1、 课程设计报告课程设计 (综合实验)报告( 2012- 2013 年度第一学期)名 称： 水工钢结构课程设计 题 目： 节制闸工作闸门设计 院 系： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 成 绩： 日期：2013 年 1 月 4 日课程设计报告一、设计资料 1二、闸门结构的形式及布置 11.闸门尺寸的确定 .12.主梁的形式 .13.主梁的布置 .14.梁格的布置和形式 .25.连接系的布置和形式 .26.边梁与行走支承 2三、面板设计 21.估算面板厚度 .32.面板与梁格的连接计算 3四、水平次梁、顶梁和底梁的设计 .41.荷载与内力的计算 .42.截面的选择 .53.水
2、平次梁的强度验算 .64.水平次梁的挠度验算 .65.顶梁和底梁 .6五、主梁设计 61.截面选择 .62.截面改变 .93.翼缘焊缝 .104.腹板的加劲肋和局部稳定验算 105.面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算 11六、横隔板设计 121.荷载和内力计算 .122.横隔板截面选择和强度计算 .12七、纵向连接系设计 131.载荷和内力计算 .132.斜杆截面计算 .14八、边梁设计 141.荷载和内力计算 .152.边梁的强度验算 .16九、行走支承设计 16十、胶木滑块轨道设计 171.确定轨道底板宽度 .172.确定轨道底板厚度 .17十一、闸门启闭力和吊耳计算 171.启门
3、力计算 .172.闭门力计算 .183.吊轴和吊耳板验算 .18课程设计报告1一、设计资料某供水工程，工程等级为一等一级，其某段渠道上设有节制闸。节制闸工作闸门操作要求为动水启闭，采用平面定轮钢闸门。本闸门结构设计按 SL7495水利水电工程钢闸门设计规范进行，基本资料如下：孔口尺寸：6.0m6.0m（宽高） ；底槛高程：23.0m;正常高水位：35.0m;设计水头：12.0m;门叶结构材料：Q235A。二、闸门结构的形式及布置例图 1-1 闸门主要尺寸（单位：m)1.闸门尺寸的确定（例图 1-1）闸门高度：H=6.2m闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=6m闸门的计算跨度：L=L1+2d=
4、6+20.2=6.4m2.主梁的形式主梁的形式应根据水头和跨度的大小而定，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 L=H，决定采用双主梁。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与水压力的作用线。单位宽度上的水压力 P=（58.8+117.6)62=529.2（kN/m）Y=（58.8622+58.863)529.2=2.67（m）课程设计报告2要求下悬臂 a 0.12H 和 a 0.4m，上悬臂 c 0.45H，取a=0.77m0.12H=0.72m主梁间距： 2b=2（2.670.77）=3.8m则 c=H2ba=6
5、3.80.77=1.43m3 时，a=1.5，则 t=a =0.07a04.9kpkp现列例表 1-1 计算如下：例表 1-1面板厚度的估算区格 a(mm) b(mm) b/a k p(N/mm )2kpt(mm)1 735 1590 2.16 0.699 0.061 0.206 10.295882 695 1590 2.29 0.499 0.069 0.186 8.790363 655 1590 2.43 0.499 0.077 0.196 8.729844 690 1590 2.3 0.499 0.084 0.205 9.61865 690 1590 2.3 0.499 0.091 0.2
6、13 9.993966 690 1590 2.3 0.499 0.099 0.222 10.416247 655 1590 2.43 0.499 0.106 0.23 10.24428 600 1590 2.65 0.734 0.114 0.289 11.7912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 140mm(详见于后） ；2.区格 1、8 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=12mm。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，已知面板厚度 t=12mm,并且近似地取板中最大弯应力 ma
7、x= =160N/mm2 ，则P=0.07t max=0.0712160=134.4(N/mm)面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力：T= =02IVS)/(263270168.9mN计算面板与主梁连接的焊缝厚度： )(7.3)15./(4.1)7./(22TPhwff 课程设计报告4面板与梁格连接焊缝最小厚度 =6mmfh四、水平次梁、顶梁和底梁的设计1.荷载与内力的计算水平次梁和顶、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在他们上面的水压力可按下式计算，即 2下上 apq现例表 1-2 计算后得： mkN/43.58例表 1-2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(k
