.、区格、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 ( )2max0.07 0.07 14 160 156.8 /Pt Nm= 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力： ()201417500 1100 14 637433 /2 2 16053500000V
6、STNI = =由式（ 7-7）计算面板与主梁连接的焊缝厚度： ()()()22 2 2/ 0.7 156.8 433 / 0.7 113 5.82fthPT m=+ = + =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=6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 ( )220.077 0.077
7、 79.92 3.65 87.7 /M ql KN m=次中( )0.107 0.107 79.92 3.65 111.2 /M ql KN m=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 26809A mm= 3702900xWmm= 4126518000xI mm= 98bmm= 11dmm= 面板参加次梁工作有效宽度分别按式（ 711）及式（ 712）计算，然后取其中较小值。 式（ 711）160 98 60 14 938B bt m +=+= 式（ 712）1()Bb= 对跨间正弯距段 72
8、()Bb= 对支座负弯距段 按 5 号梁计算。设梁间距() ( )121.2 1.21.2 120022bbbmm+ += = 。对于第一跨中正弯矩段取( )00.8 0.8 3650 2920ll m= = 。 对于支座负弯矩段( )00.4 0.4 3650 1460ll m= = 。 由0/lb查表 71： 对于0/ 2920 /1200 2.4lb= 得10.769 = 则()10.769 1200 922.8B bmm= = 对于0/ 1460 /1200 1.21lb= 得20.3504 = 则 ()20.3504 1200 420B = = 对第一跨中选用 B=923mm，则水平
9、次梁组合截面面积为 26809 923 14 19731A mm=+= 组合截面形心到槽钢中心线的距离为 ()923 14 18712219731emm= 跨中组合截面的惯性矩及截面模量为 () ()242126518000 5510 122 923 14 58 7 263024290I mm=+=次中()2min263124290871272302Wmm= 对支座段选用 B=420mm。则组合截面面积： 26809 420 14 12689Am=+= 组合截面形心到槽钢中心线距离： 8()420 14 1878712689emm= 支座处组合截面的惯性矩及截面模量： ()2241265080
10、00 5510 87 420 14 73 7 205855190BI mm=+=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 /833422BMNmm NmmW= = 1。采用式（ 454b）计算s ： 020/1.3623545.344(/)ywsfhtha =+因s 1.2，则 222951.1 1.1 76.8 /1.36crsNmm= 将以上数据代入式 466 得 2285.1 13.20.313 1
11、.0160 76.8+=（满足局部稳定要求） 故在横隔板之间不必增设横加劲肋。 5） 、面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算 从上述面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格。只有区格所需要的板厚较大，这意味着该区格的场边重点应力也比较大，所以选取区格，按式（ 7-4）验算其场边中间的折算应力。 面板区格在场边中点的局部弯曲应力： 220.3 195.2 / 58.6 /mx myNmm Nmm= =132220.5 0.061 1120195.2 /14mykPaNmm= = 对应于面板区格在长边中点的主梁弯矩和弯应力： 23.65202.5 73.65 2202.5 7 7 0.3 50
12、5022M KN m=+ =i 250510000009601 /52552000oxMNmmW = = 面板区格的长边中点的折算应力： ()() 22 22207.2 / 248 /zh my mx ox my mx oxNmm Nmm =+ += = 上式中my 、mx 和ox 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、 荷载及内力计算 横隔板同时兼作竖直次梁，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承在主梁上的双悬臂梁。则每篇横隔板在上悬
13、臂梁的最大负弯矩为 4.42 9.8 4.42 4.423.65 51323M KN m=i 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 2000mm 14mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用300mm14mm 的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度，按2B b= 确定，其中 b=3650mm 。按02 44202.433650lb=，从表 71 查得20.562 = 。则 0.562 3650 2046B mm= = ，取 B=2000mm。 计算如图 9 所示的截面的几何特性 2000 14 1007 300 14 10073982000 14 300 14 2000 14emm
14、=+ + 截面惯性矩： 322 2 414 200014 2000 398 14 300 1405 14 2000 609 3244422000012I mm=+=截面模量3min32444220000229774921412Wmm= 2min51300000022.3 /22977492MNmmW = = 14由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10fhmm= 。 七、 纵向连接系设计 1、荷载和内力计算 纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹杆布置如图 10 所示， 其结点荷载为 188.72/4=47.18KN. 杆件内力计算结果如图 10（如右）
