Расчёт, конструирование плоского ремонтно-аварийного скользящего затвора

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Саяно-Шушенский филиал

Кафедра «Гидротехнических сооружений»

Курсовая работа по курсу металлические конструкции

Расчёт, конструирование плоского ремонтно-аварийного скользящего затвора

Задание № 33

На курсовую работу по курсу:

Металлические конструкции

Тема проекта работы:

«Расчет, конструирование плоского ремонтно-аварийного скользящего затвора».

Исходные данные:

)   Длина L=22.5м

2)      Шаг B=2.5 м

)        Высота H=8.6 м

)        Количество шагов n=1

)        Количество пролётов l=1

)        Главная нагрузка 24,3 кН

)        Толщина стали δ=20 мм

Дата выдачи задания: 9 апреля 2013г.

Срок защиты: 21 мая 2013г

Оглавление

Введение    4

.        Исходные данные для проектирования затвора.      9

.1 Выбор Стали. 9

.2 Генеральные размеры и компоновка балочной клетки затвора.     11

.3 Опорно-ходовые устройства и уплотнения плоских затворов        17

.4 Конструирование и расчет обшивки плоских затворов         21

.5 Конструирование и расчет стрингеров       31

.6 Конструирование и расчет ригелей плоских затворов  37

.7 Местная устойчивость элементов ригелей сплошного сечения        42

.8 Расчет поясных швов и опорных прикреплений ригелей       45

.9 Конструирование и расчет связевой (весовой) фермы поверхностного затвора                 47

.        Экскурсия группы ГТС 10-01 на Майнскую ГЭС.   51

Список литературы:    52

Введение

Достоинства металлических конструкций.

·  Непроницаемость;

·        Индустриальность изготовления, скоростной монтаж;

·        Высокая надежность;

·        Легкость;

·        Возможность вторичного передела.

Недостатки металлических конструкций.

·  Подверженность сталей коррозии, особенно при повышенной влажности и агрессивности окружающей среды. Для предотвращения коррозионных потерь металла необходимо периодически осуществлять защиту конструкций, что удорожает их эксплуатацию.

·        Низкая огнестойкость. Хотя стали являются несгораемыми материалами, однако при интенсивном нагреве при температурах выше 400 °С происходит потеря прочностных свойств и сооружения теряют несущую способность.

Расчет металлических конструкций ведется по методике предельных состояний. Предельными состояниями называются такие состояния, при наступлении которых сооружение становится непригодным к эксплуатации (первая группа предельных состояний) или его нормальная эксплуатация становится невозможной (вторая группа предельных состояний).

Первая группа предельных состояний определяется прочностью элементов, устойчивостью, вибрационной прочностью, неизменяемостью конструкций.

Вторая группа предельных состояний определяется гарантией от появления недопустимых упругих деформаций и перемещений, затрудняющих эксплуатацию конструкций в нормальном режиме.

В широком смысле методика расчета по предельным состояниям устанавливает соответствие между действующими нагрузками на сооружение и его несущей способностью. Для этого необходим правильный выбор наиболее неблагоприятного сочетания нагрузок с учетом всех особенностей каждой из них.

Нагрузки и воздействия.

В соответствии с нормами проектирования нагрузки классифицируют по своим характеристикам на постоянные, временные длительные, кратковременные и особые.

К постоянным нагрузкам и воздействиям относятся следующие: собственный вес конструкций, давление грунта, усилия от предварительного напряжения, гидростатическое и фильтрационное давление на гидросооружение.

Временные длительные нагрузки возникают от веса стационарного оборудования, давление жидкостей и газов в емкостях и трубопроводах. К временным длительным относятся также температурные технологические воздействия.

Кратковременные нагрузки создают снег, ветер, климатические температурные воздействия, подъемно-транспортное оборудование, толпа, а также воздействия волн, льда и судов на гидросооружения.

Особыми нагрузками называют аварийные, сейсмические, от воздействий взрыва и от изменения структуры грунтов.

Все нагрузки имеют изменчивую природу и носят вероятностный характер, что зависит от случайных изменений условий эксплуатации.

Металлические конструкции создаются путем соединений отдельных деталей в единое целое. По месту выполнения соединения различают на заводские и монтажные, поскольку условия производства и оборудование на заводе и на стройплощадке различны, и это следует учитывать при проектировании.

По типу или виду соединения подразделяют следующим образом:

·  сварные - наиболее распространенный тип в настоящее время; на сварке изготавливается 98% конструкций;

·        болтовые, на болтах нормальной точности; эти соединения чаще всего используют в монтажных узлах;

·        фрикционные, на высокопрочных болтах, - наиболее эффективный тип болтовых соединений;

·  заклепочные; в настоящее время не используются из-за их высокой трудоемкости.

