水工钢结构课程设计(2011年最新供水电的学生使用)

课程设计(综合实验)报告

( 2011-- 2012年度第一学期)

名称：水工钢结构

题目：院系：可再生能源学院班级：水电0902 学号： 1091420223 学生姓名：李东指导教师：许桂生设计周数：一周

成绩：

日期： 2012 年 01月 05

日

二、课程设计(综合实验)的目的与要求 .............................................................................. 错误！未定义书签。三、设计（实验）正文 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。

1、闸门结构的形式及布置 ............................................................................................ 错误！未定义书签。

1.1 闸门尺寸的确定(例图7-1)。 ....................................................................... 错误！未定义书签。 1.2主梁的形式 ....................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.3 主梁的布置 ...................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.4 梁格的布置和形式 .......................................................................................... 错误！未定义书签。 1.5 连接系的布置和形式 ...................................................................................... 错误！未定义书签。 1.6 边梁与行走支承 .............................................................................................. 错误！未定义书签。 2、面板设计 .................................................................................................................... 错误！未定义书签。

2.1 估算面板厚度 .................................................................................................. 错误！未定义书签。 2.2 面板与梁格的连接计算 .................................................................................. 错误！未定义书签。 3、水平次梁、顶梁和底梁的设计 ................................................................................ 错误！未定义书签。

3.1 荷载与内力计算 .............................................................................................. 错误！未定义书签。 3.2 截面选择 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。 3.3 水平次梁的强度验算 ...................................................................................... 错误！未定义书签。 3.4 水平次梁的挠度验算 ...................................................................................... 错误！未定义书签。 3.5 顶梁和底梁 ...................................................................................................... 错误！未定义书签。 4. 主梁设计 .................................................................................................................... 错误！未定义书签。

4.1 设计资料 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2 主梁设计 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。

4.2.1截面选择 ............................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2.2 截面改变 .............................................................................................. 错误！未定义书签。 4.2.3翼缘焊缝 ............................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2.4腹板的加劲肋和局部稳定验算............................................................ 错误！未定义书签。 4.2.5 面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算 ........................... 错误！未定义书签。

5、横隔板设计 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。

5.1 荷载和内力的计算 .......................................................................................... 错误！未定义书签。 5.2 横隔板截面选择和强度计算 .......................................................................... 错误！未定义书签。 6.纵向连接系设计 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。

6.1 荷载和内力计算 .............................................................................................. 错误！未定义书签。 6.2 斜杆截面计算 .................................................................................................. 错误！未定义书签。 6.3 斜杆与结点板的连接计算 .............................................................................. 错误！未定义书签。 7、边梁设计 .................................................................................................................... 错误！未定义书签。

7.1 荷载和内力计算 .............................................................................................. 错误！未定义书签。 7.2 边梁的强度计算 .............................................................................................. 错误！未定义书签。 8、行走支承设计 ............................................................................................................ 错误！未定义书签。 9、胶木滑块轨道设计（例图7—13） ......................................................................... 错误！未定义书签。

9.1 确定轨道底板宽度 .......................................................................................... 错误！未定义书签。 9.2 确定轨道底板厚度 .......................................................................................... 错误！未定义书签。 10、闸门启闭力和吊座计算 .......................................................................................... 错误！未定义书签。

10.1 启闭力按式（7—25）计算 .......................................................................... 错误！未定义书签。 10.2 闭门力按式（7—24）计算 .......................................................................... 错误！未定义书签。 10.3 吊轴和吊耳板验算（例图7—14） .............................................................. 错误！未定义书签。

三、课程设计（综合实验）总结或结论 .............................................................................. 错误！未定义书签。

1．1

一、设计资料

闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门孔口净宽：10.00m 设计水头：6.00m 结构材料：Q235

止水橡皮：侧止水采用P型橡皮，底止水采用条形橡皮行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2 混凝土标号：C20

二、课程设计(综合实验)的目的与要求

1.熟悉钢结构设计原理及钢闸门设计计算方法，设计成果包括：设计说明书1份、大图1张。

2.设计说明书应内容完整、条理清楚、表达规范，书写工整。应包括封面、目录、设计任务和设计资料、设计计算过程（包含必要的图表）、参考文献等内容，如有必要，尚应包括有附录。 3.设计说明书主要记录全部的设计计算过程，引用数据应有依据，计算中应有必要的说明，计算结果应与．．．．．．．．．．．．．．．．．．图纸表达一致。设计说明书中应绘出钢闸门布置图、相应的计算简图和截面图等。 4.按制图标准绘图，图面布置合理，线条清楚，文字规范，表达正确。 5.每组组长请于最后一天下午4:00前将本组成员的设计成果收齐上交。三、设计（实验）正文 1、闸门结构的形式及布置