15、。 3、 斜杆截面计算 斜杆承受最大拉力 N=97.4KN，同时考虑闸门偶人扭曲时可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即 200=。 选用单角钢 12512，查表得2228.9 2890Acm m= 2.46 24.6yoicmm= = 斜杆计算长度2200.9 3.85 3.65 4.77lm= + = 长细比04770193.8 20024.6yoli= = = 验算拉杆强度：229740033.7 / 0.85 133 /2890Nmm Nmm= = 考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低 15%进行验算。 八、 边梁设计 边梁的截面形式采用单腹式（图 11） 。 边梁的截面尺
16、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，下翼缘宽度不宜小于 300mm。 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。 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R=1417.5KN. 152)、竖向荷载。有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、起吊力等。 上滑块所受的压力：
17、11417.5 3.851125.24.85R KN= 下滑块所受的压力： 22 1417.5 1125.2 1709.8R KN= = 最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力。估计为 300KN（详细计算见后） 。在最大弯矩作用的截面上的轴向力等于起吊力减去上滑块的摩阻力。该轴向力为： 1300 300 348 0.12 258.24NRf KN= 2、 边梁的强度验算 截面面积21200 14 2 400 20 32800A mm=+= 面积距3max20 60020 400 600 600 14 740000022Smm= + + =截面惯性矩 233414 1200 20 400 202
18、 400 20 600 796986666712 2 12I mm=+=截面模量3796986666712854624620Wmm= 截面边缘最大应力验算： 22maxmax258240 112520000095.4 / 0.8 126 /32800 12854624MNNmm NmmAW=+ = + = = 腹板最大剪应力验算： 2max max1125200 740000074.6 0.8 76 /7969866667 14wVSNmmIt= =腹板和下翼缘连接处的折算应力验算： 2max158240 1125200 7400000 60092.6 /32800 7969866667 14
19、 620MNyNmmAWy =+ = + =ii 2max1417500 400 20 61062 /7969866667 14iwVSNmmIt= =22 2 23 121.8 / 0.8 126 /zhNmm Nmm =+= = 故以上验算满足条件。 九、 行走支承设计 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21709.8R KN= 设滑块长度为 600mm，则滑块单位长度的承压力为 1617098002849.7 /600qNm= 根据上述 q 值由表 72 查得轨顶弧面半径 R=200mm，轨头设计宽度 b=40mm。 胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按式（ 7-1
20、3）进行验算： 2max2849.7104 104 392.6 500 /200jqNmmR= =选定胶木高 40mm，宽 150mm，长 600mm。 十、 胶木滑块轨道设计 （图 13） 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 C30 混凝土由附录十表 2 查得混凝土的容许承压力为 211 /hNmm = ,则所需轨道底板宽度为 2849.7259.111hhqB mm= = ， 取 300hB mm= 。 故轨道地面压应力22849.79.5 /300hNmm = 3、 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： 223hct = 式中
21、轨道底板的悬臂长度 c=130mm。对于 Q235 由表 28 查得 2100 /Nmm = ，故所需轨道底板厚度： 2 23 3 9.5 13069.4100hctm= = 取 t=70mm。 十一、闸门启闭力和吊座计算 1、 启闭力按式（ 7-25）计算 1.1 1.2TG=+zd zs x启（T +T ）+P 其中闸门自重： G=471.8KN 滑道摩阻力： 0.12 405 14 680.4zdTfP KN= = 止水摩阻力： 2zs bTfHp= 因 橡皮止水与钢板间摩擦系数 0.65f = 17橡皮止水受压宽度取为 b=0.06m 每边侧止水受水压长度 H=9m 侧止水平均压强 p
22、=44.12/KN m 故 2 0.65 0.06 9 44.1 31zsTKN= = 。 下吸力xP 地止水橡皮采用 I11016 型，其规格为宽 16mm，长 110mm。底止水沿门跨长 14.6m。根据 SL7495 修订稿：启门时闸门底缘平均下吸强度一般按 202/KN m 计算，则下吸力： 20 14.6 0.016 4.7xPKN= = 故闸门启门力：( )1.1 471.8 1.2 680.4 31 4.7 1377.4TKN= + + =启2、 闭门力按式（ 7-24）计算 () ( )1.2 0.9 1.2 680.4 31 0.9 471.8 395.5zs zdTTTG
23、KN=+=+=闭3、 吊轴和吊耳板验算（图 14） 1） 、吊轴。采用 Q235 钢。由表 28 查得 265 /Nmm = 。 采用双吊点，每边起吊力为 1377.41.2 1.2 826.422TPKN= =启吊轴每边剪力 413.22PVKN= 需要吊轴截面积 2413.2635765VAmm= = 又24dA= 则4 6357900.785Admm= = 取 100dmm= 2） 、 吊耳板强度验算。 按局部紧接承压条件。 吊耳板需要厚度按式 （ 7-26） 计算， 查 28表得 Q235 钢的280 /cjNmm=,故 826400103.3100 80cjPtmd = =18因此在边梁腹板上端部的两侧各焊一块厚度为 60mm 的轴承板，其轴承板采用圆形，其直径取为 3d=300mm。 吊耳孔壁拉应力按式（ 7-27）计算：22220.8kcj RRrRr +=282640068.9 /120 100cjPNmmtd = =吊耳半径 R=120mm，轴孔半径 r=40mm 查表（ 2-8）得 2120 /RNmm = 222222120 4068.4 85.5 / 0.8 120 96 /120 40kNmm Nmm+= = =故满足要求。