Балка - это элемент конструкций, предназначенный для восприятия нагрузки в пролете и передачи ее на опоры. Следовательно, балка работает на изгиб, и этим определяется ее конструктивная форма.

По конструкции балки подразделяются на прокатные, когда в качестве несущего стержня используется готовый профиль, и составные большого сечения, которые собирают из листов.

Рисунок 1. Геометрические параметры двутавра.

В гидротехническом строительстве применяемые металлические конструкции и элементы можно разделить на три основных класса:

·  конструкции, не связанные с удержанием воды;

·        элементы и конструкции, предназначенные для удерживания воды;

·        механическое оборудование: элементы и конструкции, близкие по конструктивным признакам и условиям эксплуатации к деталям машин и механизмам.

К первому классу относятся конструктивные элементы зданий ГЭС, других зданий и наземных сооружений; всякого рода металлические мосты и переходы; подкрановые конструкции, бетоновозные эстакады и разного рода мостовые конструкции; резервуары и трубопроводы. Характер эксплуатации таких конструкций и сооружений не отличается от эксплуатационных условий для конструкций обычных производственных зданий и сооружений.

Во второй класс входит широкий круг специальных конструкций, предназначенных для маневрирования с напорным водным потоком. Это различного типа и назначения затворы, а также ворота шлюзов.

Под механическим оборудованием, причисленном к третьему классу, обычно понимают ходовые устройства, опорные узлы затворов и ворот шлюзов, закладные детали и т.п. Определение действующих нагрузок на элементы оборудования и их расчет выполняется большей частью методами расчета деталей машин и механизмов, поскольку проектирование и изготовление их выполняется обычно машиностроительными предприятиями.

В гидротехнических сооружениях используется весьма широкий набор конструкций водоудерживающих стальных затворов и достаточно большое число конструктивных решений ворот шлюзов.

Затворы по назначению и условиям работы делятся на: основные. постоянно используемые при эксплуатации; ремонтные, предназначенные для закрытия отверстий во время ремонта основного затвора; аварийные. служащие для перекрытия отверстия в случае аварии; строительные, предназначенные для перекрытия отверстий в период строительства сооружения.

В зависимости от положения отверстия относительно уровня воды верхнего бьефа затворы различают: поверхностные - для перекрытия водосливных отверстий; глубинные - для перекрытия глубинных отверстий.

Общий вид конструкций плоского затвора представляет собой балочную клетку, включающую следующие элементы:

обшивку, непосредственно воспринимающую на себя давление воды; стрингеры - вспомогательные горизонтальные балки обшивки; ригели - основные пролетные горизонтальные несущие элементы сплошного или сквозного сечения; диафрагмы, обеспечивающие совместную работу ригелей, вертикальные элементы сквозного или сплошного сечения с отверстиями; опорно-концевые стойки, служащие для передачи нагрузки с ригелей на опоры, сплошного сечения одно- или двухстенчатые; опорно-ходовые части, служащие для передачи нагрузки от пролетного строения балочной клетки на бетон, подразделяющиеся на скользящие, колесные и катковые.

Основные достоинства таких затворов: простота изготовления, эксплуатации и наилучшее соответствие расчетной схемы ее конструктивной схеме. Недостаток - повышенный расход стали.

Основными исходными данными для проектирования конкретного затвора являются:

·  расположение и назначение затвора, а также способ пропуска воды при открывании затвора;

·        размеры перекрываемого отверстия или ширина и расчетная отметка верхнего бьефа для поверхностного затвора;

·        глубина или отметка на уровне порога отверстия, перекрываемого глубинным затвором;

·  класс проектируемого гидротехнического сооружения;

·        климатический район расположения проектируемого объекта;

·        способ маневрирования затвором и точки подвеса при подъеме и опускании его.

1. Исходные данные для проектирования затвора

1.1 Выбор Стали

Общий вид конструкций плоского затвора представляет собой балочную клетку, включающую следующие элементы:

·  обшивку, непосредственно воспринимающую на себя давление воды;

·        стрингеры - вспомогательные горизонтальные балки обшивки;

·        ригели - основные пролетные горизонтальные несущие элементы сплошного или сквозного сечения;

·        диафрагмы, обеспечивающие совместную работу ригелей, вертикальные элементы сквозного или сплошного сечения с отверстиями;

·        опорно-концевые стойки, служащие для передачи нагрузки с ригелей на опоры, сплошного сечения одно- или двухстенчатые;

·        опорно-ходовые части, служащие для передачи нагрузки от пролетного строения балочной клетки на бетон, подразделяющиеся на скользящие, колесные и катковые.