8、N/m )2梁间距 (m) 2下上 a(m)2下上 apq(kN/m)1（顶梁） 58.8 0.4 23.522 65 0.8 0.8 52.003(上主梁） 72.8 0.8 0.78 56.784 80.3 0.76 0.76 61.035 87.7 0.76 0.76 66.656 95.2 0.76 0.76 72.357 102.6 0.76 0.76 77.988（下主梁） 110.1 0.76 0.715 78.729（底梁） 117.6 0.67 0.335 39.40根据例表，水平次梁计算载荷取 78.8kN/m，水平次梁为四跨连续梁，跨度为 1.6m（例图 1-3） ，水平
9、次梁弯曲的边跨中弯矩为M 次中 =0.077ql2=0.07778.81.62=15.5（kNm)支座 B 处的负弯矩为M 次 B=0.107ql2=0.10778.81.62=21.6（kNm)课程设计报告5例图 1-3 水平次梁计算简图和弯矩图2.截面的选择W= = =135000(mm )M160.23考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选18a，由附录三表 4 表查得：A=2569( )；W X=141400( )； =12727000( )； =68(mm)；d=7(mm)2m3mXIm1b面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取其中最小值。B +60t=68+6012=788(m
10、m)1bB= 1b( 对跨间正弯矩段） ；B= 2b(对支座负弯矩段） ；按 5 号梁计算，设梁间距 b=(b1+b2)/2=(840+810)/2=825(mm).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=0.8l=0.81600=1280(mm);对于支座负弯矩段取 l0=0.4l=0.41600=640(mm)。根据 l0/b 查表 7-1 得：对于 l0/b=1280/825=1.55,得 1=0.59,则 B= 1b=0.59825=487(mm)对于 l0/b=640/825=0.78,得 2=0.24，
11、则 B= 2b=0.24825=198(mm)对于第一跨中弯矩选用 B=788(mm)，则水平次梁组合截面面积（例图 1-4）为A=2569+78812=12025(mm2)组合截面形心到槽钢中心线的距离：)(751209678me课程设计报告6跨中组合截面的惯性矩及截面模量为 )(314802785269170 42 mI 次 中 )(1/348min mW对支座段选用 B=198(mm).则组合截面面积： A=2569+19812=4945(mm2)组合截面形心到槽钢中心线的距离：e=(1981296)/4945=46(mm)支座处组合截面的惯性矩及截面模量：I 次 B=12727000+
12、2569462+19812522=24587708(mm4)Wmin=24587708/136=180792(mm2)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：= =21.6106/180792=119.5(N/mm2)=160(N/mm 2)次minMB次说明水平次梁选用 18a 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=21.6kNm,则边跨挠度可近似地按下式计算：= -lw3845次EIqL3
13、次次 I163148006.21.3480.2).(755 =0.0003163 =lw.故水平次梁选用18a 槽钢满足强度和刚度要求。5.顶梁和底梁顶梁和底梁均采用18a.五、主梁设计（1）设计资料例图 1-4 面板参加水平次梁工作后的组合截面课程设计报告7（1）主梁跨度（例图 1-5）：净跨（孔口宽度）Lo=6m，计算跨度 L=6.4m，荷载跨度L1=6m；（2）主梁荷载：q=264.6kN/m；（3）横向隔板间距：1.6m；（4）主梁容许挠度w=L/600。（2）主梁设计主梁设计内容包括：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
14、应力验算。1.截面选择(1)弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下：Mmax= )(5.1349)62.(.64mkN87.1maxqLV例图 1-5 平面钢闸门的主梁位置和计算简图(2)需要的截面抵抗矩已知 Q235 钢的容许应力 =160N/mm ,考虑钢闸门自重引起的附加2应力作用，取容许应力 =0.9160=144N/mm2,则需要的截面抵抗模量为：)(5.931.01453 3max cmMW(3)腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为：课程设计报告8hmin=0.960.23 =0.960.23 =59.3（cm）LE/)60/1(0.24.722经济梁高:h ec=3.1w2/
