露顶式平面钢闸门设计答案.docx
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露顶式平面钢闸门设计答案
露顶式平面钢闸门设计说明书
一、设计资料
1闸门型式:
露顶式平面钢闸门
2孔口净宽:
8.0m
3设计水头:
7.0m
⑷结构材料:
Q
235AF
⑸焊条:
焊条采用
E
43型手工焊
⑻止水橡皮:
侧止水用MCS2
合胶木为
P
型橡皮,底止水用条形橡皮;行走支承:
采用胶木滑道,压
⑼混泥土强度等级:
C20
⑾规范:
《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL74-1995)
二、闸门结构的型式及布置
1.闸门尺寸的确定:
⑴闸门高度:
考虑风浪所产生的水位超高为0.2m,故闸门高度5.2+0.2=5.4m
⑵闸门的荷载跨度为两侧止水间的间距L
D
=8.0m
⑶闸门计算跨度L=L0+2d=8+2×0.3=8.6m
2.主梁的型式
主梁的型式应根据水头和跨度大小而定,本闸门属于中等跨度(L=5~10),为了便于制造和维护,采用实腹式组合梁,焊接组合截面。
3.主梁的布置
L8.6
根据闸门的高垮比H=5.2=1.65>1.55,决定采用双主梁,为使两根主梁在设计水位时所受水
H5
压力相等,两根主梁的位置应对称于水压力合力的作用线y=3=3=1.67m,并要求下悬臂a≥0.12H和a≥0.4m,上悬臂c≤0.45H和c<3.6m。
且使底主梁到底止水的距离尽量符合底缘布置要求(即α>30°),先取a=0.12H=0.6m,则主梁间距:
2b=2(y-a)=2×(1.67-0.6)=2.14m
4.梁格的布置和形式
格采用复式布置和高等连接,三根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,其间距上疏下密,面板各区格所需要的厚度大致相等。
梁格的布置及具体尺寸
如下图所示:
5.联结系
的布置和形
式
(1)横向
联结
系:
根据
主梁
的跨
8.6
度,采用布置3道横隔板,横隔板兼作竖直次梁,其横向联结间距为L=m
4
=2.15
(2)纵向联结系:
采用斜杆式桁架,布置在两根主梁下翼缘的竖平面内,并设有4根等肢角钢的斜杆。
6.边梁与行走支承
=2.76KN/m
2
采用单腹式边梁,行走支承采用双股式滚动行走支承。
三、面板设计
1.估算面板厚度
假定梁格布置如图所示,面板厚度由公式t=a
kp0.92
,且tmax-tmin≤2mm
当b/a≤3时,α=1.5,则t=a
kp
0.91.5160
0.068a
kp
kp
当b/a>3时,α=1.4,则t=a
0.07a
0.91.4160
现列表计算如下:
kp
格区
a(mm)
b(mm)
b/a(mm)
k(mm)
P(N/mm
2)
kp
t(mm)
Ⅰ
1500
2150
1.43
0.537
0.0076
0.064
6.53
Ⅱ
960
2150
2.24
0.491
0.020
0.099
6.46
Ⅲ
850
2150
2.53
0.500
0.028
0.118
6.82
Ⅳ
660
2150
3.26
0.500
0.036
0.134
6.19
Ⅴ
630
2150
3.41
0.500
0.042
0.145
6.39
Ⅵ
600
2150
3.58
0.750
0.048
0.190
7.98
注:
区格Ⅰ,Ⅵ中系数k按三边固定一边简支查表得
根据计算结果,选用面板厚度t=8mm
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、底梁都是支承横隔板的连续梁,作用在上面的水压力按q=p计算列表如下:
a上a下2
计算
梁号
梁轴线水
压强度p
(KN/m2
梁间距
(m)
a上a下2
(m)
q=p
a上a下2
(m)
备注:
顶梁荷载按下图下式计算
1(顶梁)
)
(mm)
2.76
1.3014.71.30
R=23
1.50
1.50
2
14.70
1.230
18.08
0.96
3(上主梁)
24.11
0.905
21.82
0.85
4
32.44
0.755
24.49
0.66
5
38.91
0.645
25.10
0.63
6(下主梁)
45.08
0.615
27.72
0.60
7(底梁)
50.96
0.300
15.29
2
22
4
l01720
l0860
224
据表中结果,水平次梁计算荷载取最大值25.10KN/m,水平次梁为四跨连续梁,跨度为2.15m。