1.1 闸门尺寸的确定(例图7-1)。

闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m,故闸门高度=6+0.2=6.2m；闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=10m; 闸门的计算跨度：L=L0+2×0.2=10+0.4=10.4m;

1.2主梁的形式

主梁的形式根据水头合跨度大小而定，本闸门属中等跨度为了便于制造和维护，决定采用实腹式组合梁。

1.3 主梁的布置

根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。为使两个主梁在设计水位时所承受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线=H/3=2.0m（例图7-1）,并要求下悬臂a≥0.12H和a≥0.4m,上悬臂、c≤0.45H,今取，a=0.7m≈0.12H=0.72m 则主梁间距：2b2(ya)21.32.6(m)

则cH2ba62.60.72.7(m)0.45H（满足要求）

1.4 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，其间应上疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁布置的具体尺寸详见下例图7-2. 1.5 连接系的布置和形式

横向联接系根据主梁的跨度决定布置三道隔板，其间距为2.6m,横隔板兼作竖直次梁。纵向联接系设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。

1.6 边梁与行走支承

边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。 2、面板设计

2.1 估算面板厚度

假定梁格布置如例图7-2所示。面板厚度按ta

0.92当b/a≤3时，a=1.5，则t=a

=0.068akp

0.91.5160

当b/a≥3时，a=1.4则t=akp

=0.067akp

0.91.4160

根据上表计算，选用面板厚度t=8mm. 2.2 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P，已知面板厚度t=8mm,并且近似地取板中最大弯应力max160N/mm2, 则

P0.07tmax0.7816089.6(N/mm2) 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力: T=

VS4410006208306

207N/mm2 2I021617000000

计算面板与主梁连接的焊缝厚度：

t) hfPT/(0.7

89.622072/(0.7113)2.9(mm)

面板与梁格连接焊缝最小厚度hf6mm。 3、水平次梁、顶梁和底梁的设计 3.1 荷载与内力计算

a上a下

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

现列表计算如下：

q=80.3

根据上表计算，水平次梁计算荷载取36.30KN/m, 水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.6m(例图7-3)。

所示。水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为：

M次B0.077ql20.07736.32.6218.9(KN/m)=0.107qL=0.107*17*2.25=9.21KNm 支座B处的负弯矩为：

M次B0.10736.32.6226.26(KN·m)

3.2 截面选择

26.26106

W164125(mm3)

16

考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选槽钢18a，由表查得：

A=2569mm； WX=141400mm; Ix=12727000mm；b1=68mm; d=7mm。面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取较小值。

Bb160t68608548(mm) B=ξ1b( 对跨间正弯矩段）； B=ξ2b(对支座负弯矩段）；

按5号梁计算，设梁间距b=(b1+b2)/2=(840+810)/2=825mm。确定上式中面板的有效宽度系数ξ时，需要知道梁弯矩零点之间的距离L0与梁间距b之比值。对于第一跨中正弯矩段取L0=0.8L=0.8*2250=1800mm;对于支座负弯矩段取L0=0.4L=0.4*2250=900mm.根据L0/b查表2-1得：对于l0/b2080/8252.521，得ξ1=0.78，则B=ξ1b=0.78825644(mm) ；对于l0/b1040/8251.261，得ξ2=0.364，则 B=ξ2b=0.364825=300（mm）。对于第一跨中弯矩选用B=548mm，则水平次梁组合截面面积（例图7-4）： A256954886953(mm) 组合截面形心到槽钢中心线的距离： e

548894

59(mm)

6953

跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：

I次中127270002569592548835227040000（mm2)

Wmin

27040000

181500(mm2)

149

对支座段选用B=300mm，则组合截面面积：A256930084969(mm)组合截面形心到槽钢中心线的距离：e支座处组合截面的惯性矩及截面模量：

300894

45(mm)

4969

I次B127270002569452300849223691625(mm4)

Wmin

23691625

175493(mm2)

135

3.3 水平次梁的强度验算

由于支座处B（例图7-3）弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即：

26.26106149.6(N/mm2)160N/mm2 次=

Wmin175493

M次B

说明水平次梁选用18a槽钢满足要求。

扎成梁的剪应力一般很小，可不必验算。 3.4 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，截面的弯矩已经求得

M次B26.26KN·m,则边跨挠度可近似地按下式计算：



Ml5ql3

次Bl38416EI次16EI次

536.3（2.6103）26.261062.6103

54

3842.0610270410162.061052704104

1

0.0007250.004

l250

故水平次梁选用14槽钢满足强度和刚度要求。

3.5 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。 4. 主梁设计

4.1 设计资料

1) 主梁跨度（例图7-5）：净宽L0=10m;计算跨度L=10.4m；荷载跨度L1=10m. 2) 主梁荷载q=88.2KN/m. 3) 横向隔间距：2.6m。 4) 主梁容许挠度：w=L/600 4.2 主梁设计