15、5=3.151042/5=120(cm)。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 hec，但不小于 hmax,现选用腹板高度 h0=100cm.(4)腹板厚度选择按经验公式计算：t w= = =0.91cm,选用 t w=1.0cm.1/h/0(5)翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为：A1= )(76.5937620 cmthW下翼缘选用 t 1=2.0cm(符合钢板规格）需要 b1= ,选用 b1=40cm（ ).)(3927cmt 之 间在 ch2045.2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=2.0cm,b1=16cm.面板兼作
16、主梁上翼缘的有效宽度取为：B=b1+60t=16+601.2=88cm.上翼缘面积：A 1=162+881.2=137.6(cm2)(6)弯应力强度验算。主梁跨中截面（见图 1-6)的几何特性如下表：截面形心矩：y 1= )(4.36.1789, cmAy截面惯性矩：)(63505210.12 43230 cmyhtIw 截面模量：上翼缘顶边： W mon= )(460.331cyI下翼缘底边： W max= )(18.532mI弯应力： )/(.03492minax ckN例表 1-3 主梁跨中截面的几何特性课程设计报告9（7）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
17、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） ，有必要将主梁支承段部位 截面尺寸（cmcm) 截面面积 A(cm )2各形心离面板表面距离 y(cm)Ay(cm )3各形心离中和轴距离y=y-y1(cm)Ay2面板部分 881.2 105.6 0.6 63.4 -42.8 193420上翼缘板 142.0 32 2.2 70.4 -41.2 54300腹板 1001.0 100 53.2 5320 9.8 9600下翼缘 402.0 80 104.2 8336 60.8 295700合计 317.
18、6 13789.8 553020例图 1-6 主梁跨中截面（单位：mm)例图 1-6 主梁支承端截面位置图（单位：mm)例图 1-7 主梁支承端截面（单位：mm)例图 1-8 主梁变截面位置图（单位：mm)课程设计报告10腹板高度宽度减小 h0s=0.8h0=0.8100=80cm（例图 1-7） 。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（例图 1-8)，离开支承段的距离为 160-10=150cm。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 1-4。截面形心距：y 1 .)(7
19、346.29805cm截面惯性矩： 。)(0140 cI截面下半部中和轴的面积矩： 。)(51362.8015.924 2cmS剪应 q 力： (安全)。20max /0.15368.79cmkNtIVw /.9KN例表 1-4主要端部截面的几何特性部位 截面尺寸(cmcm) A(cm )2y(cm) Ay(cm )3y=y-y(cm) Ay2(cm )面板部分 881.2 105.6 0.6 63.4 -34.1 122790上翼缘板 142.0 32 2.2 70.4 -32.5 33800腹板 801.0 80 43.2 3456 8.5 5780下翼缘 402.0 80 84.2 67
20、36 49.5 196020合计 297.6 10325.8 3583903.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 Vmax=793.8kN.截面惯性矩I=401000cm4。上翼缘对中和轴的面积矩 )(4615.3216.342831 cmS下翼缘对中和轴的面积矩 132 )(90.0S需要 )(58.041.6874.0 cIVShwff 角焊缝最小厚度 hf 1.5 .所以全梁的上下翼缘焊缝都采)(.25.mt用 hf=8mm.课程设计报告114.腹板的加劲肋和局部稳定验算 加劲肋的布置：因为 ，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
21、兼作加劲肋，其间距 a=160cm。腹板区格划如图，梁高与弯矩都较大的区格可按下式计算 1/)/()/(22crcrcr 区格左边及右边截面的剪力分别为 0k436.1-.4-8.793右左 ） ；（）（ VNV区格截面的平均剪力为 )/(2.1)/(2.01/2/ 20 mckthw）（ 右左区格左边及右边截面上的弯矩分别为 ）（）（左 kNM1026.-3.4-6.8793）（右 m5.9max区格的平均弯矩为 )(1802.34102kNV右左 区格的平均弯应力为 )/(5.74106358260 mIyM计算 cr 85.06.23517./23517/0 ywbfth/60mNcr计