水平次梁计算结构简图及弯矩图如下:
水平次梁边跨中的正弯矩为:
M
次中
=0.077qL=0.077×25.10×2.15=8.93KN/m
支座B处的负弯矩为:
M次B=0.107ql=0.107×25.10×2.15
2
=12.42KN/m
2、截面选择
M
=
12.4210160
6
=77625mm
3
考虑利用面板作为次梁截面的一部分,初选槽钢14a由附表查得:
A=1851
mm;WX=80500mm;I
X
=5637000mm;b1=58mm;d=6mm
面板参加次梁翼缘工作的有效宽度按下式计算,然后取最小值。
B≤b1+60t=58+60×8=538mm
B=ξ1b(对跨间正弯矩段);
B=ξ2b(对支座负弯矩段);
(b1+b2)660+630
按5号梁进行计算,设该梁平均间距b=
2
=
2
=645mm,对于第一跨中正弯
矩段,零点之间的距离:
l00.8l0.821501720mm,对于支座负弯矩段取:
l00.4l0.42150860mm,根据L
0
/b查表2—1;
由2.667得ξb645
1
=0.80,则B=ξ
1
b=0.80×645=516mm
由
1.333得ξ2=0.380,则B=ξ2b=0.380×645=245mmb645
对于第一跨中,选用B=516mm,则水平次梁的组合截面积:
A=1851+516×8=5978mm
2
组合截面形心到槽钢中心线的距离:
516×8×74
e=
5978
=51mm
跨中组合截面的惯性矩及截面模量为:
Ι
次中
=5637000+1851×51+516×8×23=12635136mm,W
min
=
22
2
w1
''
3
35
5
2
3
12635136
121
=104423mm
2
组合截面形心到槽钢中心线的距离:
516×8×74
e=
5978
=51mm
对于支座段,选用B=245mm,则水平次梁的组合截面积:
A=1851+245×8=3811mm
2
245×8×74
组合截面形心到槽钢中心线的距离:
e=
3811
=38mm
支座处截面的惯性矩及截面模量为:
Ι
次B
=5637000+1851×38+245×8×36=10850004mm
4
10850004
W
min
=
108
=100463mm
2
2.水平次梁的强度验算
支座B处弯矩最大,截面模量也较大,跨中弯矩小,故两处截面的抗弯强度都需要验算。
次中
=
M次中
Wmin
=
8.9310104423
6
=85.52N/mm<=160N/mm
2
次B
=
M次B
Wmin
=
11.7810100463
6
=123.63N/mm
2
<=160N/mm
2
综上可知水平次梁选用[14a满足弯应力强度要求。
3.水平次梁的扰度验算
水平次梁为受均布荷载的四跨连续梁,其最大扰度发生在边跨,已求得M
次B
=12.42
KN/m,Ι次B=10850004mm
4
,四跨连续梁k0.0063,==0.004
L250
w
L
=k
''
ql0
E次B
=0.0063×
25.102.15102.06101085.004
w
=0.0007<=0.004,满足挠度要求。
L
4.顶梁和底梁
底梁计算简图和弯矩图
M
支座
=0.107ql
2
=0.107×15.29×2.15=7.56KN·m
W需=
M支座
=
7.5610160
6
47250mm47.25cm
3
选用[12σW=62.137cm
3
>W需=47.25cm
3
2
2
3
35
5
2
2
2
3
35
5
11p
2
2
1
3
底梁弯应力强度验算:
=
M支座
Wy
7.561062.137
3
121.67N/mm<=160N/cm,满足弯应力要求。
底梁刚度验算:
w
L
=k
''
ql
E次B
=0.0063×
15.292.15102.0610391.466
w
=0.00119<=0.004满足刚度要求。
L
顶梁采用和底梁相同的槽钢即[12σ,顶梁弯应力强度验算:
M
支座
=0.107ql
2
=0.107×2.76×2.15=1.37KN·m
=
M支座
Wy
1.371062.137
3
22.05N/mm<=160N/cm满足应力强度要求。
顶梁的刚度验算:
w
L
=k
''
ql
E次B
=0.0063×
2.762.15102.0610391.466
w
=0.00021<=0.004满足刚度要求。
L
五、主梁设计
(一)已知条件
(1)主梁跨度:
净跨度l1
=8.0m,计算跨度L=8.6m,荷载跨度l=8.0m
(2)主梁荷载:
P=