4.2.1截面选择

（1）弯矩与剪力弯矩与剪力计算如下： Mmax

88.21010.410

()1191(KN·m) 224

(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，取容许应力为0.9160144N/mm2，则需要的截面模量为

W

Mmax



1191100

8271(cm3)

1440.1

(3) 腹板高度选择按刚度要求的最小梁高（变截面梁）：

L14410210.4102

hmin0.960.230.960.23

E/L2.06107(1/600)

2/5

对于变截面梁的经济梁高，hec3.1W2/53.18271114(cm)。

96.3(cm)

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hec小，但不小于hmin。现选用副板高度h0=100cm。

（4）腹板厚度选择按经验公式计算：

tw=h/11=/11=0.91cm,选用 tw=1.0cm. （5）翼缘截面选择每个翼缘需要截面为： A1=

Wtwh082711.010066(cm2) h061006

下翼缘选用 t1=2.0cm(符合钢板规格）需要b1=

hhA166

~40~20cm之间). 33(cm),选用b1=34cm（在

2.55t12.0

上翼缘的部分截面可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用 t1=2.0cm，b1=14cm。

面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为： B=b1+60=14+600.8=62（cm）上翼缘截面积为：

A1142.0620.877.6(cm)

(6) 弯应力强度验算主梁跨中截面（例图7-6)的几何特性如下表：

Ay 截面形心矩：y1=



12408

50.5(cm)

245.6

twh0110022

截面惯性矩： IAy384230467600(cm4)

1212

截面模量：上翼缘顶边 Wmax

I467600

9270(cm3). y150.5

下翼缘底边： Wmin

I4676008620(cm3)。 y254.3

弯应力：

max119110013.8(kN/cm2)0.91614.4(kN/cm2)(安全) Wmin8620

（7）整体稳定性与挠度验算因主梁上翼缘直接同钢板相连，按规范规定可不必验算整体稳定性。又

因梁高大于刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。 4.2.2 截面改变

因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度，有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小

h0。 0.6h060cm（例图7-7）

梁高开始改变的位置取在临近支承段的横向隔板下翼缘的外侧（例图7-8），离开支承段的距离为

剪切强度验算：考虑到主梁段部的腹板及翼缘部分分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字钢截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的几何特性如下表。以及变截面后的尺寸。

截面形心距：y1

205.6

31(cm). 截面惯性矩：I1603

0

143668161668(cm4)。截面下半部中和轴的面积矩：S193332.51.0

32.5

1155.125cm3。剪应力：

VmaxSI4412736

1616681.0

7.46(KN/cm4)9.5KN/cm2(安全) 0tw4.2.3翼缘焊缝

翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。最大剪力Vmax=441kN，截面惯性矩I4

0=161668cm。上翼缘对中和轴的面积矩：

S149.630.62829.32335(cm3

下翼缘对中和轴的面积矩： S72220(cm3

26832.)S1

需要 hVS14412335

f

1.4I

16166811.3

0.403(cm). 0f1.4角焊缝最小厚度 hf1.51.5206.7(mm) 全梁的上、下翼缘焊缝都采用hf8mm。 4.2.4腹板的加劲肋和局部稳定验算

加劲肋的布置：因为

h010010080，故需设置横加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门t1.0

已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距a=260cm.腹板区格划分见图。

梁高与弯矩都较大的区格Ⅱ可按式C

1验算： CRCR

C,CR区格Ⅱ左边及右边截面的剪力分别为 V左441-88.2（5-2.6）229（KN）；V左0 区格Ⅱ截面的平均剪应力为



(V左V左)/2h229/2

1.15(KN/cm2)11.5N/mm2

0t1001.0

区格Ⅱ左边及右边截面上的弯矩分别为

M4412.6-88.2（5-2.6）

左2

893（KN·m）

M右

Mmax1191KN·m

区格II的平均弯矩为

MMII左MII右II

28931191

1042(kNm)

区格II的平均弯应力为

My0

I10424771046760010

106.3(N/mm2) 由式（4—61）计算cr

h0/t

fy/1.0b177

235



100177235

235

0.560.85 cr[]160N/mm2

计算cr，由于区格长短边之比为2.6/1.0>1.0，采用式（4—54b）计算s：

0/tw

fy100/1.0

235

s

h415.344(h0/a)2

235



415.344(100/260)2

235

1.0 则 cr[10.59(s0.8)][][10.59(10.8)]9583.8(N/mm2) c0

将以上数据代入式（4—66）有

106.3211.52()()0.440.020.461.0（满足局部要求） 16083.8

故在横隔板之间（区格II）不必增设横加劲肋。再从剪力最大的区格I来考虑：该区格的腹板平均高度h0因

(10060)80(cm)。 2

h/tw80，不必验算，故在梁高减小的区格I内也不必另设横加劲肋。

4.2.5 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IV所需要的板厚较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取区格IV（例图7—2）按式（7—4）验算其长边中点的折算应力。面板区格IV在长边中点的局部弯曲应力：