22、算 ，由于区格长短边之比为 2.35/1.0，则cr 93.025)16/0(43.51.2)/(43.510 yws faht801.0wth课程设计报告12则 )/(7.895).03(59.01)8.(59.01 2mNscr 有将 以 上 数 据 代 入 公 式 crcrcr /)/()/(220.12806.7.81605.4不计局部压应力，满足局部稳定要求，故在横隔板之间（区格）不必增加横向加劲肋。再从剪力最大的区格来考虑：该区格的腹板平均高度 ，因 ，不必验算，故)(902/)810(cmh90/0wth在梁高减小的区格内也不必另设横向加劲肋。5.面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算
23、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 6 所需板厚度较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取区格 6（图 1-2） ，并验算其长边中点的折算应力。面板区格 6 在长边中点的局部弯曲应力： )/(1641290.50222 mNtkpamy /.3. 2myy对应于面板区格 6 在长边中点的主梁弯矩（图 5）和弯应力： )(8.1264.26424mkNM)/(.908.1326Wox面板区格 3 的长边中点的折算应力 )/(2481605.)/(189 )6.9124(16).2)(2 22 mNmNoxmyoxyzh 上式中 、 、 的取值均以拉应力为
24、正号，压应力为负号。yxo故面板厚度选用 8mm，满足强度要求。课程设计报告13六、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（见图 1-9） ，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 4.17.06243.1)87.5( M2.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 1000mm8mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm8mm 的扁钢，上翼缘利用面板的宽度按 B= 2b 确定，其中 b=1600mm， 按 /b=2
25、740/1600=0.925,0l从查 7.1 表可得有效宽度系数 2=0.4，则 B=0.4*1600=640mm，取 B=640mm如图 1-9，截面形心到腹板中心线的距离：)(178081640545me截面惯矩： )(102493602728 4723 mI 截面模量： )(362970812437minW验算弯应力： )/(160)/(7.3062914. 22min mNNM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=6mm。课程设计报告14七、纵向连接系设计1.载荷和内力计算纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门 G 按附录十一式计算：时
26、，当 mH85 )(8.64.90.613.80.98.438.043.1 kNBKGgcz 下游纵向连接系承受 0.4G=0.464.8=26kN纵向连接系是做简支的平面桁架，其桁架腹杆布置如图 1-10，其节点荷载为 kN5.6422.斜杆截面计算斜杆承受最大拉力 N=13.8N，同时考虑闸门偶然扭曲是可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即 。20选用单角钢 1008，由附录三表查得：截面面积 A=1560 2；回转半径iy0=19.8mm斜杆计算长度 ml 07.24.61.902长细比 5.8.70yi例图 1-9 横隔板截面（单位：mm)例图 1-10 纵向连接系计算图（单位
27、： mm)课程设计报告15验算拉杆强度：223 /1385.0)/(8.1560. mNmN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。八、边梁设计边梁的截面形式采用双腹式（如图 1-11） ，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，两个下翼缘宽度不应小于 300mm。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计师将容许应力值降低 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。其布置尺寸可见例图 1-12。例图 1-11 边梁截面（单位：mm) 例图 1-12 边