Основные достоинства таких затворов: простота изготовления, эксплуатации и наилучшее соответствие расчетной схемы ее конструктивной схеме. Недостаток - повышенный расход стали.

Основными исходными данными для проектирования конкретного затвора являются:

·  расположение и назначение затвора, а также способ пропуска воды при открывании затвора;

·        размеры перекрываемого отверстия или ширина и расчетная отметка верхнего бьефа для поверхностного затвора;

·        глубина или отметка на уровне порога отверстия, перекрываемого глубинным затвором;

·        класс проектируемого гидротехнического сооружения;

·        климатический район расположения проектируемого объекта;

·        способ маневрирования затвором и точки подвеса при подъеме и опускании его.

Проектирование металлических конструкций затвора начинают обычно с выбора материала - строительной стали. При этом затвор рассматривают как металлическую конструкцию I группы, а сталь, предпочтительно по ГОСТ 27772-88 выбирают по СНиП [6] согласно заданному климатическому району. При определенных условиях по согласованию с заказчиком могут быть приняты стали по другим ГОСТ и ТУ. Расчетные сопротивления для принятых сталей назначают, руководствуясь соответствующим разделом СНиП [6], с учетом толщины, вида проката и особенностей конструктивного решения элементов затвора. Материалы сварных и болтовых соединений выбирают в процессе конструирования и расчета этих соединений.

Согласно п. 2.1 и таблице 51* СНиП [6] принимаем сталь С345-3 по ГОСТ 27772-88. Расчетные сопротивления принятой стали назначаем согласно п. 3.1; 3.2 [6] в процессе расчета применительно к конкретным условиям.

Затвор изготавливается на заводе металлических конструкций в виде отдельных отправочных марок и доставляется к месту сборки железнодорожным транспортом. Толщина проката¹,мм Св. 10 до 20 (таблица 51* СНиП [6]).

Нормативное сопротивление², МПа (кгс/мм²), проката (листового, широкополосного универсального)=R_yn=325(33) R_yn =470(48) (Фасонного) R_yn=325(33) R_un=470(48) (таблица 51* СНиП [6])

Расчетное сопротивление³, МПа (кгс/см²), проката (листового, широкополосного универсального R_yn=315(3200) R_yn=460(4700) (Фасонного) R_yn=315(3200) R_yn=460(4700) (таблица 51* СНиП [6])

Все заводские соединения выполняются автоматической и полуавтоматической электродуговой сваркой с использованием сварочной проволоки Св-10Г2 по ГОСТ 2246-70* и флюса.

АН-47 по ГОСТ 9087-81* согласно п. 2 и таблице 55* [6] 2, 3 и 4 – во всех районах, кроме I₁, I₂, II₂ и II₃. Электроды типом Э50.

Расчетные сопротивления сварных соединений назначаются в процессе расчета согласно п. 3.4 и таблицам 3 и 56 [6].

g_m=1,050_y = R_yn/g_m 315/1,050=300 (Формула из Таблица 1*[6])

Стыковые: По пределу текучести R_wy=R_y =300 (Формула из Таблица 3*[6])

По временному R_u = R_yu/g_m 460/1.050=438.09 (Формула из Таблица 3*[6])

По приделу текучести R_wy=0.85R_y= 0.85*300=255(Формула из Таблица 3*[6])

С угловыми швами: По металлу шва

R_wf=(Формула из Таблица 3*[6]).

R_wz=0.45R_un==187.749 (Формула из Таблица 3*[6]).

Сборочные соединения отправочных марок выполняются на высокопрочных болтах из стали 40Х «Селект» по ГОСТ 22356-77*, а также с применением ручной сварки электродами типа Э50А по ГОСТ 9467-75* (таблица 55* [1]).

1.2 Генеральные размеры и компоновка балочной клетки затвора

Приняв конструктивную схему затвора соответственно его назначению и проектному заданию, выбирают генеральные размеры затвора и прорабатывают его конструктивную схему (см. рис. 2).

Основными генеральными размерами затвора являются его расчётный пролёт L_p и расчётная высота H_p.

Расчётный пролёт:(Ф 9.1[5])

Где d- расстояние от оси опорно-ходового устройства затвора до кромки паза, L_o- пролёт перекрываемого отверстия в свету.

Рисунок 2. Конструктивная схема плоского затвора.

Величина d зависит от расположения элементов бокового уплотнения, конструкции и габаритов опорно-ходовых устройств, от прочности бетона на скалывание. Для поверхностных затворов величину d можно принимать, руководствуясь таблицей 1.

