1、 水利水電工程鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)專業(yè)/班級(jí): 水利水電工程 課程代碼: 16009699 學(xué)生姓名: 學(xué)號(hào): 學(xué)院: 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 指導(dǎo)教師: 目錄一、設(shè)計(jì)資料及有關(guān)規(guī)定1二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置2三、面板設(shè)計(jì)5四、水平次梁、頂梁和底梁地設(shè)計(jì)6五、主梁設(shè)計(jì)10六、橫隔板設(shè)計(jì)17七、縱向連接系18八、邊梁設(shè)計(jì)20九、行走支承設(shè)計(jì)22十、 軌道設(shè)計(jì)22十一、止水布置方式 23十二、埋固構(gòu)件 23十三、閘門啟閉力 23十四、吊耳板強(qiáng)度驗(yàn)算 24十五、 閘門啟閉機(jī)械 24一、設(shè)計(jì)資料1、閘門形式：露頂式平面鋼閘門；2、孔口尺寸（寬*高）：11m*10m；3、上游水位：9.8m；4

2、、下游水位：0m；5、閘底高程：0m；6、啟閉方式：液壓式啟閉機(jī)；7、材料 鋼結(jié)構(gòu)：Q235-A.F；焊條：E43型；行走支承：滾輪支承；止水橡皮：側(cè)止水用p型橡皮，底止水用條形橡皮；8、制造條件 金屬結(jié)構(gòu)制造廠制造，手工電弧焊，滿足III級(jí)焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)9、規(guī)范：水利水電工程閘門設(shè)計(jì)規(guī)范SL 1974-2005二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置1.閘門尺寸的確定閘門高度：考慮風(fēng)浪所產(chǎn)生的水位超高為0.2米，故閘門設(shè)計(jì)高度=9.8+0.2=10m；閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距：L1=11m；閘門計(jì)算跨度：L=L0+2d=11+2*0.2=11.4m2.主梁的形式主梁的形式應(yīng)根據(jù)水頭和跨度大小而定，本

3、閘門屬于中等跨度，為了便于制造和維護(hù)，決定采用實(shí)腹式組合梁。3.主梁的布置根據(jù)閘門的寬高比，決定采用五主梁式。為使主梁在設(shè)計(jì)水位時(shí)所受水壓力相等，根據(jù)公式計(jì)算每一根主梁距水面的距離，K及第K根主梁位置。（K=1,2,3,4,5） y1=2.98m y2=5.45m y3=7.06m y4=8.35m y5=9.48m 圖1 閘門尺寸圖（單位：m）4.梁格的布置和形式梁格采用復(fù)式布置和等高連接，水平次梁穿過(guò)橫隔板上的預(yù)留孔并被橫隔板所支承。水平次梁為連續(xù)梁，其間距應(yīng)上疏下密，使面板各區(qū)格所需要的厚度大致相等，梁格的布置具體尺寸見(jiàn)圖。圖2 梁格布置尺寸圖（單位：mm）5.連接系的布置和形式（1）橫

4、向連接系，根據(jù)主梁的跨度決定布置4道橫隔板，其間距為2.28m，橫隔板兼做豎直次梁。（2）縱向連接系，設(shè)在兩個(gè)主梁下翼緣的豎平面內(nèi)，采用斜桿式桁架。(圖詳見(jiàn)后)6.邊梁與行走支承。 邊梁采用單復(fù)試，行走支承采用滾輪支承。三、面板設(shè)計(jì)根據(jù)SL1974-1995水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范修訂送審稿，關(guān)于面板的計(jì)算，先估算面板厚度，在主梁界面選擇之后再驗(yàn)算面板的局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力。1. 估算面板厚度 假定梁格布置尺寸如圖2所示，面板厚度按下式計(jì)算：t=akp0.9as當(dāng)b/a3時(shí)，a=1.5，則t=akp0.91.5160=0.068akp當(dāng)b/a3時(shí)，a=1.4, 則t=akp0.9

