水工钢结构课程设计.doc

水工钢结构课程设计

水工钢结构课程设计
某节制闸工作闸门的设计

姓 名： 学 院：
专业班级： 学 号：
组 号： 指导教师：
设计日期： 2015年1月5日—2015年1月9日

华北电力大学（北京）
可再生能源学院
目录
水工钢结构课程设计 0
一、 课程设计任务与要求 3
二、 设计资料 3
三、 闸门结构形式及布置 3
1. 闸门尺寸的确定 3
2. 主梁的数目及形式 4
3. 主梁的布置 4
4. 梁格的布置及形式 4
5. 连接系的布置和形式 4
6. 边梁与行走支撑 5
四、 面板设计 5
1. 估算面板厚度 5
2. 面板与梁格的连接计算 6
五、 水平次梁，顶梁和底梁的设计 6
1. 荷载与内力验算 7
2. 截面选择 8
3. 水平次梁的强度验算 9
4. 水平次梁的挠度验算 10
5. 顶梁和底梁 10
六、 主梁设计 10
1. 设计资料 10
2. 主梁设计 10
（1） 截面选择 10
（2） 截面改变 13
（3） 翼缘焊缝 14
（4） 腹板的加筋肋和局部稳定性验算 14
（5） 面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算 16
七、 横隔板设计 16
1. 荷载和内力计算 16
2. 横隔板和截面选择和强度验算 17
八、 纵向连接系设计 18
1. 荷载和内力计算 18
2. 斜杆截面计算 18
九、 边梁设计 19
1. 荷载和内力计算 19
2. 边梁强度验算 20
十、 行走支承设计 21
十一、 胶木滑块轨道设计 21
1. 确定轨道底板宽度 21
2. 确定轨道底版厚度 22
十二、 闸门启闭力和吊座验算 22
1. 启门力 22
2. 闭门力 23
3. 吊轴和吊耳板验算 23
十三、 参考文献 24

一、 课程设计任务与要求
1、 《钢结构》课程设计的任务为某节制闸工作闸门的设计。
2、 要求根据钢闸门设计规范与要求，设计出合理、可行的平面定轮钢闸门。
二、 设计资料
某供水工程，工程等级为1等1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SL74-95《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：宽为，高为；
底槛高程：；
正常高水位：；
设计水头：；
门叶结构材料：Q235A。
三、 闸门结构形式及布置
1. 闸门尺寸的确定
闸门高度：（安装顶止水构造要求取）

闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：
闸门计算跨度：

图 1 闸门尺寸图（m）
2. 主梁的数目及形式
主梁是闸门的主要受力构件，其数目主要取决于闸门的尺寸。因为闸门跨度，闸门高度，。所以闸门采用3根主梁。本闸门属于中等跨度，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
本闸门为潜孔式闸门，按公式

计算，（其中，为水面至门顶止水的距离）
经计算：

设计时按最下面的那根受力最大的主梁来设计，各主梁采用相同的截面尺寸。
4. 梁格的布置及形式
梁格采用复式布置与等高连接，水平次梁穿过横隔板所支承。水平梁为连续梁，间距应上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等。
5. 连接系的布置和形式
横向连接系，根据主梁的跨度，决定布置3道隔板，其间距为，横隔板兼作竖直次梁。
纵向连接系，设在两个主梁下翼的竖平面内，采用斜杆式桁架。
6. 边梁与行走支撑
边梁采用单腹式，行走支撑采用胶木滑道。

图 2 闸门尺寸布置图（mm）
四、 面板设计
根据《钢闸门设计规范SDJ—78（试行）》关于面板的设计，先估算面板厚度，在主梁截面选择以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图2所示。面板厚度按下式计算

当时，，则
当时，，则
现列计算表计算如下：
表 1 面板厚度的估算
区格

I
1810
1790
0.989
0.328
0.04988
0.127909
15.74
II
1355
1790
1.321
0.455
0.06674
0.174260
16.06
III
1295
1790
1.382
0.461
0.08075
0.192940
16.99
IV
1075
1790
1.665
0.484
0.09339
0.212605
15.54
V
845
1790
2.118
0.500
0.10383
0.227849
13.09
VI
760
1790
2.355
0.718
0.11255
0.284273
14.69
注：1.面板边长都从面板与梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽度为;
2.区格Ⅰ-Ⅵ中系数由三边固定一边简支板查得。
根据上表计算，选用面板厚度。
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拉力表达式按式

计算，已知面板厚度，并且近似地取板中最大弯应力

则

面板与梁格连接焊缝厚度的计算见后文。
五、 水平次梁，顶梁和底梁的设计
1. 荷载与内力验算
水平次梁和顶，底梁都时支承在横隔板上地连续梁，作用在它们上面的水压力可
按下式计算，即