my

kpa20.50.04770222185N/mm 2



mxmy0.318556N/mm2

对应于面板区格IV在长边中点的主梁弯矩和（例图7—5）弯应力：

88.23.72

kNmM88.253.917206041116

M1116102

0x120N/mm

W9.27106



面板区格IV的长边中点的折算应力

222

zhmymx0xmymx0x25612018556120224N/mm1.55160248N/mm





上式中my,mx和ox的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。

故面板厚度选用8 mm，满足要求。 5、横隔板设计

5.1 荷载和内力的计算

横隔板同时兼作竖直次梁，它主要承受水平次梁、顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替（例图7—1），并且把横隔板作为支承在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为

M

2.726.52.7

2.6083.7(kNm) 23

5.2 横隔板截面选择和强度计算

其腹板选用与主梁腹板同高，采用1000mm8mm，

上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm8mm的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度按B2b确定，其中 b=2600mm，按

l0227002.077，从表7—1查得有效宽度系数 b2600

mm,取B1300mm。 20.51,则B0.5126001326

计算如例图7—9所示的截面几何特性。

截面形心到腹板中心线的距离：

e

130085042008504

222mm

13008200810008

截面惯矩：

810003I81000222282007262813002822273131104mm4



截面模量：

Wmin

2731311043741500mm3

730



验算弯应力

M83.71106

22.4N/mm2

Wmin3741500



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hf6mm。 6.纵向连接系设计 6.1 荷载和内力计算

纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶自重G按附录十一式（附11—1）计算：

GKzKcKgH1.43B0.889.80.811.00.136.01.43100.889.8101.5kN

下游纵向连接系承受 0.4G0.4101.540.6kN

纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹杆布置如例图7—10所示：其结点荷载为

40.6

10.15kN 4

杆件内力计算结果如例图7—10所示。 6.2 斜杆截面计算

斜杆承受最大拉力N=21.53kN，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即200。

选用单角钢1008，由附录三表2查得：

mm 截面面积 A15.6cm1560

回转半径 i0y1.98cm19.8mm

222

斜杆计算长度l00.92.62.60.43.33m22

l03.33103

长细比 168.2200iyo19.8

验算拉杆强度：

21.53103

13.8N/mm20.85133N/mm2

1560



考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。 6.3 斜杆与结点板的连接计算 7、边梁设计

边梁的截面形式采用单腹式（例图7—11），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300mm。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力值降低20%作为考虑受扭影响的安全储备。

7.1 荷载和内力计算

在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑块。其布置尺寸见例图7—12。

（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的荷载为R=441kN。

（2）竖向荷载。有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、起吊力等。

上滑块所受的压力 R1

4412.6

348kN

3.3

下滑块所受的压力 R2882348534kN 最大弯矩 Mmax3480.7243.6kNm 最大剪力 VmaxR1348kN

最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为200kN（详细计算见后）。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力

N200R1f2003480.12158.24kN

7.2 边梁的强度计算

截面面积 A6001023001414400mm





面积矩 Smax14300307103001501739400mm3



106003

2300143072971691600mm4 截面惯性矩 I



截面模量 W

971691600

3094600mm3

314



截面边缘最大应力验算：

max

NMmax158.24103243.6106117990N/mm20.80.8157126N/mm2

AW[1**********]0



腹板最大剪应力验算：

VmaxSmax3481021739400

62N/mm20.80.89576N/mm2

It97169160010



腹板与下翼缘连接处折算应力验算：

NMmaxy'300117985.5N/mm2

AWy314





VmaxSi348103300143072

46.2N/mm

It97.1691610710



2h23285.52346.22117N/mm20.80.8160128N/mm2

以上验算均满足强度要求。 8、行走支承设计

胶木滑块计算：滑块位置如例图7—12所示，下滑块受力最大，其值为R2534kN。设滑块长度为350mm，

534102

N/mm 1526则滑块长度的承压力为 q

350

根据上述q值由表7—2查得轨顶弧面半径R=150mm，轨头设计宽度为 b=35mm。胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按式（7—13）进行验算：