5、1.4160=0.070akp現(xiàn)列表1進(jìn)行計(jì)算表一注 1、面板邊長(zhǎng)a、b都從面板宇梁格的連接焊縫算起，主梁上翼緣寬為140mm (詳見(jiàn)后面)2、區(qū)格1、11中的系數(shù)k由三邊固定一邊簡(jiǎn)支板查得。根據(jù)上表計(jì)算選用面板厚度t=12mm(2）面板與梁格的連接計(jì)算面板局部繞曲時(shí)產(chǎn)生的垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向拉力P按式max計(jì)算，已知面板厚度t=12mm，并且近似地取板中最大彎應(yīng)力max =【】=160 N/mm2 則max = 0.0712160=134.4（N/mm）面板與主梁連接焊縫方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的剪力 T=VS/2I0 =53960064012317/（22529530000）=259.67(N/

6、mm)由式計(jì)算面板與主梁連接的焊縫厚度為hf=(p/1.22)2+T2)(1/2)/(0.7th)=（134.4134.4+259.67259.67/（0.7113）=3.7(mm)面板與梁格連接焊縫取其最小厚度hf=6 mm四、水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計(jì)1荷載與內(nèi)力計(jì)算水平次梁和頂、底梁都是支承在橫隔板上的連續(xù)梁，作用在它們上面的水平壓力可按式計(jì)算。 列表2計(jì)算后得q=78.27kN/m梁號(hào)梁軸線處水壓強(qiáng)度梁間距（m）（m）（kN/m）備 注1 （頂梁）1.47 214.91 1.47 21.84 1.46 3（主梁）29.23 1.42 41.37 1.37 4.42.67 1.24 52

7、.70 1.10 5.（主梁）53.46 0.97 51.59 0.83 661.61 0.81 49.59 0.78 7（主梁）69.26 0.75 51.60 0.71 876.22 0.65 49.16 0.58 9（主梁）81.91 0.63 51.61 0.68 1088.58 0.57 50.05 0.45 11（主梁）93.00 0.49 45.10 0.52 12（底梁）98.10 0.45 44.15 表二根據(jù)表二計(jì)算，水平次梁計(jì)算荷載取52.7kN/m,水平次梁為五跨連續(xù)梁，跨度為2.28m（圖三）。水平次梁彎曲時(shí)的邊跨中彎矩為M次中=0.080ql2=0.08052.72

8、.282.28=21.92 (kNm)支座B處的彎矩為M次B =0.107ql2=0.10752.72.282.28=29.31 (kNm)圖3 水平次梁計(jì)算簡(jiǎn)圖和彎矩圖2.截面選擇 W=M/=29.31106/160=183208mm3考慮到利用面板作為次梁截面的一部分，初選 18a， 由附錄三表4查得：A=2569mm；Wx=141400mm3 ；Ix=12727000mm4 b=68mm；d=7mm面板參加次梁工作有效寬度分別按式(1)及式或（其中）計(jì)算，然后取其其中較小值。 式（1） Bb1+60t= 68+608=548mm（對(duì)胯間正彎矩段）（對(duì)支座負(fù)彎矩段）按4號(hào)梁計(jì)算，設(shè)梁間距(

9、1137+1110)/2=1123.5(mm)。確定式中面板的有效寬度系數(shù) 時(shí)，需要知道梁彎矩零點(diǎn)之間間距與梁間距b比值。對(duì)于第一跨中正彎矩段取= 0.8l=0.82280=1846.8(mm) 。對(duì)于支座負(fù)彎矩段取 =0.42280=912(mm)。面 板 有 效 寬 度 系 數(shù) 和 0.51.01.52.02.53456810120.200.400.580.700.780.840.900.940.950.970.981.000.160.300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92表三根據(jù)查 表3，得對(duì)于=1846.8/1123.5=1.64得= 0.