Таблица 1.

Полную ширину затвора L₃, учитывающую глубину пазов в бетонном массиве плотины, можно считать равной

(ф 9.2[5])

Где 2·0,1- необходимые зазоры между затвором и стенкой паза.

Высота основных поверхностных затворов

Где Н₀ - высота перекрываемого отверстия в м, как разность между отметками верхнего бьефа и порога отверстия; 0,2 м - минимальное превышение верхнего обреза затвора над расчетным уровнем воды.

Для строительных и ремонтных затворов это превышение, учитывающее волнение водной поверхности, следует принимать равным 0,4 м.

Для глубинных затворов, имеющих обычно размеры, не превышающие 10 м, можно во всех случаях принимать d=0,2 м и превышение над верхом водопропускного отверстия, равное также 0,2 м. В этом случае превышение

Н₃-Н₀=0,2м

нужно для размещения уплотнения по верхней кромке затвора.

Высота сечения затвора в пролете определяется высотой сечения ригелей h_р. При пролетах затворов L< 20 м целесообразно применять ригели сплошного сечения как более технологичные в изготовлении и более износостойкие в эксплуатации. При предельном прогибе ригеля  оптимальная высота сечения ригеля определяется требованиями жесткости и составляет

При пролетах затворов более 20 м вопрос о конструкции применяемого ригеля следует решать экономическим анализом вариантов сплошных и сквозных ригелей. Высота сечения сквозных ригелей обычно составляет 1/8÷1/9 расчетного пролета затвора и вписывается в заданные транспортные габариты.

Высоту сечения ригелей на опорах следует принимать равной

Поверхностные затворы проектируют обычно двухригельными, размещая ригели по высоте затвора по принципу их равнонагруженности.

Положение двух равнонагруженных ригелей может быть определено аналитически, как симметричное относительно равнодействующей эпюры гидростатического давления на затвор. Условный схематический разрез затвора нагружают эпюрой гидростатического давления, равнодействующая которого на 1 м длины затвора (Рисунок 3) равна:

,

распределяется между нижним и верхним ригелем как:

Положение нижнего ригеля, определимое величиной a₁, выбирается так, чтобы проектирующий открываемый затвором поток воды не ударял в пояс ригеля. Для этого угол α (Рисунок 4)должен быть равным ≥30⁰, а величина

Рисунок 3. Эпюра гидростатического давления на затвор и её равнодействующая

Рисунок 4. Положение нижнего ригеля

При больших пролетах и небольшой высоте отверстия это ведет к чрезмерному сближению ригелей и снижению пространственной жесткости затвора на кручение. Поэтому величину a₁ принимают в пределах 0,4÷0,6 м. В случае необходимости нижний ригель защищают от потока воды специальными обтекателями-щитами, а для уменьшения возможного вакуума под нижним ригелем в стенке его делают отверстия общей площадью до 20% от площади стенки в пределах отсека, ограниченного поясами ригеля и диафрагмами.R_s^’

Приняв величину a₁, нетрудно определить расстояние а₂ между ригелями, обеспечивающее их равнонагруженность (Рисунок 3).

Расстояние a₃ от верхнего ригеля до верха затвора:

не должно быть больше 0,4H₃ для обеспечения достаточной жёсткости затвора на кручение. В случае, если а₃>0,4Н₃ (4.726>3,52), следует поднять верхний ригель до выполнения указанного условия. При этом несколько нарушается условие равнонагруженности ригелей.

При количестве ригелей более двух для отыскания положения их с соблюдением условия равнонагруженности можно использовать графический способ.

Плоские глубинные затворы проектируют обычно многоригельны-ми. При этом нижний ригель должен располагаться на высоте 0,2÷0,3 м над порогом отверстия, а верхний на 0,2÷0,3 м выше H₀. Количество промежуточных ригелей и расстояние между ними назначают путем экономического сравнения вариантов. Расстояние «а» между смежными ригелями не должно быть меньше 0,8-1,0 для удобства изготовления и обслуживания конструкций в процессе эксплуатации.

Опорно-концевые стойки располагаются по осям опор ригелей и служат для размещения на них опорно-ходовых устройств (Рисунок 2). Опорноконцевые стойки проектируют обычно сплошными, постоянного сечения по высоте. Высота сечения этих стоек принимается равной h₀ высоте

сечения ригелей на опорах. В верхней части стоек обычно располагают захватные устройства для маневрирования затвором.

