1、課程設計說明書 課 程 名 稱: 水利水電工程鋼結構課程計 課 程 代 碼: 8203281 題 目: 潛孔式平面鋼閘門設計 學 生 姓 名: 劉攀 學 號: 312011080801120 年級/專業/班: 2011級水利水電1班 學院(直屬系) : 能源與環境學院 指 導 教 師: 徐良芳 目 錄1設計資料2閘門結構的形式及布置3面板設計4水平次梁、頂梁和底梁的設計5主梁設計6 橫隔板設計7 縱向連接系8 邊梁設計9 行走支撐設計10滾輪滑道設計11 閘門啟閉力和吊耳計算一、設計資料及有關規定1，閘門形式：潛孔式焊接平面剛閘門。2，孔的性質：深孔形式。孔口尺寸（寬×高）：10m&

2、#215;8m。上游水位：38m；下游水位：0.1m； 閘底高程：0m。3，材料：鋼材Q235-A.F 焊條 E43;手工電弧焊；滿足級焊縫質量檢驗標準。 止水：側止水和頂止水用P型橡皮，底止水用條形橡皮。 行走支承：滾輪支承。 砼的強度等級：C20。 啟閉機械：卷揚式啟閉機。4，規范：水利水電工程鋼閘門設計規范SL1974-2005。二，閘門結構的形式及布局。（一） 閘門尺寸的確定（圖一示）1， 閘門的孔口尺寸：孔口凈跨：10m。孔口凈高：8m。閘門高度：8.4m。閘門寬度：10.4m。計算跨度：10.4m。荷載跨度：10m（二） 主梁的布置， 主梁的數目及形式主梁是閘門的主要受力構件，其數

3、目主要取決于閘門的尺寸。因為閘門跨度為，高度為。所以采用根主梁，決定采用實腹式組合梁。， 主梁的布局本閘門為高水頭的深水閘門，孔口尺寸較大，所以主梁的位置俺上疏下密布置。設計時按最下面的那根受力最大的主梁來設計，個主梁采用相同尺寸。， 梁格的布置及形式梁格采用復式布置與打等高連接，水平次梁穿過橫隔板所支承。水平梁偉連續梁，間距應上疏下密，使整個區格需要的厚度大致相等，布置如圖示。 4，連接系的布置和形式 1、橫向連接系： 根據主梁的跨度，決定布置6道橫隔板，其間距為1.486m，橫隔板兼 作豎直次梁。2、縱向連接系：設在四個主梁下翼緣的豎平面內，采用斜桿式桁架。 5邊梁與行走支承邊梁采用雙腹式

4、，行走支承采用滾輪支承。 梁格布局尺寸圖k四邊固定矩形彈性薄板在支承長邊中點的彎應力系數，第1和10區格按附錄九表3查得，其余區格按附錄九表2查得。p面板計算區格中心的水壓強度（p=hg=0.0098h N/mm²）水的密度，一般淡水取10KN/h區格中心的水頭，單位ma、b面板的短邊和長邊的長度 根據上表計算，選用面板厚度t=15mm。2， 面板與梁格的連接計算已知面板厚度t=15mm，并且近似得餓取板中最大彎應力max=160N/mm2，則 P=0.07tmax=0.07×15×160=168（N/mm ） 面板育主梁連接焊縫方向單位長度內的剪力2550KN，

5、I0=27059202cm4；S266×3.6×64.161382³ TVS2I05395.5×61382×100（27059202×2）=611N/mm 面板與主梁連接的焊縫厚度：hf=334.30.7×113=4.2mm 面板與梁格連接焊縫厚度取起最小厚度hf=5mm四、水平次梁，頂梁和底梁地設計1.荷載與內力地驗算水平次梁和頂，底梁都時支承在橫隔板上地連續梁，作用在它們上面的水壓力可按下式計算，即q=p。q2639.2kN/m 根據上表計算，水平次梁計算荷載取157.94 kN/m，水平次梁為8跨連續梁，跨度為1.3m

