1、课程设计说明书 课 程 名 称: 水工钢结构 课 程 代 码: 106009699 题 目: 露顶式钢闸门平面设计 及拦污栅设计 学 生 姓 名: 学 号: 年级/专业/班: 2014 级水利水电工程 1 班学 院 (直 属 系 ) : 能源与动力工程学院 指 导 教 师: 徐良芳 课 程 设 计 说 明 书- 1 -目 录摘 要 .- 3 -引 言 - 4 -任务与分析 .- 5 -1 工程概况 .- 6 -2.1 露顶式平面钢闸门设计 - 6 -2.2 拦污栅设计 - 6 -3 闸门的结构形式及布置 .- 6 -3.1 闸门尺寸的确定 - 6 -3.2 主梁的形式 - 7 -3.3 主梁的
2、布置 - 7 -3.4 梁格的布置和形式 - 8 -3.5 连接系的布置和形式 - 8 -3.6 边梁与行走支承 - 8 -4 面板设计 - 8 -4.1 估算面板厚度 - 9 -4.2 面板与梁格的连接计算 - 9 -5 水平次梁、顶梁和底梁的设计 - 10 -5.1 荷载与内力计算 - 10 -5.2 截面选择 - 11 -5.3 水平次梁的强度验算 - 12 -5.4 水平次梁的挠度验算 - 12 -5.5 顶梁和底梁 - 13 -6 主梁设计 - 13 -6.1 设计资料 - 13 -6.2 主梁设计 - 13 -7 横隔板设计 - 17 -7.1 荷载和内力计算。 - 17 -7.2
3、 横隔板截面选择和强度计算 - 17 -8 纵向连接系设计 .- 18 -8.1 荷载和内力计算。 - 18 -8.2 斜杆截面计算 - 19 -9 边梁设计 - 19 -91 荷载和内力计算。 .- 20 -9.2 边梁的强度验算 - 21 -10 行走支梁设计 .- 22 -课 程 设 计 说 明 书- 2 -11.胶木滑块轨道设计 .- 22 -11.1 确定轨道底板的宽度 - 22 -11.2 确定轨道底板厚度 - 23 -12 闸门启闭力和吊座计算 - 23 -12.1 启门力计算 - 23 -12.2 闭门力计算 - 24 -12.3 吊轴和吊耳验算 - 24 -13 拦污栅的设计
4、 .- 26 -13.1 拦污栅的形式和构造 - 26 -13.2 栅面结构 - 26 -13.3 栅栏整体稳定性验算 - 27 -结 论 - 29 -参考文献 .- 30 -课程设计成绩评定表 - 31 -课 程 设 计 说 明 书- 3 -摘 要此次课程设计内容为露顶式闸门以及拦污栅，它们都是水工建筑物重要的设施，我们通过提供的闸门尺寸、拦污栅尺寸以及上下游设计水位等相关资料，对闸门的结构形式和布置、面板尺寸、主次梁数量和尺寸以及支承结构的选择等进行分析计算，对拦污栅栅面的结构布置、主梁数目和整体稳定性进行分析计算。关键词：结构形式和布置、主次梁设计、整体稳定性分析计算课 程 设 计 说
5、明 书- 4 -引 言钢闸门是用于关闭和开放泄(放)水通道的控制设施，是水工建筑物的重要组成部分，有拦截水流，控制水位、调节流量、排放泥沙和飘浮物等重要功能。拦污栅设在进水口前，用于拦阻水流挟带的水草、漂木等杂物(一般称污物)的框栅式结构。设计闸门和拦污栅时，必须考虑全面，包括其具体用途及布置位置，孔口尺寸和数量，上下游水位高度，以及风荷载和波浪荷载等外界影响，并且还应考虑制造、运输和安装等情况的限制。课 程 设 计 说 明 书- 5 -任务与分析课程设计任务：通过所学的知识以及查阅相关资料，掌握正确的设计原理和方法对露顶式闸门以及拦污栅进行设计。课程设计分析：此次设计主要为闸门和拦污栅两个方
6、面，露顶式闸门设计内容包括：闸门的结构形式和布置，闸门面板设计，水平次梁、顶梁和底梁设计，主梁设计，横隔板设计，纵向连接系设计，边梁设计，行走支承设计，胶木滑道轨道设计，闸门启闭力和吊座设计。拦污栅设计内容包括：拦污栅形式与构造，栅面设计，栅面整体稳定性验算。课 程 设 计 说 明 书- 6 -1 工程概况闸门是用来关闭、开启或者局部开启的水工建筑物中过水孔口的活动结构。其主要作用是控制水位、调节流量。闸门是水工建筑物的重要组成部分，它的安全与适用，在很大程度影响着整个水工建筑物的原型效果。2 设计资料2.1 露顶式平面钢闸门设计 闸门型式：露顶式平面钢闸门 （小） 孔口尺寸（宽*高）： 宽
7、9 m *高 4.5 m 上游水位： 4.3 m 下游水位： 0 m 闸底高程： 0 m 启闭方式： 卷扬式启闭 材料 ： 钢结构：Q235-A.F 焊条：E43 型 行走支承：胶木滑道止水橡皮：侧止水用 P 型橡皮，底止水用条形橡皮 混凝土强度等级：C20 制造条件： 金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足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 1974-20052.2 拦污栅设计闸门型式：露顶式平面钢闸门 孔口尺寸（宽*高）： 宽 9 m*高 4.5 m水头：2m3 闸门的结构形式及布置3.1 闸门尺寸的确定闸门的高度：考虑风浪所产生的水位超高为 0.2m，故闸门高度=4.