На участке в пролете между опорно-концевыми стойками располагают диафрагмы, соединяемые с ригелями обшивкой и служащие для опирания стрингеров-балок, подкрепляющих обшивку. При ригелях сплошного сечения диафрагмы располагают с шагом a≈2h_P≈2·2,3=4,6

С безнапорной стороны пояса ригелей и диафрагм раскрепляются связями. Связи эти повышают геометрическую неизменяемость затвора и воспринимают на себя часть веса затвора при поднятии его с захватом за опорно-концевые стойки.

1.3 Опорно-ходовые устройства и уплотнения плоских затворов

Конструктивные схемы опорно-ходовых устройств представлены на рисунке 5 а, б, в.

Опорно-ходовые устройства укрепляются на опорно-концевых стойках и состоят из опорных, боковых и обратных устройств. Первые передают гидростатическое давление, действующее на затвор, на массив плотины и облегчают маневрирование затвором. Боковые и обратные ходовые устройства препятствуют перекосам и отклонениям затвора при его перемещениях. Опорно-ходовые устройства могут быть колесными или скользящими и могут иметь различные конструктивные решения.

Рисунок 4. Конструктивные схемы опорно-ходовых устройств:

а- скользящие опоры; б, в- схемы расположения колёс плоских затворов.

Для поверхностных затворов применяют в основном скользящие или колесные опорные части. Преимуществом скользящих опорных частей является простота в изготовлении и эксплуатации. Недостаток - большие силы трения-скольжения, препятствующие подъему и посадке затвора. Конструктивно скользящие опорные части решаются в виде стального полоза с запрессованным в нем древесно-слоистым пластиком или масленитом (рисунок.5, а). Длина каждого из таких полозьев не менее 600 мм. Скользящие поверхности рельсов должны быть выполнены из нержавеющей стали и иметь цилиндрическую поверхность. Тип пластика и размеры полозьев выбирают в зависимости от величины гидростатической нагрузки, приходящейся на 1 м длины полоза, и от частоты маневрирования затвором в течение года. Ориентировочные значения предельных погонных нагрузок на полоз приведены в таблице 2.

Таблица 2.

При больших нагрузках на затвор для уменьшения сил трения в опорно-ходовых частях и, соответственно, мощности затвороподъемных механизмов следует применять колесные опорные устройства различной конструкции (рисунок 5, б, в). Выбор той или иной конструкции колесного основного опорного устройства определяется пролетом затвора, гидростатической нагрузкой на него, а также частотой и особенностями маневрирования затвором.

Во всех случаях колесные опоры должны располагаться не менее чем в четырех точках, быть равнонагруженными, а сами колесные опоры не должны находится в воде и быть доступны для осмотра и ремонта.

Примеры размещения и конструкции вспомогательных ходовых устройств показаны на рис.6.

Рисунок 6. Примеры размещения конструкций вспомогательных ходовых устройств, направляющих и управлений.

Все поверхностные затворы снабжаются боковыми и донными уплотнениями, а глубинные затворы имеют уплотнения и по верхней кромке затвора. Боковые уплотнения поверхностных затворов решают обычно с помощью специальной резины Р- образного профиля (рисунок 7). Донные уплотнения решаются обычно с помощью полосовой резины, как показано на рисунок 8. Резина прижимается к закладным деталям на пороге водослива за счет собственного веса затвора. Толщина резины выбирается так, чтобы давление резинового ножа на порог составляло 0,5÷1,5 МПа (5÷15 кгс/см²). Резиновое уплотнение изготавливается из специальной морозостойкой резины.

Рисунок 7. Деталь бокового уплотнения.

Рисунок 8. Деталь донных уплотнений.

В глубинных затворах уплотнения решаются так же, как и в поверхностных. При больших напорах целесообразно применять управляемые гидравлические или пневматические уплотняющие устройства [8].

Проектируется рабочий плоский поверхностный затвор с размерами L₀= 22,5 мм. H₀= 8,6м. L_p= 23,5м. Вертикальные боковые уплотнения из Р-образной резины располагаем по схеме рис. 7. Соответственно, полная гидростатическая нагрузка на затвор:

Q= 0,5*10*Н₀²*L₀=0,5*10*8,6²*22,5=8320,5кН

Принимаем скользящие главные опорные устройства с полозьями из маслянита-Д с допускаемым давлением 1500 кН/м. Требуемая длина полозьев

L_пол= 8320,5/1500=5,54 м.

Принимаем 4 полоза длиною 600мм, расположив их попарно по осям ригелей. Донное уплотнение из полосовой резины как на рис. 8.