10、61，B=0.611123.5=689.4(mm) ;對(duì)于= 912/1123.= 0.81 ，得= 0.25 ，則B = 0.251123.5=281(mm) ;對(duì)第一跨中選用B=660mm ，則水平次梁組合截面面積 圖3 為A =2569+66012=10489mm2組合截面形心到槽鋼中心線的距離為 e=6601296/10489=72（mm）跨中組合截面的慣性矩及截面模量為 I次中=12727000+2569722+6608242=29225944mm4 Wmin=29225944/162=180407mm3對(duì)支座B = 281mm ，則組合截面面積為A =2569+28112=5941

11、 mm2組合截面形心到槽鋼中心線的距離為 e=2811296/5941=54.49(mm)圖4 面板參加水平次梁工作后的組合截面（mm）支座處組合截面的慣性矩及截面模量為 I次B=12727000+256954.492+2811260.492=32693055.5mm4 Wmin=32693055.5/144.49=226265 mm23.水平次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算由支座B（圖3）處彎矩最大，而截面模量最小，故只需驗(yàn)算支座B處的截面的抗彎強(qiáng)度，即次=M次B/Wmin=29310000/226265=129.5N/mm2=160N/mm2說(shuō)明水平次梁選用 18a滿足要求。軋成梁的剪應(yīng)力一般很小，可不必驗(yàn)

12、算。4.水平次梁的撓度驗(yàn)算受均布荷載的等跨連續(xù)梁，最大撓度發(fā)生在邊跨，由于水平次梁在B支座處截面的彎矩已經(jīng)求得M次B=26.8kN.m ,則邊跨撓度可近似地計(jì)算為=5/384ql3/EI次-M次Bl/16EI次=552.7(2.18103）3/(3842.0610529225944 )- 293100002.28103/(162.0610529225944 )=0.000487W/L=1/250=0.004 故水平次梁選用 18a 滿足強(qiáng)度和剛度要求。（5）頂梁和底梁。頂梁所受的荷載較小，但考慮水面漂浮物的撞擊等影響，必須加強(qiáng)頂梁的剛度，所以也采用 18a。底梁也采用 18a五、主梁設(shè)計(jì)(一)

13、設(shè)計(jì)資料設(shè)計(jì)如下圖，主梁凈跨（孔口寬度）L0=11.00m;計(jì)算跨度L=11.40m；荷載跨度L1=11m.2. 主梁荷載q=98.1KN/m.3. 橫向隔間距：2.28m；4. 主梁容許撓度：w=L/600圖5 主梁位置圖（單位：m）（二）主梁設(shè)計(jì) 主梁設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：1.截面選擇；2.梁高改變；3.翼緣焊縫；4.腹板局部穩(wěn)定驗(yàn)算；5.面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力驗(yàn)算。1.截面選擇（1）彎矩與剪力。彎矩與剪力計(jì)算如下：Mmax=98.1112（11.42-114）=1591.7（kNm） Vmax=qL12=1298.111=539,6kN(2) 需要的截面抵抗矩。已知Q235鋼的容許

14、應(yīng)力s=160KN/mm，考慮鋼閘門自重引起的附加應(yīng)力作用，取容許應(yīng)力s=0.9160=144N/mm2，則需要的截面模量為W=Mmaxs=1591.71001440.1=11053.5cm(3)腹板高度選擇按剛度要求的最小梁高（變截面梁）：hmin=0.960.23sLEwL=0.960.2314410011.41002.06107(1/600)=105.57cm經(jīng)濟(jì)梁高 hec=3.1W(2/5)=3.111053.5(2/5)=128.5cm現(xiàn)選用腹板高度h0=110cm(4)腹板厚度選擇。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：tw=h/11=11011=0.95cm ，選擇用tw=1cm（5）翼緣截面選擇。

15、每個(gè)翼緣截面為 A1=W/h0-twh0/6=11053.5/110-1110/6=82.1cm2下翼緣選用（符合鋼板規(guī)格） 需要，選用b1=A1/t1 =87.8/2.0=41.05cm，選用b1=42cm(在 之間）。 上翼緣的部分截面面積可利用面板，故只需設(shè)置較小的上翼緣板同面板相連，選用t1 =2.0cm，b1=16cm。 面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為 B=b1+60=16+601.2=88cm； 上翼緣的面積為 A1=162.0+881.2=137.6cm2(6)彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。主梁跨中截面（圖6）的幾何特性見(jiàn) 表4 。截面形心矩為y1=Ay/A=15855.280/302.8=

