水工钢结构课程设计拦污栅及钢闸门.docx

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1、课 程 设 计 说 明 书 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、

2、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 横隔板截面选择和强度计算. - 18 - 8 纵向连接系设计 . - 19 - 8.1 荷载和内力计算。. - 19 - 8.2 斜杆截面计算. - 19 - 9 边梁设计. - 20

3、- 91 荷载和内力计算。. - 21 - 9.2 边梁的强度验算. - 22 - 10 行走支梁设计 . - 23 - - 1 - 课 程 设 计 说 明 书 11.胶木滑块轨道设计. - 23 - 11.1 确定轨道底板的宽度. - 23 - 11.2 确定轨道底板厚度. - 24 - 12 闸门启闭力和吊座计算 . - 24 - 12.1 启门力计算. - 24 - 12.2 闭门力计算. - 25 - 12.3 吊轴和吊耳验算. - 26 - 13 拦污栅的设计 . - 27 - 13.1 拦污栅的形式和构造. - 27 - 13.2 栅面结构. - 28 - 13.3 栅栏整体稳定性

4、验算. - 29 - 结 论 . - 31 - 参考文献. - 32 - 课程设计成绩评定表. - 33 - - 2 - 课 程 设 计 说 明 书 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 - 3 - 课 程 设 计 说 明 书 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

5、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。 - 4 - 课 程 设 计 说 明 书 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面，露顶式闸门设计内容包 括：闸门的结构形式和布置，闸门

6、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。 - 5 - 课 程 设 计 说 明 书 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 9 m *高4.5 m 上游水位：

7、 4.3 m 下游水位： 0m 闸底高程： 0m 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 1974-2005 2.2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：2m 3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=4.5+0.2m=4.7m； - 6 - 课 程

8、 设 计 说 明 书 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 - 7 - 课 程 设 计 说 明 书 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 主梁的间距：2b=2（y-a）

9、=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 边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑

10、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， - 8 - 课 程 设 计 说 明 书 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= 当b/a 3时，=1.5则t=0.068 当b/a 3时，=1.4则t= P=0.0098h N/mm,h为区格中心水头 =0.07 区格 a（mm） 1100

11、 800 700 610 530 400 表4-1面板厚度的估算 b（mm）b/akp(N/mm) 23402.13 0.6960.005 23402.93 0.5000.015 23403.34 0.5000.022 23403.84 0.5000.029 23404.42 0.5000.034 23405.85 0.7500.038 kpt（mm） 0.0594.41 0.0874.71 0.1055.14 0.1205.14 0.1304.84 0.1694.73 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=6mm 4.2面板与梁格的连接计算 面板局部挠曲时产生的垂直

12、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： = =138N/mm - 9 - 课 程 设 计 说 明 书 又面板与主梁连接的焊缝厚度 hf 可以近似的按照 hf 表示角焊缝容许剪应力，于是 hf不应小于6mm确定，公式中的w f /(0.7 w )和 f hf/(0.7w )=/（0.7 f ）=1.9mm 面板与梁格

13、连接焊缝最小厚度hf=6mm 5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 其中p表示次梁横轴线处的水压强度；a 相邻梁之间的距离。 上 和a 下 分别表示水平次梁轴线到上、下 梁号 1 顶梁 表5-1水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算 (a上+a 梁轴线处 q=p(a上+a 下 梁间距 )/2（m） )/2（m） 水压强度 下 （m） p（KN/） 1.81 备注 2 3 上主梁 4 5 6 下主梁 7 底梁 11.5 20.3 28.2 34.89 41.1 46.1 1.120 0.905 0.805

14、 0.680 0.635 0.405 1.013 0.855 0.743 0.658 0.520 0.400 11.64 17.36 20.94 22.94 21.37 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 - 10 - 课 程 设 计 说 明 书 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：

15、 M 5.2截面选择 次B =0.107ql2=0.107*22.94*2.352=13.56 KN*m W= =84750mm3 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 =871000mm3； I =6094000mm4； b =60mm； t =8mm X X 1 w 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 +2c=b +60t=60+60*6=420mm 1 1 （2） 考虑面板眼宽度上应力分布不均而折算的有效高度 B= 1 B= 2 b （对胯间正弯矩段）

16、 b (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 =0.8L=0.8*2350=1880mm；对于支座负弯矩段取 L =0.4L=0.4*2350=940mm。 矩段取 L 0 0 根据L /b查表7-1得： 0 对于L 0 对于L 0 /b=1880/658=2.857得 1 /b=940/658=1.429 得 2 =0.82 则 B= 1 =0.40则 B= 2 b=0.82*658=540mm b=0.40*658=236mm 对于第一跨中弯矩选用B=420mm，则水平

17、次梁组合截面面积为： A=2131+420*6=4651mm2 - 11 - 课 程 设 计 说 明 书 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 W =6094000+2131*402+420*6*（32+3）2 =12590600mm4 =12590600/108=116580mm2 min 最支座选用B=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 图 5-1 面板参加

18、水平次梁工作后的 组合荷载面（单位mm） 次 =6094000+2131*302+236*6*452=10879300mm4 B W min =10879300/103=105624mm2 5.3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 /W min= 13.56*106/105624=128.4N/mm2=160 N/mm2 说明水平次梁选用14b满足要求。 同时轧成梁的剪应力一般很小，可不必验算。 5.4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 =13.56 KN*

19、m，则边跨挠度课近似地按照下式计算： 的弯矩已经求得M 次B - 12 - = = 课 程 设 计 说 明 书 = * - - =0.004 =0.000727 故水平次梁选用14b满足强度和刚度要求。 5.5顶梁和底梁 顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度，所以 也采用14b槽钢。 6主梁设计 6.1设计资料 =9.00m；计算跨度L=9.4m；荷载跨度L =9m （1）主梁的跨度净宽L 1 0 （2）主梁的荷载q=50.2KN/m （3）横向隔间距：2.35m （4）主梁容许挠度：w=L/600 6.2主梁设计 主梁设计包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板局

20、部稳定验算； 面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力计算。 - 13 - 课 程 设 计 说 明 书 1) 截面的选择 图6-1 平面钢闸门的主梁位置和计算简图 （1） 弯矩与剪力。弯矩和剪力计算如下： M V max max =553KN*m = =226N （2） 需要的截面模量。已知 Q235 钢的容许应力=160KN/mm2，考虑钢闸门自重 引起的附加应力作用，去容许应力=0.9*160=144KN/mm2，则需要的截面模 量为 W=3840cm2 （3） 腹板的高度选择。按刚度要求的最小梁高（变截面梁）为： H min = 对于变截面梁的经济梁高，h ec =3.1w2/5=3.1*38402/5=84cm - 14 - 课 程 设 计 说 明 书 由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增高，故主梁高度宜选的比h min 大，现在