maxq1526104332N/mm2j500N/mm2 R150



选定胶木高30mm，宽120mm，长350mm。

9、胶木滑块轨道设计（例图7—13） 9.1 确定轨道底板宽度

轨道底板宽度按混凝土承压强度决定。根据混凝土由附录十表2查得混凝土的容许承压应力为[h]7N/mm2，则所需要的轨道底板宽度为

Bh

h

1526

218mm,取Bh240mm 7

故轨道底面压应力： h9.2 确定轨道底板厚度

1526

6.4N/mm2 240



轨道底板厚度按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力： 3h2

式中轨道底板的悬臂长度c=102.5mm，对于Q235由第二章表2—8查得=100N/mm2。故所需轨道底板厚度：



t

3hc2

36.4102.5244.9mm,取t50mm

100

10、闸门启闭力和吊座计算

10.1 启闭力按式（7—25）计算

T启1.1G1.2TzdTzsPx

其中闸门自重 G101.5kN

滑道摩阻力 TzdfP0.121764212kN 止水摩阻力 Tzs2fbHp

因橡皮止水与钢板间摩擦系数 f0.65 橡皮止水受压宽度取为 b0.06m 每边侧止水受水压长度 H6.0m 侧止水平均压强 p29.4kN/m 故 Tzs20.650.06629.413.8kN

下吸力Px底止水橡皮采用I 110—16 型，其规格为宽16mm，长110mm。底止水沿门跨长10.4m。根据SL 74—95修订稿：启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m计算，则下吸力：

Px2010.40.0163.3kN

故闸门启门力：

T启1.1101.51.221213.83.3386kN

10.2 闭门力按式（7—24）计算

T闭1.2TzdTzs0.9G1.221213.80.9101.5179.6kN

显然紧靠闸门自重是不能关闭闸门的。由于该溢洪道闸门空口较多，若把闸门行走支承改为滚轮，则边梁需由单腹式改为双腹式，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200kN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。 10.3 吊轴和吊耳板验算（例图7—14）

（1）吊轴。采用Q235钢，由第二章表2—8查得65N/mm2，采用双吊点，每边起吊力为

P1.2

吊轴每边剪力 V

T启2

1.2

386

231.6kN 2

P231.6115.8kN 22

115.8103

需要吊轴截面积 A1782mm2

65



又 A

故吊轴直径 d

d2

0.785d2

A1782

47.6mm,取d80mm

0.7850.785

（2）吊耳板强度验算。按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按式（7—26）计算，由第二章表2—8查

得Q235钢的

80N/mm，故

t

dcj

231.6103

36mm

8080

因此在边梁腹板上端部的两侧各焊一块厚度为20 mm的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为

3d380240mm 。

吊耳孔壁拉应力按式（7—27）计算：

R2r2

kcj20.8k 2

Rr

P231.6103

72.4N/mm2，吊耳板半径R=120mm，轴孔半径r=40mm，由第二章表式中cjtd4080



2—8查得k120N/mm2，所以空壁拉应力：

1202402

k72.490.5N/mm20.812096N/mm2 22

12040



三、课程设计（综合实验）总结或结论

在此次水工钢结构课程设计中，我学到了很多东西。四、参考文献

[1] 范崇仁主编《水工钢结构》中国水利水电出版社第四版 2010年1月

课程设计(综合实验)报告

( 2011-- 2012年度第一学期)

名称：水工钢结构

题目：院系：可再生能源学院班级：水电0902 学号： 1091420223 学生姓名：李东指导教师：许桂生设计周数：一周

成绩：

日期： 2012 年 01月 05

日

1、闸门结构的形式及布置 ............................................................................................ 错误！未定义书签。

5、横隔板设计 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。

三、课程设计（综合实验）总结或结论 .............................................................................. 错误！未定义书签。

1．1

一、设计资料

闸门形式：溢洪道露顶式平面钢闸门孔口净宽：10.00m 设计水头：6.00m 结构材料：Q235

止水橡皮：侧止水采用P型橡皮，底止水采用条形橡皮行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2 混凝土标号：C20

二、课程设计(综合实验)的目的与要求

1.熟悉钢结构设计原理及钢闸门设计计算方法，设计成果包括：设计说明书1份、大图1张。

1.1 闸门尺寸的确定(例图7-1)。

闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m,故闸门高度=6+0.2=6.2m；闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=10m; 闸门的计算跨度：L=L0+2×0.2=10+0.4=10.4m;

1.2主梁的形式

主梁的形式根据水头合跨度大小而定，本闸门属中等跨度为了便于制造和维护，决定采用实腹式组合梁。

1.3 主梁的布置

则cH2ba62.60.72.7(m)0.45H（满足要求）

1.4 梁格的布置和形式

横向联接系根据主梁的跨度决定布置三道隔板，其间距为2.6m,横隔板兼作竖直次梁。纵向联接系设在两个主梁下翼缘的竖平面内，采用斜杆式桁架。

1.6 边梁与行走支承

边梁采用单腹式，行走支承采用胶木滑道。 2、面板设计

2.1 估算面板厚度

假定梁格布置如例图7-2所示。面板厚度按ta

0.92当b/a≤3时，a=1.5，则t=a

=0.068akp

0.91.5160

当b/a≥3时，a=1.4则t=akp

=0.067akp

0.91.4160

根据上表计算，选用面板厚度t=8mm. 2.2 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P，已知面板厚度t=8mm,并且近似地取板中最大弯应力max160N/mm2, 则