8、5+0.2m=4.7m；课 程 设 计 说 明 书- 7 -闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=9m闸门的计算跨度：L=L0+2d=9+2*0.2=9.4m图 3-1 闸门主要尺寸图3.2 主梁的形式主梁的形式根据水头和跨度大小而定，本闸门属中等跨度，为了方便制造和维护，决定采用实腹式组合梁。3.3 主梁的布置根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。为了使两个主梁在设计水位时所受的水压课 程 设 计 说 明 书- 8 -力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线 y=H/3=1.5m，并要求下悬臂a0.12H 和 a0.4m、上悬臂 c0.45H，今取a=0.5250.12H=0.54m主梁
9、的间距： 2b=2（y-a）=2*0.975 =1.95m则 c=H-2b-a=4.5-1.95-0.525=2.025m=0.45H（满足要求）3.4 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详见图。图 3-2 梁格布置图（单位 mm）3.5 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 2.35m，横隔板兼做竖直次梁。（2）纵向连接系，设在两个主梁的下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。3.6 边梁与行走支承边梁采用单腹
10、式，行走支承采用胶木滑道。4 面板设计根据 SL74-95水利水电工程钢闸门设计规范修订送审稿，先估算面板厚度，课 程 设 计 说 明 书- 9 -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。4.1 估算面板厚度假定梁格布置尺寸，面板厚度 t 按照公式 t )mm 计算。 （0.9 0.9 面板参加贮量工作需要保留一定的强度储备系数；弹塑性调整系数，当 b/a3时，=1.5，当 b/a3 时，=1.4；钢材的抗弯容许应力，以 N/mm计）则初取 t= 0.9 当 b/a 3 时，=1.5 则 t= =0.068 0.91.5160 当 b/a 3 时，=1.4 则 t= =
11、0.07 0.91.4160 P=0.0098h N/mm,h 为区格中心水头表 4-1 面板厚度的估算区格 a（mm） b（mm） b/a k p(N/mm) kp t（mm） 1100 2340 2.13 0.696 0.005 0.059 4.41 800 2340 2.93 0.500 0.015 0.087 4.71 700 2340 3.34 0.500 0.022 0.105 5.14 610 2340 3.84 0.500 0.029 0.120 5.14 530 2340 4.42 0.500 0.034 0.130 4.84 400 2340 5.85 0.750 0.03
12、8 0.169 4.73 K 值查附录 9 矩形弹性波薄板弯矩系数据上表计算，选用面板厚度 t=6mm4.2 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橫拉力 P 按照 P=0.07tmax 计算，其中 max 表示厚度 t（mm）的面板中最大弯应力，计算时候可以采取 max=，因为已经求知面板厚度 t=6mm，并且近似地取板中最大弯应力 max=160N/mm则P=0.07tmax=0.07*6*160=67.2(N/mm)面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：课 程 设 计 说 明 书- 10 -= = =138N/mm222813547062822656868240又
13、面板与主梁连接的焊缝厚度 hf 可以近似的按照 hf /(0.7 wf)和+hf 不应小于 6mm 确定，公式中的 wf表示角焊缝容许剪应力，于是hf /(0.7 wf)= /（0.7 ）=1.9mm+ 67.2+138 115面板与梁格连接焊缝最小厚度 hf=6mm5 水平次梁、顶梁和底梁的设计5.1 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 计算上 +下2其中 p 表示次梁横轴线处的水压强度；a 上 和 a 下 分别表示水平次梁轴线到上、下相邻梁之间的距离。表 5-1 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（KN/）梁间距
14、（m）(a 上+a 下)/2（m）q=p(a 上+a 下)/2（m） 备注1 顶梁 1.812 11.5 1.120 1.013 11.643 上主梁 20.3 0.905 0.855 17.364 28.2 0.805 0.743 20.945 34.89 0.680 0.658 22.946 下主梁 41.1 0.635 0.520 21.377 底梁 46.1 0.405 0.400 18.44顶梁荷载计算 R=（0.97*11.2*0.97 ）/(2*3*0.97) 根据表计算，水平次梁计算荷载取 q=22.94KN/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度课 程 设 计 说 明 书- 11 -