表 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
梁间距

1(顶梁）
40.18

8.35
1.93
2（主梁）
59.09
1.695
100.16
1.46
3（水平次梁）
73.40
1.430
104.96
1.40
4（主梁）
87.12
1.290
112.38
1.18
5（水平次梁）
98.69
1.065
105.10
0.95
6（主梁）
108.00
0.890
96.12
0.83
9（底梁）
116.13
0.515
59.81

顶梁荷载按下图计算：

图 3 顶梁荷载计算图
根据计算，水平次梁计算荷载取，水平次梁为4跨连续梁，跨度为，水平次梁弯曲时的边跨弯距为:

支座B处的负弯距：

图 4 水平次梁计算简图和弯矩图
2. 截面选择

考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选,由附录三表四查得：
。
面板参加次梁工作的有效宽度分别按下式计算，然后取其中较小值。
;
(对跨间正弯距段)
(对支座负弯距段)
按5号梁计算，设梁间距
对于第一跨中正弯距段
对于支座负弯距段
根据查表：
对于得，得,
对于得，得,
对第一跨中选用B＝564mm,则水平次梁组合截面面积见下图
面积为
组合截面形心到槽钢中心线得距离：

跨中组合截面的惯性距及截面模量为：

图 5 面板参加水平次梁工作后的组合截面（mm）
对支座段选用，则组合截面面积：;
组合截面形心到槽钢中心线得距离：

支座初组合截面的惯性距及截面模量为：

3. 水平次梁的强度验算
由于支座B处处弯距最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即

说明水平次梁选用满足要求。
轧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，最大挠度发生在便跨，由于水平次梁在B支座处截面的弯距已经求得M次B=19.41kN∙m,则边跨挠度可近似地按下式计算：

故水平次梁选用满足强度和刚度要求。
5. 顶梁和底梁
为方便计算与订购材料，顶梁和底梁也采用。
六、 主梁设计
1. 设计资料
（1） 主梁跨度：净跨（孔口净宽）；计算跨度；荷载跨度。
（2） 主梁荷载：
（3） 横向隔板间距：。
（4） 主梁容许挠度：。
2. 主梁设计
主梁的设计内容包括：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应力验算。
（1） 截面选择
a) 弯距和剪力。弯距与剪力计算如下：
弯距：
剪力：
b) 需要的截面模量
已知Q235A钢的容许应力,考虑钢闸门自重引起附加应力的影响，取容许应力则需要的截面模量为：

c) 腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为：

经济梁高：
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为小，但不小于。现选用腹板高度。
（4） 腹板厚度选择
选用。
e) 翼缘截面选择：每个翼缘需要截面为

下翼缘选用（符合钢板规格），
需要取,
上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的翼缘板同面板相连，选用

面板兼作主梁上翼缘的有效高度为。
上翼缘截面面积。
f) 弯应力强度验算.主梁跨中梁面的几何特性见下表
表 3 主梁跨中截面的几何特性
部位
截面尺寸

截面面积

各形心离面板表面距离

各形心离
中和轴距离

面板部分

197.2
0.85
167.62
-33.65
223294
上翼缘板

28.0
2.7
75.60
-31.80
28315
腹板

100.0
53.7
5370.00
19.20
36864
下翼缘
.0
80.0
104.7
8376.00
70.20
394243
合计

405.2

13989.22

682716
主梁跨中截面见下图
截面形心距：

截面惯性距：

图 6 主梁跨中截面（mm）
截面模量：上翼缘顶边
下翼缘底边
弯应力：（安全）
g) 整体稳定性与挠度验算。
因主梁上翼缘直接同面板相连，可不必验算整体稳定性，因梁高大于按高度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。
（2） 截面改变
因主梁跨度较大，为减小门槽宽度与支承边梁高度（节约钢材），有必要将主梁承端腹板高度减小为。改变后，主梁跨中截面见下图。

图 7 主梁支撑端截面（mm）
梁高开始改变的位置取在临近支承端的横向隔板下翼缘的外侧，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。可按工字型截面来验算剪应力强度，主梁支承端面的几何特性见表4.
表 4 主梁端部截面的几何特性
部位
截面尺寸

截面面积

各形心离面板表面距离

各形心离
中和轴距离

面板部分

197.2
0.85
167.62
-19.55
75370
上翼缘板

28.0
2.7
75.60
-17.70
8772
腹板

60.0
33.7
2022.00
13.30
10613
下翼缘

80.0
64.7
5176.00
44.30
156999
合计

365.2

7441.22

251755
截面形心距：
截面惯性距：
截面下半部对中和轴的面积矩：

因误差未超过10％，安全
（3） 翼缘焊缝
翼缘焊缝厚度按受力最大的支承端截面计算。
，
上翼缘对中和轴的面积距：
下翼缘对中和轴的面积距：
需要
角焊缝最小厚度。
全梁的上下翼缘焊缝都采用。
（4） 腹板的加筋肋和局部稳定性验算
因故需设置横向加劲肋，以保证腹板局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距。腹板区格划分见下图。