16、52.36cm；截面慣性矩圖6 主梁跨中截面（單位：mm）I=twh03/12+Ay2=11103/12+32607463.3=32718380cm4截面模量： 上翼緣頂邊 Wmin=I/y1=32718380/52.36=624873cm3； 下翼緣底邊 Wmin= I/y2=32718380/62.84=520661cm3；彎應(yīng)力=Mmax/Wmin=1591.7100/520661=0.30kN/cm20.916=14.4kN/cm2，（安全）部位面板部分641.276.80.646.080 -51.762 123462.358 上翼緣板162.0322.683.200 -49.762

17、206024.553 腹板1101.011058.26402.000 5.838 218194.526 下翼緣422.0841119324.000 58.638 32059781.870 合計(jì)302.815855.280 32607463.307 表4(7)整體穩(wěn)定性與撓度驗(yàn)算。因主梁上翼緣直接同鋼面板相連，按設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，可不必驗(yàn)算整體穩(wěn)定性。又因梁高大于按剛度要求的最小梁高，故梁的撓度不必驗(yàn)算。2截面改變因?yàn)榱嚎缍容^大，為減小門槽寬度和支承邊梁高度（節(jié)省鋼材），有必要將主梁支承端腹板高度減小為（圖7） 圖7 主梁支撐端截面（單位：mm）圖8 主梁變截面位置圖（單位：mm）梁高開(kāi)始改變的位置

18、去載鄰近支承端的橫向隔板下翼緣的外側(cè)（圖8），離開(kāi)支承端的距離為22810 = 218 cm。剪切強(qiáng)度驗(yàn)算：考慮到主梁端部的腹板及翼緣都分別同支承邊梁的腹板及翼緣相焊接，故可按工字形截面來(lái)驗(yàn)算剪應(yīng)力的強(qiáng)度。主梁支承端截面的幾何性質(zhì)見(jiàn) 表5 。表5截面形心距 y1=8383.3/258.8=32.39cm 截面慣性矩 I0=1663/12+228995=252953cm4 截面下半部對(duì)中和軸的面積矩 S=8437.8+36.81.036.8/2=3852.32cm3 剪應(yīng)力=VmaxS/I0t=539,63852.32/2529531.0=8.22KN/cm2=9.5KN/cm2安全3.翼緣焊縫

19、翼緣焊縫厚度（焊腳尺寸）按受力最大的支承端截面計(jì)算。最大剪應(yīng)力539.6kN，截面慣性矩= 252953cm4。上翼緣對(duì)中和軸的面積矩 S1=76.831.7+3230.1=3398cm3; 下翼緣對(duì)中和軸的面積矩 S2=8437.8=3175.2cm380，故需要設(shè)置橫向加勁肋。以保證腹板的局部穩(wěn)定性。因閘門上已布置橫向隔板兼作加勁肋，其間距a=228cm。腹板區(qū)格劃分見(jiàn)圖7。梁高和彎矩都較大的區(qū)格II左邊及右邊截面的剪力分別為區(qū)格II截面的平均剪應(yīng)力為區(qū)格左邊及右邊截面上的彎矩分別為 區(qū)格的平均彎矩為區(qū)格的平均彎曲應(yīng)力為計(jì)算 計(jì)算，由于區(qū)格長(zhǎng)短邊之比為2.28/1.11,則 所以 故滿足穩(wěn)