1.4 Конструирование и расчет обшивки плоских затворов

Обшивку обычно располагают с напорной стороны затвора и конструируют из толстолистовой стали по ГОСТ 19903-74* толщиной от 8 до 20 мм. В глубинных затворах толщина обшивки может доходить до 40 мм. В поверхностных затворах пролетом более 10 м толщина обшивки должна быть не мене 10 мм для обеспечения общей жесткости затвора. Обшивка опирается на несущие элементы каркаса затвора и приваривается к ним. По конструктивным соображениям рекомендуется делать обшивку одинаковой толщины по высоте затвора. Достигается это уменьшением расчетных размеров участков обшивки путем постановки дополнительных опорных балочных элементов - стрингеров. Толщину обшивки назначают по ее прочности при изгибе под действием поперечного гидростатического давления. Условия жесткости для обшивок имеют второстепенное значение. Целесообразно расчет обшивки вести с учетом развития пластических деформаций без ограничения ее прогибов. При расчете по упругой стадии работы предельный прогиб обшивки принимаю равным

f = (1/100 ÷ 1/150)*l

Расчет обшивки начинают по схеме несущего каркаса, содержащей только основные элементы, назначенные при компоновке затвора. В зависимости от соотношения сторон рассматриваемого участка обшивки расчетный изгибающий момент и прогиб в полосе обшивки шириной 1 см и толщиной t см вычисляют или по балочной схеме (как для пластины, опертой по двум сторонам), или как для пластины, жестко закрепленной по четырем сторонам. При этом (рисунок 9, г) при отношении В/в>2 обшивку рассчитывают по балочной схеме.

Рисунок 9. Расчётные схемы.

В расчете балочной схемы по упругой стадии работы полосу обшивки рассматривают, как балку с жесткими закреплениями на опорах (рисунок 9,а).

Для такой балки M_max=,кНсм

F_u=*,см (ф9.1[5])

расчетное, где q₁ = 0,00001*h_i*у_f, kH/cm гидростатическое давление на уровне центра рассматриваемого участка;

h_i - напор в метрах на уровне центра участка;

y_f = 1 - коэффициент надежности по нагрузке для гидростатического давления;

l₁- расчетный пролет обшивки в см ( в первом приближении - по осям опорных элементов). В дальнейшем l_i может быть уточнен и принят с учетом ширины поясов опорных элементов;

- цилиндрическая жёсткость обшивки;

кН/см²- модуль упругости стали;

v- коэффициент Пуассона для стали.

При балочной схеме и учете развития пластических деформаций расчетный изгибающий момент согласно рисунку 7 равен

(ф.9,2 [5])

(ф.9,3[5])

Проверка на жесткость в этом случае не имеет смысла, т.к. к моменту достижения предельного состояния рассматриваемая полоса обшивки превращается в распорную трехшарнирную систему (рисунок 16-в).

Участки обшивки, опертые по четырем сторонам, при отношении В/в<2 рассчитывают как пластины, опертые и жестко закрепленные по четырем сторонам и равномерно нагруженные гидростатическим давлением q кН/см², соответствующим центральной точке рассматриваемого участка. Расчетный изгибающий момент М^on_в в точке х=в/2; у = 0 и прогиб

f_max в точке x = 0; y = 0 могут быть вычислены по формулам:

где коэффициенты k^on_в и k_f определяются по таблице 3 в зависимости от соотношения размеров сторон пластинки.

Таблица 3

При расчете участка обшивки, жестко закрепленной по четырем сторонам, с учетом развития пластических деформаций в наиболее напряженных точках закрепления и пролета x =в/2 у = 0 расчетный изгибающий момент вычисляется по формуле (9.4), но значения коэффициента k^on_в.пл принимаются по таблице 4 в зависимости от отношения В/в.

Таблица 4

Проверка обшивки на жесткость в этом случае также не имеет смысла по указанным выше причинам.

Толщину обшивки вычисляют, исходя из формулы, расчет на прочность при поперечном изгибе

 (ф.9.6[5])

Здесь W - момент сопротивления расчетной полосы обшивки шириною 1 см и толщиной t_o6 (рисунок 15-г).

При расчете обшивки по упругой стадии работы

(ф. 9.7[5])

а требуемая толщина ее

 (ф. 9.8[5])

При расчете с учетом развития пластических деформаций

 (ф. 9.9[5])

а требуемая толщина ее

 (ф. 9.10[5])

Коэффициент условий работы ϒ_с принимается согласно разделу 4 и таблице 6* СНиП [6]. При расчете обшивки ϒ_с=1, если это не оговорено ведомственными техническими условиями проектной организации.

При расчете по упругой теории обшивку проверяют на жесткость по второй группе предельных состояний по приведенным выше формулам.