15、为 L=2.35m，如下图 5-1。图 5-1 水平次梁计算简图和弯矩图水平次梁弯曲时边跨中弯矩 M 次中 为：M 次中 =0.077ql2=0.077*22.94*2.352=9.75 KN*m支座 B 处的负弯矩为：M 次 B=0.107ql2=0.107*22.94*2.352=13.56 KN*m5.2 截面选择W= = =84750mm3 13.56106160考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选14b，由表查得：A=2131mm3； W X=871000mm3； I X=6094000mm4； b 1=60mm； t w=8mm面板参加次梁工作有效宽度按照下面计算，然后取其中最小
16、值。（1） 考虑面板兼作梁翼缘在受压是不至丧失稳定而限制的有效高度Bb 1+2c=b1+60t=60+60*6=420mm（2） 考虑面板眼宽度上应力分布不均而折算的有效高度B= 1b （对胯间正弯矩段）B= 2b (对支座负弯矩段)按照 5 号梁计算，设梁间距 b= = =658mm。确定上式中面板的1+22 0.68+0.6352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 b 之比值。对于第一跨中正弯矩段取 L0=0.8L=0.8*2350=1880mm；对于支座负弯矩段取L0=0.4L=0.4*2350=940mm。根据 L0/b 查表 7-1 得：对于 L0/b=1880/
17、658=2.857 得 1=0.82 则 B= 1b=0.82*658=540mm对于 L0/b=940/658=1.429 得 2=0.40 则 B= 2b=0.40*658=236mm对于第一跨中弯矩选用 B=420mm，则水平次梁组合截面面积为：A=2131+420*6=4651mm2课 程 设 计 说 明 书- 12 -组合截面形心到槽钢中心线的距离为：e=420*6*73/4651=40mm跨中组合截面的惯性矩及截面模量为I 次中 =6094000+2131*402+420*6*（32+3）2=12590600mm4Wmin=12590600/108=116580mm2最支座选用 B
18、=236mm，则组合截面面积：A=2131+236*6=3547mm2组合截面形心到槽钢中心线的距离：e=236*6*74/3547=30mm支座处组合截面的惯性矩及截面模量：I 次B=6094000+2131*302+236*6*452=10879300mm4Wmin=10879300/103=105624mm25.3 水平次梁的强度验算由于支座 B 处的弯矩最大，而截面模量较小，故需要验算支座 B 处截面的抗弯强度，即： 次 =M 次 B/Wmin=13.56*106/105624=128.4N/mm21.5 =1.5 =6.7mm 20全梁的上下翼缘焊缝都采用 hf=8mm7 横隔板设计
19、7.1 荷载和内力计算。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撑在主梁的双悬臂梁。则每片横隔板在悬臂的最大弯矩为：M= =58.8 KN*mm2.4924.22 2.352.4937.2 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 970*6mm课 程 设 计 说 明 书- 19 -上翼缘利用面板，下翼缘采用 180*6mm 的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度按B= 2b 确定，其中 b=2350mm，按 l0/b=2*2490/2350=2.119,查的有效宽度系数
20、 2=0.51，B=0.51*2350=1199mm，取 B=1200mm。截面形心到腹板中心线的距离：e= =212mm12006488180648812006+1806+9706截面惯性矩为：I= =1895116970312 +69702122+61807002+612003002mm4104截面模量为：Wmin= =2695747mm31895110000703验算弯应力为：= = =21.8N/mm258.81062695747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 hf=6mm。8 纵向连接系设计8.1 荷载和内力计算。向连接系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门
21、叶自重 G 按附录 11 中的式计算：G=9.8KZKCKgH1.43B0.88=9.8 1 0.13 4.51.43 90.88=75.7 KN 下游纵向连接系承受0.4G=0.4*75.5=30.2 KN纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如图所示，其节点荷载为=7.55 KN30.24杆件内力计算结果如图所示。课 程 设 计 说 明 书- 20 -图 8-1 纵向连接系计算图 （单位 mm）8.2 斜杆截面计算斜杆承受最大拉力 N=15.56KN，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 =200选用单角钢100*8，由附录三查得截面面积 A=15.