20、定性要求，故在橫隔板之間（區(qū)格II）不必增設(shè)橫向加勁肋。再?gòu)募袅ψ畲蟮膮^(qū)格I來(lái)考慮：該區(qū)格的腹板平均高度故需要驗(yàn)算。I左邊及右邊截面的剪力分別為區(qū)格I截面的平均剪應(yīng)力為區(qū)格I左邊及右邊截面上的彎矩分別為區(qū)格I的平均彎矩為MI=MI右/2=357.5KN.m區(qū)格I的平均彎曲應(yīng)力為計(jì)算 計(jì)算，由于區(qū)格長(zhǎng)短邊之比為2.28/0.881,則 所以 故滿足穩(wěn)定性要求，故在橫隔板之間（區(qū)格I）不必增設(shè)橫向加勁肋。5、面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力的驗(yàn)算從面板計(jì)算的表格可見(jiàn)，直接與主梁相鄰的面板區(qū)格中，區(qū)格3所需面板厚度較大，這意味著該區(qū)格長(zhǎng)邊中點(diǎn)應(yīng)力也比較大，所以選取區(qū)格3來(lái)驗(yàn)算其長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力

21、。面板區(qū)格3在長(zhǎng)邊中點(diǎn)的局部彎應(yīng)力： my=kpa2t2=0.4760.03613002122=201.1(N/mm2)mx=my=0.3201.1=60.3(N/mm2)面板區(qū)格3的長(zhǎng)邊中點(diǎn)的主梁彎矩和彎應(yīng)力M=98.15.511=5935(kNm)0x=MW=5935106624.873106=9.5(N/mm2)該區(qū)格長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力zh=my2+mx+0x2-mymx+0x =201.12+(60.3-9.5)2-201.1(60.3-9.5)=181.1Nmm2=1.55160=248(N/mm2) 故面板厚度選用12mm滿足強(qiáng)度要求 。六、橫隔板的設(shè)計(jì)1荷載和內(nèi)力計(jì)算。橫隔板同時(shí)

22、兼作豎直次梁，它主要承受水平次梁、頂梁和底梁傳來(lái)的集中荷載以及面板傳來(lái)的分布荷載，計(jì)算時(shí)可把這些荷載用以三角形分布的水壓力來(lái)代替（圖1），并且把橫隔板作為支撐在主梁上的雙懸臂梁。則每片橫隔板在上懸臂的最大彎矩為 M=2.9829.23/22.282.98/3=98.64kN.m（2）橫隔板截面選擇和強(qiáng)度計(jì)算其腹板選用與主梁腹板同高，采用 1100mm 8mm ，上翼緣利用面板，下翼緣采用200mm 8mm 的扁鋼。上翼緣可利用面板寬度按確定，其中b= 2280mm ,按 l0/b=22980/2280=2.61，從表查得有效寬度系數(shù)2=0.59，則B=0.592280=1345.2mm，取B=

23、1300mm 計(jì)算如 圖9 所示的截面幾何特性。截面形心到腹板中心線的距離為e =130012556-2008554/（130012+2008+11008）=299.5mm截面慣矩為I=8110003/12+8200853.52+81100299.52+121300256.52=89031405104mm4截面模量為 Wmin=89031405104/858.5=1037057715mm3驗(yàn)算彎應(yīng)力為 =M/Wmin=98.64106/1327628=74.3N/mm2 圖9 橫隔板截面（單位：mm）由于橫隔板截面高度較大，剪切強(qiáng)度更不必驗(yàn)算。橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度6mm七、縱向連接系

24、1、荷載和內(nèi)力計(jì)算縱向連接系承受閘門自重。露頂式平面剛閘門門葉自重G按附錄十一中的式計(jì)算G=0.012KzKcH1.65B1.859.8KN=0.01211101.65111.85=443.6(kN)下游縱向連接系承受 0.4G=0.4443.6=266KN縱向連接系視作簡(jiǎn)支的平面桁架，其桁架腹板桿布置如 圖10所示，其結(jié)點(diǎn)荷載為 266/5=53.2（kN）桿件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如 圖10 所示。圖10 縱向連接系計(jì)算圖（單位：mm）2斜桿截面計(jì)算。斜桿承受做大拉力N =240KN. 同時(shí)考慮閘門偶然扭曲時(shí)可能承受壓力，故長(zhǎng)細(xì)比的限制應(yīng)與壓桿相同，即 =200 選用單角鋼L11010, 由附錄三查