На участках обшивки, примыкающих к ригелям затвора, возникают напряжения сжатия σ_y,как в сжатом поясе ригеля. Если расчетная короткая сторона рассматриваемого участка обшивки в этой зоне совпадает по направлению с пролетным размером ригеля, то напряжения σ_y накладываются на изгибные напряжения в сечениях обшивки. Обшивка в этом случае будет работать как сжато-изогнутая пластинка, пригруженная в поперечном направлении гидростатическим давлением. Ввиду неизученности работы таких элементов можно, для повышения надежности конструкции, увеличить толщину обшивки на указанных участках на 20÷30%. При несовпадении направления короткой стороны участка с направлением ригелей влияние σ_y на величину М^on_в незначительно, и им можно пренебречь.

При назначении толщины обшивки рекомендуется использовать сокращенный сортамент толстолистовой стали, предусматривающий четные толщины листов (6; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 22; 25; 28; 30; 32; 36; 40 мм). Применение полного сортамента стали требует специального заказа стали заводу-изготовителю, что повышает ее стоимость.

Рисунок 10. Схема участка затвора между двумя диафрагмами. Расчетные участки обшивки.

Рассматриваем часть затвора между двумя диафрагмами (рис. 10,а вариант 1).

Обшивку рассчитываем по упругой теории, рассматривая участки 1;2 и 3 как опертые и жестко закрепленные по четырем сторонам. Расчет обшивки выполняем в табличной форме (таблица 5). При этом приняты у_f=1 и F_n=1,15, как для гидросооружения IIIкласса. Материал обшивки - сталь С345-3, как для конструкции I группы в климатическом районе II₂. Расчетное сопротивление стали R_y= 31.5 кН/см² по таблице 51^*СНиП [14], как для листового проката t≤20 мм. Предельный прогиб обшивки f_u=(1/150)l.

Принимаем толщину обшивки 10 м. Для получения толщины обшивки t_об≤10мм на участке 2 введем 2 стрингера (рис.7, а, вариант 2) и вычислим требуемую толщину обшивки по участку 2^III (таблица 5).

Проверим прогиб обшивки на наиболее напряженном участке 2^III по формуле

f= (9.11[5])

где D=

При этом значение D максимальный прогиб обшивки на участке 2^III

f_max=

что составляет l/147<f_u=l/150

Если повторить расчет обшивки с допущением развития пластических деформаций, то можно достигнуть существенного уменьшения толщины обшивки и снижения расхода стали (рис.10,б и таблица 6)

Может быть принята t_об=8 мм.

1.5 Конструирование и расчет стрингеров

Стрингеры, как правило, проектируют продольными неразрезными на весь расчетный пролет затвора.

Стрингеры опираются на вертикальные элементы каркаса - диафрагмы. При диафрагмах сплошного сечения для пропуска стрингеров делают специальные вырезы (рисунок 11). При диафрагмах сквозного сечения пояс диафрагмы смещают от обшивки на высоту сечения стрингера (рисунок 12). В первом случае обшивка оказывается опертой по четырем сторонам (рисунок 13а). Во втором случае нагрузка будет равномерно распределенной по длине стрингера.

Рисунок 11. Схема опирания стрингера на диафрагму сплошного сечения

Рисунок 12. Схема опирания стрингера на диафрагму сквозного сечения

При трапецеидальных грузовых площадях (рисунок 13,б) сначала вычисляют

(ф. 9.12[5])

где 10h_1, кН1м²- гидростатическое давление на уровне оси рассматриваемого стрингера,

a_в и а_н расстояния между стрингерами выше и ниже рассматриваемого,

у_f=1 - коэффициент надежности по нагрузке.

Эту нагрузку, распределенную по трапецеидальному закону, приводят к эквивалентной равномерно распределенной

 (ф.9.13 [5])

Где среднее значение

для верхней и нижней части грузовой площади.

При опирании обшивки только на горизонтальные элементы каркаса расчетная равномерно распределенная нагрузка вычисляется обычным образом

 (ф.9.14 [5])

К расчету принимают наиболее нагруженный стрингер, сечение которого назначают по прочности при поперечном изгибе и проверяют на жесткость по второй группе предельных состояний.

Расчетный изгибающий момент вычисляют, как опорный момент на второй опоре неразрезной балки с числом пролетов 5 и более, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой. Величину этого момента можно вычислить как

 (ф. 9.15[5])

где l_стр = а_диаф - Расчетный пролет стрингера, равный шагу диафрагм;

у_n - коэффициент надежности по назначению.