6、（如圖3）。水平次梁彎曲時的邊跨中彎距為: M次中0.078ql2=0.078157.941.3 ²=20.8kNmM次支=0.105ql2=0.105157.941.3 ²=28.0kNm2.截面選擇W=28.01000000160=175000mm3 考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選18a,由附錄三表四查得：A=2659mm2 ; Wx=141400mm3 ; Ix=12727000mm4 ; b1=68 mm ；d=tw=7mm 。面板參加次梁工作的有效寬度分別按式711及式712計算，然后取其中較小值。 式：711 Bb1+60t=68+6015=968mm

7、; 式：712 B=1b (對跨間正彎距段) B=2b （對支座負彎距段） 。梁間距b=（400+445）2=422.5 mm。 于第一跨中正彎距段l0=0.8l=0.81300=1040mm ;對于支座負彎距段l0=0.4l0.41300=520mm 。根據l0/b查表71：對于l0/b1040/422.52.462得10.77，得B=1b0.77×422.5325對于l0/b520/422.51.231得20.40，得B=2b0.40×422.5169對第一跨中選用B325mm,水平次梁組合截面面積（圖41）:A=2569325×167769² 槽鋼

8、的高為400組合截面形心到槽鋼中心線得距離：e=325×16×947769=63mm支座處組合截面的慣性距及截面模量為：I次B127270002569×63²325×16×35²2920336Wmin=2929336149=196600m對支座段選用B169mm，則組合截面面積（圖42）：A=2569169×165273mm ²組合截面形心到槽鋼中心線得距離：e=169×16×945273=48mm支座處組合截面的慣性距及截面模量為：I次B127270002569×48

9、78;169×16×49²25138280Wmin=186209m3.水平次梁的強度驗算由于支座B處（圖3）處彎距最大，而截面模量較小，故只需驗算支座B處截面的抗彎強度，即次28.0×1000000135=141.9N/mm160N/mm說明水平次梁選用18a滿足要求。軋成梁的剪應力一般很小，可不必驗算。4.水平次梁的撓度驗算 受均布荷載的等跨連續梁，最大撓度發生在便跨，由于水平次梁在B支座處截面的彎距已經求得M次B=125.17kNm,則邊跨撓度可近似地按下式計算： 0.000393故水平次梁選用18a滿足強度和剛度要求。5、頂梁和底梁頂梁和底梁也采用

10、18a.五、主梁設計（一)設計資料1）主梁跨度（圖5）：凈跨（孔口凈寬）l。=10.0m ；計算跨度l10.4m ；荷載跨度l10.0m 。2）主梁荷載：q=P總/3=（9.81×38×38×0.5-9.81×28×28×0.5）/3=1079.1KN3) 橫向隔板間距：1.300m 。4）主梁容許撓度： W=L/750 。（2） 主梁設計內容包括：截面選擇；梁高改變；翼緣焊縫；腹板加勁肋；面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力的驗算。1.截面選擇（1） 彎距和剪力 彎距與剪力計算如下：彎距： M=1079.1×10×

11、;0.5（10.4×0.5-10×0.25）=15647kNm 剪力： V=0.5×1079.1×10=5395.5 kN2）需要的截面抵抗距 已知Q235鋼的容許應力=160N/mm2 ,考慮鋼閘門自重引起附加應力的影響取容許應力= 則需要的截面抵抗矩為； W= M/=15647×1000/144=108660（cm3） （3）腹板高度選擇 按剛度要求的最小梁高（變截面梁）為：經濟梁高： 由于鋼閘門中的橫向隔板重量將隨主梁增高而增加，故主梁高度宜選得比hec為小，但不小于hmin，一般選擇梁高比經濟梁小1020。根據以上選擇腹板高度h0260