22、6cm 2=1560mm2回转半径 i y0=1.98cm=19.8mm斜杆计算长度l0=0.9 =3.01m2.352+2.352+0.42长细比= = =152.02=200003.0110319.8验算拉杆强度= =10N/mm20.85=133 N/mm 215.561031560考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低 15%进行强度计算。9 边梁设计课 程 设 计 说 明 书- 21 -边梁的截面形式采用单腹式，边梁的截面尺寸按照构造要求确定，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，为了便于安装压合胶木滑道，下翼缘宽度不宜小于 300mm。边梁是闸门的重要受力构件
23、，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力降低20%为考虑受扭影响的安全储备。图 9-1 边梁截面（单位 mm）91 荷载和内力计算。在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑道。其布置尺寸如图所示。图 9-2 边梁计算图课 程 设 计 说 明 书- 22 -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。每个边梁作用于边梁的荷载为 R=226KN2） 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 R 1= =174 KN2262.353.05下滑块所受的压力 R 2=452-174=278 KN最大弯矩
24、 M max=174 0.7=121.88 KN*m最大剪力 V max=R1=174 KN最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为 200KN。在最大弯矩作用截面上的轴力为 N=200-R1f=200-174 0.12=179.12KN。9.2 边梁的强度验算截面面积 A=580 10+2 300 14=14200mm2 面积矩 S max=14 300 297+10 290 150=1682400mm3 截面惯性矩 I= +2 300 14 2972=903548933mm410580312 课 程 设 计 说 明 书- 23 -截面模量 W= =2877544mm3903548933
25、314截面边缘最大应力验算 max= = + 179.1210314200121.881062877544=12.6+42.4=55N/mm20.8=0.8 160=128N/mm2腹板最大剪应力验算= = 174000168240090354893310=32N/mm20.8=0.8 95=76 N/mm2腹板与下翼缘连接处折算应力验算= =12.6+42.4 =52 N/mm2+ 300314= = =24 N/mm2 1740003001429790354893310 2h= = 2+3 3 522+242=57 N/mm20.8=0.8 160=128 N/mm2以上验算均满足强度要求
26、。10 行走支梁设计胶木滑块的计算：滑块位置如图所示，下滑块受力最大，其值为 R2=278KN。设滑块长度为 300mm，则滑块单位长度的承压力为q= =927 N/mm278000300由所计算的 q，查表 7-2 得轨道顶弧面半径 R=100mm，轨道设计宽度 b=25mm，胶木轨道与轨顶弧面的接触应力为课 程 设 计 说 明 书- 24 - max=104 =104 =317 N/mm2=500 N/mm 2 927100选定胶木滑道高 30mm，宽 120mm，长 300mm11.胶木滑块轨道设计11.1 确定轨道底板的宽度轨道底板宽度按混凝土承压强度确定。根据 C20 混凝土由附录
27、10 表 2 查的混凝土的容许承压应力为 h=7 N/mm2，则所需的轨道底板宽度为Bh= = =132mm，取 Bh=140mm9277故轨道底面压应力为 h= =6.6 N/mm2 927140图10-1 胶木滑块支承轨道截面（单位 mm）11.2 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为=3 h 22课 程 设 计 说 明 书- 25 -式中轨道底板的悬臂长度 c=102.5mm，对于 Q235 钢，查得=100 N/mm2。故所需轨道底板厚度为t= = =46mm 取 t=50mm3236.6102.5210012 闸门启闭力和吊座计算12.1 启门力计算