28、梁计算图(1)水平荷载。边梁所受的水平荷载主要是主梁传来的水平荷载及水平次梁、顶梁传来的水平荷载。为了简化计算，可假设这些荷载完全是由主梁传给边梁。每根主梁作用于边梁的集中荷载 R=793.8kN。(2)竖向荷载。边梁所受的竖向荷载包括：闸门自重、滑道摩擦力、止水摩擦力、起吊力等。如图所示，可计算出上滑块所受的压力为 )(65.483791kNR课程设计报告16下滑块所受压力 )(932658.7932 kNR边梁最大弯矩 )(.4.0max mM最大剪力 )(651axkNRV最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为 500kN。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擦
29、力，该轴向力为 )(28.41.065501 kfN2.边梁的强度验算截面面积 A=80010+240020=16800(mm 2)面积矩 )(40810420 3max mS截面惯性矩 316718 423I截面模量 )(74980206W截面边缘最大应力验算: )N/m(1208.)N/m(9671257419680.5168.4 223maxmax MAN腹板最大剪应力验算： )/(76958.0.)/(1036275 22max wItSV腹板与下翼缘连接处应力验算：)N/m(6.924052maxyWMAN)/(8.51316272ax wiItSV )/N(128600/269 2
30、222 mh 课程设计报告17以上的验算满足强度要求。九、行走支承设计胶木滑块计算：滑块位置如图 1-12 所示，下滑块受力最大，其值 R2=932kN，设滑块长度为 400mm，则滑块单位长度的承压力为 。根据上述 q)/(304192mNq值由表 7.2 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下式进行验算：)/(50)/(3520140 22max mNmNRqj选定胶木高 30mm，宽 120mm，长 400mm。十、胶木滑块轨道设计1.确定轨道底板宽度轨道底板宽度按混泥土承压强度决定。根据 C20 号混泥土的容许承压应力值为，则所需
31、的轨道底板宽度为2/7mNh )m350()370 hh BqB取，故轨道底面压应力为 )/(6.35022Nh2.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 23tch式中轨道底板的悬臂长度 c=155mm，对于 Q235 钢，查得 。故所需轨道底2/10mN板厚度为 )7t)(3.69105.6322取cth例图 1-13 胶木滑块支承轨道截面（单位： mm)课程设计报告18十一、闸门启闭力和吊耳计算1.启门力计算 xZdP1.2(TG.）启 sT其中闸门自重 G=64.8kN滑道摩阻力 kNTzd635291.0止水摩阻力 fbHpzs因橡皮止水与钢板间摩擦系数
32、 f=0.65橡皮止水受压宽度取为 b=0.06m每边侧止水受压长度 H=6.0m侧止水平均压强 p=88.2kN/m2故 )(3.41.806.502kNTzs 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16.4m，根据 SL74-95 修订稿：启门时闸门底缘平均下吸强度一般按 20KN/计算，则下吸力： kNPx 92.106.2故闸门的启门力：)(8.492.1)345(.84.)(.1. kNTGTxzsd 启2.闭门力计算kNzds 7.690)3.165(2.9.0)(2.1 闭显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。为此，我考虑
33、采用一个重量 800kN 的加载梁，吊 耳 板轴 承 板吊 轴VP例图 1-14 吊轴和吊耳板（单位：mm)课程设计报告19在闭门时可以依次对需要关闭的闸门加载下压关闭。3.吊轴和吊耳板验算（1）吊轴。由于采用双腹式边梁，采用 Q235 钢，由表查得 ，采用双吊点，Mpa65每边起吊力为 )(8.5302.4.12. kNTP启吊轴每边剪力 .68530V需要吊轴截面积 241.26mA又 22785.0d故吊轴直径取 d=100mm)(1.7285.0437. mAd（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。由表查得 Q235 钢的 ，故2/80mNcjmdPtcj
34、 4.6801.533因此在边梁腹板上端部各焊一块厚度为 40mm 的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为D=3d=3100=300mm。吊耳孔壁拉应力按下式计算： kcjkrR85.02，吊耳板半径 R=120mm，轴孔半径 r=40mm，)/(4.6108.5323mNtdPcj式 中由表查得 ，所以孔壁拉应力：Mpak2 222 /96108.)/(83401.6 mNk 课程设计报告20故满足要求。参考文献水利水电工程钢闸门设计规范 （SL74-95） ，中国水利水电出版社，1995 年 8 月第 1版.钢结构设计规范 （GB50017-2003） ，中国计划出版社，2003 年 10 月第 1 版.建筑结构可靠度设计统一标准 （GB50068-2001） ，中国建筑工业出版社出版社，2001年 12 月第 1 版.建筑结构荷载规范 （GB50009-2001） ，中国建筑工业出版社出版社，2002 年 2 月第 1版.水工钢结构 ，中国水利水电出版社，2008 年 5 月第 4 版.