12、cm 。(4)腹板厚度選擇選用tw6.0cm 。(5)翼緣截面選擇：每個翼緣需要截面為:下翼緣選用t12.0cm（符合鋼板規格），需要（在腹板高度的三分之一到五分之一5287cm之間）上翼緣的部分截面積可利用面板，故只需設置較小的翼緣板同面板相連，選用t12.0cm，b150cm，面板兼作主梁上翼緣的有效高度為Bb1+60t5060×1.5140cm上翼緣截面面積A1=50×2.0140×1.5310 cm2(6) 彎應力強度驗算。主梁跨中截面（圖61）的幾何特性截面形心距：截面慣性距：截面抵抗距：上翼緣頂邊 下翼緣底邊 彎應力：安全 主梁跨中截面的幾何特性部位截

13、面尺寸（cmcm）截面面積A(cm2)各型心離面板表面距離y（cm）Ay（cm3）各型心離中和軸距離y=y-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分140×1.52100.75157.5-122.753164188上翼緣50×2.01002.5250-1211464100腹板260×6.01560133.520826010156000下翼緣79×2.0158264.5417911413141198合計2028250458.57295486（7）因主梁上翼緣直接同面板相連，可不必驗算整體穩定性，因梁高大于按高度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗算。2、截面改變

14、因主梁跨度較大，為減小門槽寬度與支承邊梁高度（節約鋼材），有必要將主梁承端腹板高度減小為（圖71）。梁高開始改變的位置取在鄰近支承端的橫向隔板下翼緣的外側，離開支承端的距離為130-10=120cm部位截面尺寸（cmcm）截面面積A(cm2)各型心離面板表面距離y（cm）Ay（cm3）各型心離中和軸距離y=y-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分140×1.52100.75157.5-71.951087129上翼緣50×2.01002.5250-70.4495616腹板156×6.093681.5762848.872484下翼緣79×2.0158160.

15、52535987.81217997合計1404102050.52873226 安全3.翼緣焊縫翼緣焊縫厚度hf按受力最大的支承端截面計算。Vmax5395.5kN。I0=4771434cm4，上翼緣對中和軸的面積距：S1=210×71.9550×2×70.422149.5cm3下翼緣對中和軸的面積距：S2=160.5×87.814091.9cm3S1需要角焊縫最小，。全梁的上下翼緣焊縫都采用hf10mm 。4. 腹板加勁肋因不需設置橫向加勁肋。閘門上已布置橫向隔板可兼作橫加勁肋，其間距a1.3m 。腹板區格劃分見圖2。5. 面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折

16、算應力的驗算從上述的面板計算可見，直接與主梁相連的面板區格，只有區格10所需要的板厚較大，這意味著該區格的長邊中點應力也較大，所以選取區格10按下式驗算長邊中點的折算應力：面板區格的長邊中點的主梁彎距和彎應力該區格長邊中點的折算應力=157.41.55×160=248N/mm2上式中mx, my, ox的取值均以拉應力為正，壓應力為負故面板厚度選用15mm滿足強度要求 。六、橫隔板設計1.荷載和內力計算橫隔板同時兼作豎直次梁，它主要承受水平次梁、頂梁和底梁傳來的集中荷載以及面板傳來的分布荷載，計算時可把這些荷載用以三角形分布的水壓力來代替，并且把橫隔板作為支承在主梁上的雙懸臂梁。如圖

17、9示水平次梁為7跨均布連續梁，R可看作它所受的最大剪力，由規范表查知：作用于豎直次梁上由水平荷載傳遞的集中荷載：=1.143×157.94×1.3234.7KN 取qq次2.橫隔板的截面選擇和強度驗算腹板選用與主梁腹板同高，采用2600mm60mm，上翼緣利用面板，下翼緣采用200mm8mm的扁鋼，上翼緣可利用面板的寬度公式按式B1b確定。b=1300mm，查表得10.32 。B=0.32×1300=416mm，取B420mm 。計算如下圖所示截面幾何特性截面型心到腹板中心線距離： 截面慣性距： ，驗算應力： 160N/mm²由于橫隔板截面高度較大，剪切