P0.07tmax0.7816089.6(N/mm2) 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力: T=

VS4410006208306

207N/mm2 2I021617000000

计算面板与主梁连接的焊缝厚度：

t) hfPT/(0.7

89.622072/(0.7113)2.9(mm)

面板与梁格连接焊缝最小厚度hf6mm。 3、水平次梁、顶梁和底梁的设计 3.1 荷载与内力计算

a上a下

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

现列表计算如下：

q=80.3

根据上表计算，水平次梁计算荷载取36.30KN/m, 水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.6m(例图7-3)。

所示。水平次梁弯曲时的边跨跨中弯矩为：

M次B0.077ql20.07736.32.6218.9(KN/m)=0.107qL=0.107*17*2.25=9.21KNm 支座B处的负弯矩为：

M次B0.10736.32.6226.26(KN·m)

3.2 截面选择

26.26106

W164125(mm3)

16

考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选槽钢18a，由表查得：

A=2569mm； WX=141400mm; Ix=12727000mm；b1=68mm; d=7mm。面板参加次梁工作有效宽度按下式计算，然后取较小值。

Bb160t68608548(mm) B=ξ1b( 对跨间正弯矩段）； B=ξ2b(对支座负弯矩段）；

548894

59(mm)

6953

跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：

I次中127270002569592548835227040000（mm2)

Wmin

27040000

181500(mm2)

149

对支座段选用B=300mm，则组合截面面积：A256930084969(mm)组合截面形心到槽钢中心线的距离：e支座处组合截面的惯性矩及截面模量：

300894

45(mm)

4969

I次B127270002569452300849223691625(mm4)

Wmin

23691625

175493(mm2)

135

3.3 水平次梁的强度验算

由于支座处B（例图7-3）弯矩最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即：

26.26106149.6(N/mm2)160N/mm2 次=

Wmin175493

M次B

说明水平次梁选用18a槽钢满足要求。

扎成梁的剪应力一般很小，可不必验算。 3.4 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，截面的弯矩已经求得

M次B26.26KN·m,则边跨挠度可近似地按下式计算：



Ml5ql3

次Bl38416EI次16EI次

536.3（2.6103）26.261062.6103

54

3842.0610270410162.061052704104

1

0.0007250.004

l250

故水平次梁选用14槽钢满足强度和刚度要求。

3.5 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。 4. 主梁设计

4.1 设计资料

1) 主梁跨度（例图7-5）：净宽L0=10m;计算跨度L=10.4m；荷载跨度L1=10m. 2) 主梁荷载q=88.2KN/m. 3) 横向隔间距：2.6m。 4) 主梁容许挠度：w=L/600 4.2 主梁设计

4.2.1截面选择

（1）弯矩与剪力弯矩与剪力计算如下： Mmax

88.21010.410

()1191(KN·m) 224

(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，取容许应力为0.9160144N/mm2，则需要的截面模量为

W

Mmax



1191100

8271(cm3)

1440.1

(3) 腹板高度选择按刚度要求的最小梁高（变截面梁）：

L14410210.4102

hmin0.960.230.960.23

E/L2.06107(1/600)

2/5

对于变截面梁的经济梁高，hec3.1W2/53.18271114(cm)。

96.3(cm)

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hec小，但不小于hmin。现选用副板高度h0=100cm。

（4）腹板厚度选择按经验公式计算：

tw=h/11=/11=0.91cm,选用 tw=1.0cm. （5）翼缘截面选择每个翼缘需要截面为： A1=

Wtwh082711.010066(cm2) h061006

下翼缘选用 t1=2.0cm(符合钢板规格）需要b1=

hhA166

~40~20cm之间). 33(cm),选用b1=34cm（在

2.55t12.0

上翼缘的部分截面可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用 t1=2.0cm，b1=14cm。

面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为： B=b1+60=14+600.8=62（cm）上翼缘截面积为：

A1142.0620.877.6(cm)

(6) 弯应力强度验算主梁跨中截面（例图7-6)的几何特性如下表：

Ay 截面形心矩：y1=



12408

50.5(cm)

245.6

twh0110022

截面惯性矩： IAy384230467600(cm4)