图 8 主梁变截面位置图（mm）
梁高与弯矩都较大的格局可按式验算。
区格Ⅱ左边及右边截面的剪力分别为

区格Ⅱ截面的平均剪应力为

区格Ⅱ左边及右边截面上的弯矩分别为

区格Ⅱ的平均弯矩为

区格Ⅱ的平均弯应力为

计算，由于区格长短边之长为，采用下式计算：

将以上数据代入验算式：
（满足局部要求）
故在横隔板之间区格不应增设横加劲肋。
再从剪力最大的区格Ⅰ来考虑：
该区格的腹板平均高度，不必验算，故在梁高减小的区格Ⅰ内也不必另设横向劲肋。
（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Ⅲ所需要的板厚较大，这就意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选择区格Ⅲ按下列验算其长边的折算应力。

对应于面板区格Ⅲ的长边中点的主梁弯距和弯应力：

该区格长边中点的折算应力

故面板厚度选用17mm满足强度要求。
七、 横隔板设计
1. 荷载和内力计算
如图3所示，水平次梁为4跨均布连续梁，R可看作它所受的最大剪力，由规范表查知：作用于竖直次梁上由水平荷载传递的集中荷载：

取

2. 横隔板和截面选择和强度验算
腹板选用与主梁腹板同高，采用，上翼缘利用面板，下翼缘采用的扁钢，上翼缘可利用面板的宽度公式按式确定。
查表得
，取。
横隔板截面如下图所示

图 9 横隔板截面（mm）
截面几何特性截面型心到腹板
中心线距离：
截面惯性距：

，
验算应力：

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。
八、 纵向连接系设计
1. 荷载和内力计算
纵向联结系承受闸门自重，潜孔式平面滚轮闸门的自重可按附录十一估算，即：
下游面纵向联结系按承受计算。纵向联结系按支承边梁上的简支平面桁架设，其腹杆布置形式如下图所示，节点荷载为

图 10 纵向连接系计算图（mm）
2. 斜杆截面计算
斜杆承受最大拉力

同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故其长细比的限值取与压杆相同即
选用单角钢，由附录三表2查得

斜杆的计算长度
长细比

0.85为考虑单角钢受力偏心影响的容许应力折减系数。
九、 边梁设计
边梁的截面形式采用单腹式，见下左图，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，下翼缘宽度不宜小于。
边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时将容许应力值降低20％作为考虑受扭影响的安全储备。
图 11 边梁截面（mm）

图 12 边梁计算图
1. 荷载和内力计算
在闸门每侧边梁上各设3个胶木滑块，其布置见上右图
（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荷载为
（2） 竖向荷载
有闸门自重，滑道摩阻力，止水摩阻力，起吊力等。
上滑块所受压力

最大弯矩

最大剪力

最大阻力为作用于一个边梁上的起吊力，估计为，用进行强度验算

2. 边梁强度验算
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

腹板与下翼缘连接处则算应力验算

，

但不超过，满足强度要求。
十、 行走支承设计
胶木滑块计算：滑块受力最大值为，设滑块长度为，则滑块单位长度承受压力根据上述，查表得轨顶弧面半径，轨头设计宽度为，胶木滑块与规定弧面的接触应力验算
。
选定胶木高，宽，长。
十一、 胶木滑块轨道设计
1. 确定轨道底板宽度
轨道底板宽度按砼承压强度确定，查表得：砼允许承压应力为，则所需轨道底板宽度为
取
故轨道底面压应力

胶木滑块支承轨道截面见下图

图 13 胶木滑块支撑轨道截面
2. 确定轨道底版厚度
轨道底板厚度δ按其弯曲强度确定，轨道底版的最大弯应力

轨道底板悬臂长度，对于A3查表得
故所需轨道底板厚度
，故。
十二、 闸门启闭力和吊座验算
1. 启门力

其中闸门自重
滑道摩阻力
止水摩阻力
下吸力底止水橡皮采用I110—16型，其规格为宽，长，底止水沿门跨长，根据规范SDJ13—78，启门时闸门底缘平均下吸强度一般按计算，则下吸力：
故闸门启门力：
2. 闭门力

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多腹式，加上增设滚轮等设备。则总造价增加较多。为此，宜考虑采用一个重量为的加载梁，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
采用Q235号钢，查得,采用双吊点，每边启吊力为：
吊轴每边剪力：
需吊轴截面积：由
有：取，
（2） 吊耳板强度验算
按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按下式计算，查表得A3得
固在边梁腹板上端部的两侧各焊一块为的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为，
吊耳孔壁拉应力计算：
，吊耳板直径,轴孔半径，由表查得：，故孔壁拉应力

但在10%范围内，故符合要求。
十三、 参考文献
[1]《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
[2]《钢结构设计规范》（GB50017-2003），中国计划出版社，2003年10月第1版.
[3]《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.
[4]《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.
[5]《水工钢结构》，中国水利水电出版社，2008年5月第4版.
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