18、強度更不必驗算，橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度hf10mm 。七、縱向連接系設計1. 荷載和內力計算縱向連接系受閘門自重。潛孔式平面滾輪閘門G按下式計算：由附錄十一查得，其中A 孔口面積，m ² K閘門工作性質系數，工作與事故閘門K1.0 K孔口高寬比修正系數HB1,K1.0 K水頭修正系數 ，Hs60m , K1.0 下游縱向連接系承受 0.4G=0.4×916.3=366.5KN縱向連接系是做簡支的平面桁架。其桁架腹桿布置如圖9點荷載為 桿件內力計算結果如下圖：2. 斜桿截面計算利用三角形的邊長之比與兩邊的力之比相同的方法計算得斜桿承受最大拉力N=290.97KN，同時

19、考慮閘門偶然扭曲是可能承受壓力，故長細比的限制值應與壓桿相同，即。選用單角鋼100×12，表查得：截面面積A=22802回轉半徑iy0=19.5mm斜桿計算長度 u長細比 驗算拉桿強度： 考慮單角鋼受力偏心的影響，將容許應力降低15%進行強度驗算。8、 邊梁設計邊梁的截面形式采用雙腹式（如圖 ），邊梁的截面尺按照構造要求確定，即截面高度與主梁端部高度相同，腹板厚度與主梁腹板厚度相同，為了便于安裝滾輪，兩個下翼緣為用寬度為400mm的扁鋼做成。邊梁是閘門的重要受力構件，由于受力情況復雜，故在設計師將容許應力值降低15%作為考慮受扭影響的安全儲備。1. 荷載和內力計算在閘門每側邊梁上各設

20、兩個滾輪。其布置尺寸可見下圖（1） 水平荷載。主要是主梁傳來的水平荷載，還有水平次梁和頂、底梁傳來的水平荷載。為了簡化起見，可假定這些荷載由主梁傳給邊梁。每個主梁作用于邊梁的荷載為R=5395.5KN。（2） 豎向荷載。有閘門自重、滾輪摩擦阻力、止水摩阻力、起吊力等。上滾輪所受的壓力下滾輪所受的壓力最大彎矩 最大剪力 最大軸向力為作用在一個邊梁上的起吊力，估計為2000kN（詳細計算見后）。在最大彎矩作用截面上的軸向力，等于起吊力減去上滾輪的摩阻力，該軸向力2. 邊梁的強度驗算 截面面積 A=1560×602×900×15120600mm面積矩 28883250m

21、m³截面慣性矩 截面模量 截面邊緣最大應力驗算:腹板最大剪應力驗算： 腹板與下翼緣連接處應力驗算： 以上的驗算滿足強度要求。9 行走支承設計滾輪計算：輪子的主要尺寸是輪徑D和輪緣寬度b，這些尺寸是根據輪緣與軌道之間的接觸應力的強度條件來確定的，對于圓柱形滾輪與平面軌道的接觸情況是線接觸，其接觸應力可按下式計算，其中下滾輪受力最大，其值為5980kN。設滾輪輪緣寬度b=300mm，輪徑D600mm。 為了減少滾輪轉動時的摩擦阻力，在滾輪的軸孔內還要設滑動軸承，選用鋼對10-1鑄鐵鋁磷青銅。軸和軸套間壓力傳遞也是接觸應力的形式，可按下式驗算：取軸的直徑d=500mm，軸套的工作長度b=600mm，滑動軸套容許應N/mm輪軸選用45號優質碳素鋼，取輪軸直徑d=450mm，其工作長度為b=600mm，對其進行彎曲應力和剪應力驗算：軸在軸承板的連接處還應按下式驗算輪軸與軸承板之間的緊密接觸局部承壓應力：軸承板所受的壓力取軸承板疊總厚度故10、 滾輪軌道設計1. 確定軌道鋼板寬度軌道鋼板寬度按鋼板承壓強度決定。根據Q235鋼的容許承壓應力為，則所需要的軌道底板寬度為，取B=220mm