28、T 起 =1.1G+1.2（T Zd+TZs）+P x其中闸门自重 G=75.7KN滑道摩阻力 T Zd=fP=0.12 904.4=109 KN止水摩阻力 T ZS=2fbHp因为橡皮止水与钢板的摩擦系数 f=0.65橡皮止水的受压宽度取为 b=0.06m每边侧止水受水压长度 H=4.5m侧止水平均压强 p=21.38 KN/m 2故 T ZS=2 0.65 0.06 4.5 21.38=7.5 KN 下吸力 Px底止水橡皮采用 I110-16 型，规格为宽 16mm、长 110mm。底止水沿门跨长 9.4m。根据水利水电工程钢闸门设计规范：启门时闸门底缘平均下吸强度一般按 20 KN/m2
29、计算，则下吸力为Px=20 9.4 0.016=3 KN 故闸门启门力为T 起 =1.1G+1.2（T Zd+TZs）+P x=1.1 75.7+1.2 (109+7.5)+3=319.27 KN 12.2 闭门力计算T 闭 =1.2（T Zd+TZs）-0.9G课 程 设 计 说 明 书- 26 -=1.2 (109+7.5)-0.9 75.7=72 KN 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，应考虑采用一个总量为 200KKN 的加载梁，在关闭时可以依次对需要关闭的闸门加
30、载下压关闭。12.3 吊轴和吊耳验算图 12-1 吊轴和吊耳板（单位 mm）（1）吊轴采用Q235 钢，由第二章表 2-8 查得=65 KN/mm2,采用双吊点，每边起吊力为P=1.2 =1.2 =191.6 KN启2 319.272吊轴每边剪力 V= =96 KN2课 程 设 计 说 明 书- 27 -需要吊轴截面积 A= = =1477mm2 9610365又 A= =0.785d224故吊轴直径 d = =43.3mm，故 d=80mm0.78514770.785（2）吊耳板强度验算按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按下式计算，由第二章表 2-8 查得Q235 钢的 cj=80 N/mm
31、2,故t= = =30mm1916008080因此在边梁腹板上端部分的两侧各焊一块厚度为 15mm 的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为 3d=3 80=240mm吊耳孔壁拉应力按下式计算 k= cj 0.8 k2+222式中 cj= = =60 N/mm2，吊耳板半径 R=120mm，轴孔半径 r=40mm，又查附1916004080表 1.7 得 k=120 N/mm2，所以孔壁拉应力 k=60 =75 N/mm20.8 120=96 N/mm21202+4021202402 故满足要求。13 拦污栅的设计13.1 拦污栅的形式和构造采用固定式拦污栅，放置方式采用垂直放置。如图所示。课 程
32、 设 计 说 明 书- 28 -尺寸（宽 高）： 9m 4.5m 水头：2m图 13-1 固定式拦污栅构造图13.2 栅面结构（1）拦污栅的珊面由垂直放置的金属栅条互相连接而成，连接方式为焊接。每片栅条选用长 2.35m，厚 t=10mm，高 h=100mm。一共用两块拦污栅，两块拦污栅在竖直方向连接，每块拦污栅在竖直方向长 2.35m，每块拦污栅的尺寸祥图如下。拦污栅栅条之间的空隙尺寸根据杂物及水轮机的导水机或喷嘴确定，拦污栅的栅条空隙为30mm。每块拦污栅用了 236 片栅条，2 根主梁。课 程 设 计 说 明 书- 29 -图13-1 栅条横截面尺寸（左）和一块拦污栅尺寸（右）（2）主梁
33、的选择拦污栅上的水压强 p=gh=9.8 2=19.6 KN/mm2一块拦污栅受的水压力P=236 pS 栅条 =236 19.6 2.35 0.01=108.8 KN 每根主梁承受的压力 q 主 = = =5.2 KN/m2108.829.4主梁的最大弯矩 M max= q 主 L2= 5.2 9.42=229.7 KN*m12 12 截面抵抗模量 W= = =1435625 mm3=1436cm3229.7106160查附录 3 工字钢表选用工字钢 I45b，其中 Wx=1500.4cm313.3 栅栏整体稳定性验算E=2.06 105 N/mm2 G=0.79 105 N/mm2 l=1600mm 栅条截面对 Y 轴的惯性矩：Iy= ht3= 100 103=8.3 103 mm4112 112