25、得 截面面積 A=15.6cm2=2130mm2回轉(zhuǎn)半徑 i=1.98cm=21.7mm ； 斜桿計(jì)算長(zhǎng)度 l=0.9=2.92m 長(zhǎng)細(xì)比 =l0/iy0=2.92103/21.7=137=200 驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度 =240103/2130=112.7N/mm20.85=133N/mm2 考慮到單角鋼受力偏心的影響，將容許應(yīng)力降低15%進(jìn)行計(jì)算。3斜桿與結(jié)點(diǎn)板的連接計(jì)算（略）八、邊梁設(shè)計(jì)由于為大孔口，行走支承采用滾輪式。所以這里用雙腹式組合邊梁。邊梁的截面尺寸按構(gòu)造要求確定，梁高660mm，下翼緣用兩個(gè)180mm20mm的扁鋼做成。腹板厚度20mm。邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，做設(shè)

26、計(jì)時(shí)將容許應(yīng)力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲(chǔ)備。1、 荷載和內(nèi)力計(jì)算 滾輪采用等荷載布置，在每個(gè)邊梁上分別布置5個(gè)大小相等的圖11 邊梁截面（單位：mm）主輪。每個(gè)主輪位于主梁后面。每個(gè)主輪受力為1080kN。具體計(jì)算根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器求解得最大彎矩Mmax=900kN/m最大剪力Vmax=731kN最大軸向力為作用在邊梁上的一個(gè)起吊力，估為350kN（詳見(jiàn)后面）在最大彎矩作用截面上軸向力為：N=350-7310.1=227kN 圖12 邊梁計(jì)算圖2.邊梁強(qiáng)度驗(yàn)算截面面積A=60020+660202+180220=45600(mm2)面積矩 Smax=20600340+660203302

27、+180203402=15240000(mm3)截面慣性矩 I=20660/12+60020340+180202340=2837400000mm4 截面模量 W=2837400000/330=8598181 mm3 截面邊緣最大應(yīng)力驗(yàn)算max=N/A+Mmax/W=2271000/45600+9001000000/8598181=109N/mm20.8=126N/mm2腹板最大應(yīng)力驗(yàn)算 =VmaxSmax/Itw=73110015240000/（283740000020）=20N/mm20.8=76 N/mm2腹板與下翼緣連接處折算應(yīng)力驗(yàn)算 max=N/A+Mmax/W.y/y=2271000

28、/45600+9001000000/8598181（330/350）=104 N/mm2 = VmaxSi/Itw=731100060020340/（283740000020）=52.556N/mm2 zh=124.60.8=128N/mm2 以上驗(yàn)算均滿足強(qiáng)度要求。九、行走支承設(shè)計(jì)采用滑動(dòng)式滾輪支承，軸孔采用滑動(dòng)軸承，輪徑D=400mm,寬度b=100mm,輪軸直徑d=120mm,軸套工作長(zhǎng)度b1=200mm，；輪子材料用普通碳素鑄鋼。滾輪驗(yàn)算圓柱形滾輪與平面軌道接觸應(yīng)力： max=0.418PlEbR=7310002.06105100200 =1146Nmm23fy=3390=1170Nmm2Pl：一個(gè)輪子的計(jì)算壓力，N ；b、R：輪緣寬度和輪半徑，mm；E：材料的彈性模量，N/mm2；fy：屈服強(qiáng)度，N/mm2。軸和軸套間接觸應(yīng)力：cg=Pldb1=731000120200=30.45Nmm2cg=50Nmm2d：軸的直徑，mm；b1：軸套的工作長(zhǎng)度，mm；cg：滑動(dòng)軸套的容許應(yīng)力，N/mm2。輪軸與軸承板間局部承壓應(yīng)力cj=Ndt=36550012040=76.1Nmm2cj=80Nmm2N：軸承板所受的壓力（N=Pl/2），N；t：軸承板疊總厚度，mm；cj：容許應(yīng)力，N/mm2。以上計(jì)算均滿足強(qiáng)度要求。