H=×9.8×5.0=122.5KN/m,q==61.25KN/m222
(3)横隔板间隔:
2.15m。
w1
(4)主梁容许绕度:
=。
L600
(二)主梁设计
1.截面选择
(1)主梁内力分析如图:
主梁简支于边梁上,最大弯矩在跨中,最大剪力在支承处
M
max
=
ql
4
(L
l
2
)=
61.25864
(8.6
8
2
)563.5KN·m
V
max
=
1
2
ql61.258245KN2
(2)需要的截面抵抗矩(考虑闸门自重引起的附加应力的影响)
W
=
Mmax0.92
563.5100.92160
3828cm
3
(3)腹板高度h
0
选择(刚度条件求得最小梁高h
min
)
2
5
w0
34.52
hh
2
2
hmin
=0.96×0.208×
LEW/L
0.96×0.208×
1608.6100.922.06101/600
73.62cm
hec
=3.1
W
2/5
=3.1×
3828
2/5
84.05cm
经济梁高选取的梁高h一般应大于hmin但比hec稍小,故应选取h=80cm。
(4)腹板厚度选择:
腹板厚度t
w
=
h
11
=
80
11
0.81,选t
w
=1.0cm
(5)翼缘截面选择:
每个翼缘所需截面为:
A1=
Wth38281.080
h06806
=34.52cm
2
下翼缘选用t
1
2.0cm,b1
A1
t1
17.26cm,因此需要选用b125cm。
(在2
3216cm之间),上翼缘的部分截面面积可利用面板,故只需设置较小的上翼2.55
缘板同面板相连,选用t
1
2.0cm,b114cm。
面板兼做主梁上翼缘的有效宽度B=b1
+5t=14+50×0.8=54cm
上翼缘截面面积A1
142.0540.871.2cm
2
(6)弯应力强度验算:
主梁跨中截面的几何特性如下表;
部位
截面尺寸
cm
截面面积
cm
各形心离面板表面距离y'
Ay'
各形心离中心轴距离y=y'-
y
Ay2
面板部分
54×0.8
43.2
0.4
17.28
-37.78
61660.59
上翼缘板
14×2.0
28.0
1.8
50.4
-36.38
37058.12
腹板
80×1.0
80
42.8
3424
4.62
1707.55
下翼缘板
25×2.0
50
83.8
4190
45.62
104059.22
合计
201.2
7681.68
204485.48
主梁跨中截面形心距面板表面的距离y1=
Ay'
A
=
7681.58
201.2
38.18cm
3
3
4
247152
247152
2
2
3
3
4
2
3
w
3
4
80235
截面惯性矩为:
I
twh0
12
Ay
2
1.080
204485.48247152cm截面抵抗矩为:
12
上翼缘顶边Wmax
下翼缘底边Wmin
I
y1
I
y2
6473cm
38.18
5910cm
41.82
2
2
弯应力
M
M
max
min
563.51005910
9.53KN/cm<0.92×23=21.16KN/cm,安全
(7)主梁支承端剪应力强度验算
S1540.841.820.41789.34cm,S214241.821.81120.56
SS
1
S
2
1789.341120.562909.9cm
3
VmaxS
Itw
245102909.910247152101.0
3
28.85N/mm<95N/mm
2
(8)整体稳定与刚度验算。
因主梁上翼缘直接同钢面板相连,按《钢结构设计规范》(GB50017—2003)规定可不必验算其整体稳定性。
又因梁高大于按刚度要求的最小梁高,故梁的刚度也不必验算。
2.翼缘焊缝
上翼缘对中和轴的面积矩S
上
Ay43.237.782836.382650.74cm
3
下翼缘对中和轴的面积矩S下5045.622281cm<S
上
需要焊缝厚度h
f
VmaxS上1.4f
245102650.74101.42471521080
3
2.35cm1.5t
max
0.67cm
因此全梁上、下翼缘焊缝均取h
f
9mm。
3.腹板的加劲肋和局部稳定验算
加劲肋的布置:
h0
tw
80>8066,因此需设置横加劲肋,以保证腹板1.0345
2
(2.15-0.3)
4
235
2
1.195
2
1.37
c
2
2
的局部稳定性。
因闸门上已布置横向隔板可兼作横向加劲肋,其间据a=2150mm。
腹板区格划分如图:
区格I左边及右边的截面剪力分别为vI左245KN
v
I右
245-61.25(2.15-0.3)131.69KN,区格
I截面平均剪力为
(v
I左
vI右
h0tw