1212

截面模量：上翼缘顶边 Wmax

I467600

9270(cm3). y150.5

下翼缘底边： Wmin

I4676008620(cm3)。 y254.3

弯应力：

max119110013.8(kN/cm2)0.91614.4(kN/cm2)(安全) Wmin8620

（7）整体稳定性与挠度验算因主梁上翼缘直接同钢板相连，按规范规定可不必验算整体稳定性。又

因梁高大于刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。 4.2.2 截面改变

因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度，有必要将主梁支承段腹板高度宽度减小

h0。 0.6h060cm（例图7-7）

梁高开始改变的位置取在临近支承段的横向隔板下翼缘的外侧（例图7-8），离开支承段的距离为

截面形心距：y1

205.6

31(cm). 截面惯性矩：I1603

0

143668161668(cm4)。截面下半部中和轴的面积矩：S193332.51.0

32.5

1155.125cm3。剪应力：

VmaxSI4412736

1616681.0

7.46(KN/cm4)9.5KN/cm2(安全) 0tw4.2.3翼缘焊缝

翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。最大剪力Vmax=441kN，截面惯性矩I4

0=161668cm。上翼缘对中和轴的面积矩：

S149.630.62829.32335(cm3

下翼缘对中和轴的面积矩： S72220(cm3

26832.)S1

需要 hVS14412335

f

1.4I

16166811.3

0.403(cm). 0f1.4角焊缝最小厚度 hf1.51.5206.7(mm) 全梁的上、下翼缘焊缝都采用hf8mm。 4.2.4腹板的加劲肋和局部稳定验算

加劲肋的布置：因为

h010010080，故需设置横加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门t1.0

已布置横向隔板可兼作横加劲肋，其间距a=260cm.腹板区格划分见图。

梁高与弯矩都较大的区格Ⅱ可按式C

1验算： CRCR

C,CR区格Ⅱ左边及右边截面的剪力分别为 V左441-88.2（5-2.6）229（KN）；V左0 区格Ⅱ截面的平均剪应力为



(V左V左)/2h229/2

1.15(KN/cm2)11.5N/mm2

0t1001.0

区格Ⅱ左边及右边截面上的弯矩分别为

M4412.6-88.2（5-2.6）

左2

893（KN·m）

M右

Mmax1191KN·m

区格II的平均弯矩为

MMII左MII右II

28931191

1042(kNm)

区格II的平均弯应力为

My0

I10424771046760010

106.3(N/mm2) 由式（4—61）计算cr

h0/t

fy/1.0b177

235



100177235

235

0.560.85 cr[]160N/mm2

计算cr，由于区格长短边之比为2.6/1.0>1.0，采用式（4—54b）计算s：

0/tw

fy100/1.0

235

s

h415.344(h0/a)2

235



415.344(100/260)2

235

1.0 则 cr[10.59(s0.8)][][10.59(10.8)]9583.8(N/mm2) c0

将以上数据代入式（4—66）有

106.3211.52()()0.440.020.461.0（满足局部要求） 16083.8

故在横隔板之间（区格II）不必增设横加劲肋。再从剪力最大的区格I来考虑：该区格的腹板平均高度h0因

(10060)80(cm)。 2

h/tw80，不必验算，故在梁高减小的区格I内也不必另设横加劲肋。

4.2.5 面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算

my

kpa20.50.04770222185N/mm 2



mxmy0.318556N/mm2

对应于面板区格IV在长边中点的主梁弯矩和（例图7—5）弯应力：

88.23.72

kNmM88.253.917206041116

M1116102

0x120N/mm

W9.27106



面板区格IV的长边中点的折算应力

222

zhmymx0xmymx0x25612018556120224N/mm1.55160248N/mm





上式中my,mx和ox的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。

故面板厚度选用8 mm，满足要求。 5、横隔板设计

5.1 荷载和内力的计算

M

2.726.52.7

2.6083.7(kNm) 23

5.2 横隔板截面选择和强度计算

其腹板选用与主梁腹板同高，采用1000mm8mm，

上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm8mm的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度按B2b确定，其中 b=2600mm，按

l0227002.077，从表7—1查得有效宽度系数 b2600

mm,取B1300mm。 20.51,则B0.5126001326

计算如例图7—9所示的截面几何特性。

截面形心到腹板中心线的距离：

e

130085042008504

222mm

13008200810008

截面惯矩：

810003I81000222282007262813002822273131104mm4



截面模量：

Wmin

2731311043741500mm3

730



验算弯应力

M83.71106

22.4N/mm2

Wmin3741500



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hf6mm。 6.纵向连接系设计 6.1 荷载和内力计算

纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶自重G按附录十一式（附11—1）计算：

GKzKcKgH1.43B0.889.80.811.00.136.01.43100.889.8101.5kN

下游纵向连接系承受 0.4G0.4101.540.6kN

纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹杆布置如例图7—10所示：其结点荷载为

40.6

10.15kN 4

杆件内力计算结果如例图7—10所示。 6.2 斜杆截面计算

斜杆承受最大拉力N=21.53kN，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即200。

选用单角钢1008，由附录三表2查得：

mm 截面面积 A15.6cm1560

回转半径 i0y1.98cm19.8mm

222

斜杆计算长度l00.92.62.60.43.33m22

l03.33103

长细比 168.2200iyo19.8

验算拉杆强度：

21.53103

13.8N/mm20.85133N/mm2

1560



考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。 6.3 斜杆与结点板的连接计算 7、边梁设计

7.1 荷载和内力计算

在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑块。其布置尺寸见例图7—12。

（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的荷载为R=441kN。

（2）竖向荷载。有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、起吊力等。

上滑块所受的压力 R1

4412.6

348kN

3.3

下滑块所受的压力 R2882348534kN 最大弯矩 Mmax3480.7243.6kNm 最大剪力 VmaxR1348kN

最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为200kN（详细计算见后）。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于起吊力减去上滑块的摩阻力，该轴向力

N200R1f2003480.12158.24kN

7.2 边梁的强度计算

截面面积 A6001023001414400mm





面积矩 Smax14300307103001501739400mm3



106003

2300143072971691600mm4 截面惯性矩 I



截面模量 W

971691600

3094600mm3

314



截面边缘最大应力验算：

max

NMmax158.24103243.6106117990N/mm20.80.8157126N/mm2

AW[1**********]0



腹板最大剪应力验算：

VmaxSmax3481021739400

62N/mm20.80.89576N/mm2

It97169160010



腹板与下翼缘连接处折算应力验算：

NMmaxy'300117985.5N/mm2

AWy314





VmaxSi348103300143072

46.2N/mm

It97.1691610710



2h23285.52346.22117N/mm20.80.8160128N/mm2

以上验算均满足强度要求。 8、行走支承设计

胶木滑块计算：滑块位置如例图7—12所示，下滑块受力最大，其值为R2534kN。设滑块长度为350mm，

534102

N/mm 1526则滑块长度的承压力为 q

350

根据上述q值由表7—2查得轨顶弧面半径R=150mm，轨头设计宽度为 b=35mm。胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按式（7—13）进行验算：

maxq1526104332N/mm2j500N/mm2 R150



选定胶木高30mm，宽120mm，长350mm。

9、胶木滑块轨道设计（例图7—13） 9.1 确定轨道底板宽度

轨道底板宽度按混凝土承压强度决定。根据混凝土由附录十表2查得混凝土的容许承压应力为[h]7N/mm2，则所需要的轨道底板宽度为

Bh

h

1526

218mm,取Bh240mm 7

故轨道底面压应力： h9.2 确定轨道底板厚度

1526

6.4N/mm2 240



轨道底板厚度按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力： 3h2

式中轨道底板的悬臂长度c=102.5mm，对于Q235由第二章表2—8查得=100N/mm2。故所需轨道底板厚度：



t

3hc2

36.4102.5244.9mm,取t50mm

100

10、闸门启闭力和吊座计算

10.1 启闭力按式（7—25）计算

T启1.1G1.2TzdTzsPx

其中闸门自重 G101.5kN

滑道摩阻力 TzdfP0.121764212kN 止水摩阻力 Tzs2fbHp

Px2010.40.0163.3kN

故闸门启门力：

T启1.1101.51.221213.83.3386kN

10.2 闭门力按式（7—24）计算

T闭1.2TzdTzs0.9G1.221213.80.9101.5179.6kN

（1）吊轴。采用Q235钢，由第二章表2—8查得65N/mm2，采用双吊点，每边起吊力为

P1.2

吊轴每边剪力 V

T启2

1.2

386

231.6kN 2

P231.6115.8kN 22

115.8103

需要吊轴截面积 A1782mm2

65



又 A

故吊轴直径 d

d2

0.785d2

A1782

47.6mm,取d80mm

0.7850.785

（2）吊耳板强度验算。按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按式（7—26）计算，由第二章表2—8查

得Q235钢的

80N/mm，故

t

dcj

231.6103

36mm

8080

因此在边梁腹板上端部的两侧各焊一块厚度为20 mm的轴承板。轴承板采用圆形，其直径取为

3d380240mm 。

吊耳孔壁拉应力按式（7—27）计算：

R2r2

kcj20.8k 2

Rr

P231.6103

72.4N/mm2，吊耳板半径R=120mm，轴孔半径r=40mm，由第二章表式中cjtd4080



2—8查得k120N/mm2，所以空壁拉应力：

1202402

k72.490.5N/mm20.812096N/mm2 22

12040



三、课程设计（综合实验）总结或结论

在此次水工钢结构课程设计中，我学到了很多东西。四、参考文献

[1] 范崇仁主编《水工钢结构》中国水利水电出版社第四版 2010年1月

水工钢结构课程设计(2011年最新供水电的学生使用)

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