)/2
(245131.69)/2801.0
23.5N/mm
2
区格I左边及右边截面上的弯矩分别为M
I左
0,
M
I右
2452.15-61.25
2
421.95KN·m
区格I的平均弯矩:
MI
M
左
M
2
右
0421.952
210.98KN·m
区格I的平均弯应力:
I
MIy
I
0
210.98353.81024715210
6
30.21N/mm
2
b
h0
177t
w
fy
235
=
801771.0
0.45<0.85235
cr160N/mm
2
计算
cr
由区格长短边之比为2.15/1.15=1.87>1.0
s
h0/tw415.344(h0
/a)
2
fy
235
80/1.0
415.344(115/215)
2
235
235
0.8<1.2
cr
1.1s
255.68N/mm;c0
cr
2
crc.cr
30.2123.516055.68
2
00.213<1.0满足局稳要求,在
区格Ⅰ的横隔板之间不必再增设加劲肋。
区格II左边及右边的截面剪力分别为
v
II左
245-61.25(4-2.15)131.688KN
,vII右0
区格II截面平均剪力为
(v
II左
vII右
h0tw
)/2
(131.6880)/2801.0
0.82KN/cm8.2N/mm
2
2
4
2
t
2
6
2
2
22
区格II左边及右边截面上的弯矩分别为
MII左2452.1561.25(42.15)/2421.95KN·m,MII右Mmax563.5KN·m
区格II的平均弯矩:
MII
M
II左
M
2
II右
563.5421.95
2
492.725KN·m
区格II的平均弯应力:
I
MIIy
I
0
492.725353.81024715210
6
70.53N/mm
2
cr
2
cr
cc.cr
70.538.216072.57
2
00.207<1.0
故在区段II的横隔板之间不必再增设加劲肋。
六、面板参加主(次)梁工作的折算应力验算
1.主(次)梁截面选定后,还需要按式8-4(p276)验算面板局部弯曲与主次梁整体弯曲的折算应力。
因水平次梁的截面很不对称,面板参加水平次梁翼缘整体弯曲的应力
与其参加主梁翼缘工作的整体弯曲应力要小的多,故只需验算面板参加主梁工作是的折算应力。
由前文的面板计算可见,直接与主梁相邻的面板区格,只有区格Ⅵ所需要的板厚较大,这意味着该区格的场边中点应力也较大,所以选取区格Ⅵ按式8-4验算其长边中点的折算应力。
面板区格Ⅵ在长边中点的局部弯曲应力为
my
kpa
2
2
0.750047600
8
2
198.3N/mm
2
mxmy0.3198.359.5N/mm
2
对应于面板区格Ⅵ的长边中点的主梁弯矩和弯应力为
M61.2543.225
61.252.9252
2
528
KN·m
M
52810
81.57N/mmcr
W
6473
面板区格Ⅵ的长边中点的折算应力为
2
zh
my(mxox)
2
my(mxox)
=
198.3(59.581.57)
2
198.3(59.581.57)176.78N/mm
2
zh
=176.78N/mm<1.1×1.4×160=246.4N/mm故面板厚度选用8mm,满足强度要求。
3
4
22
2
0.88
1.430.88
2.面板与梁格连接焊缝计算
面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力P,已知面板厚度t=8mm,并且近似地
取板中最大弯应力
max
==160
N
mm
2
则
p0.07tmax0.07816089.6N/mm
面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力
vs
2I0
245105408377.8224715210
80.89N/mm
2
面板与主梁连接焊缝厚度h
f
p0.7w
89.680.890.7160
2
1.08mm
故面板与梁格的连接焊缝取其最小厚度hf6mm
七、横向连接系-横隔板(竖向次梁)设计
隔板高度取与主梁相同的高度定为800mm,隔板厚度与主梁腹板厚度一致取20mm上翼缘利用面板不设,下翼缘采用b=100―200mm,厚度t=10―12mm的扁钢,即规定b=140mm,t=10mm的扁钢。
由构造要求确定的尺寸其横隔板的应力很小,故可以不进行强度验算。
八、纵向联结系设计
1、纵向联结系承受闸门自重,露顶式平面钢闸门的自重G按下式计算
即,G9.8k
2
k
c
k
G
H
1.43
B
0.88
,式中k
2
1.0,