Требуемый момент сопротивления сечения стрингера находят из формулы прочности при поперечном изгибе без учета развития пластических деформаций

или

В качестве стрингеров используют прокатные швеллеры и двутавры с толщиной стенки не менее 5 мм. При больших нагрузках в сечение стрингера целесообразно включать полосу обшивки  согласно п. 7.12 СНиП [6].

Проверка прокатных балок на прочность от действия Q обычно не делается, так как эта прочность гарантируется, если выполняется условие прочности при поперечном изгибе по моменту.

Жесткость неразрезных балок также не требует проверки. В случае необходимости прогиб неразрезного стрингера в крайнем пролете можно вычислить приближенно, как для балки с одним шарнирно опертым, а вторым жестко заделанным концом по формуле

 см. (ф. 9.16[5])

Предельный прогиб f_u для стрингеров может быть принят равным l_стр/250.

В глубинных затворах стрингеры конструируют и рассчитывают аналогично стрингерам поверхностных затворов. В некоторых случаях оказывается целесообразным для уменьшения толщины обшивки вводить, кроме диафрагм, дополнительные вертикальные элементы или уменьшать шаг диафрагм.

Рассматривается схема с одним стрингером на участке между ригелями затвора по рисунку 10,б. Все элементы каркаса располагаются в одном уровне, обеспечивая отпирание обшивки толщенной t_об=8мм на каждом участке по 4 сторонам. Нагрузка вычисляется для верхней и нижней обвязки и для стрингера. Грузовые площади для указанных элементов показаны на рисунке 14.

Максимальные погонные нагрузки

 (ф.9.12[5])

Величина напора h_в.об и h_и.об для верхней и нижней обвязки принята осреднённой по ширине грузовой площадей этих элементов.

Наиболее разгруженной является стрингер, который и примем к расчету. Эквивалентная равномерно распределенная нагрузка для стрингера

Рисунок 14. Определение грузовых площадей на обвязки и стрингеров

Где

Расчетный изгибающий момент по сечению на второй опоре стрингера как в многопролетной разрезной балке.

 (ф.9.15[5])

Требуемый момент сопротивления в сечении стрингера

Стрингер конструируется из стали С345 с R_y=31,5кН/см² (таблица 51 СНиП [6]). Коэффициент условия работы y_c=1.

Принимаем швеллер №16 по ГОСТ 8240-72 с W_x=93,4см³, I_x=745см³.

Проверка стрингера на прочность по первой группе предельных состояний

M_MAX22,62<R_yWY_c=31,5*93,4*1=29,42*10² кНсм.

Жесткость стрингера проверяем по формуле

 (ф.9.16[5])

1.6 Конструирование и расчет ригелей плоских затворов

Конструирование обычно сводится к назначению размеров элементов сечения ригеля в пролете и на опорах по заданным M_max в пролете в

Q_mаx на опоре, а также с учетом требуемой жесткости. Основным параметром сечения в пролете является высота стенки балки h_w.

Для наиболее нагруженного ригеля, как для простой балки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой вычисляем, в середине пролета кН на опорах  кН

Из формулы прочности при поперечном изгибе находим требуемый момент сопротивления сечения ригеля в середине пролета

_пр=Mmax/R*у_c см³

Оптимальная высота сечения стенки: по условию прочности

 см;

Минимальная высота по условию жесткости

Здесь   высоту принимаем по наибольшей, округляя ее до стандартных размеров листового проката.

По принятой h_w вычисляем требуемую толщину стенки l_w=h_w/λ_w принимая ее также с учетом стандартных толщин листового проката.

Растянутый пояс с безнапорной стороны затвора целесообразно конструировать из широкополосной универсальной стали по ГОСТ 82-70. При этом рекомендуется принимать

Стенка ригеля, как правило, приваривается к обшивке. Тогда поясом ригеля с напорной стороны затвора является полоса обшивки шириною

Площадь сечения пояса

Высоту сечения стенки ригеля на опорах назначаем по принятой ранее h₀, Сечение на опоре проверяют на прочность при действии Q_max по

Формуле

Если прочность стенки не обеспечена, увеличивают ее толщину на участках от опорных сечений ригелей до первых диафрагм. На этих же участках изменяется высота сечения ригеля от  до

Ригели сквозного сечения конструируют и рассчитывают как обычные фермы, приняв расчетную схему по рисунку 15-а или б

Рисунок 15. Геометрическая схема сквозных ригелей.

При сквозных ригелях обшивка опирается и приваривается к поясу ригеля с напорной стороны. Поэтому в поясах возникают изгибающие моменты как в сечениях неразрезной балки. Максимальный изгибающий момент в середине пролета панели грузового пояса ригеля

Наибольший отрицательный момент во вторых от опор узлах грузового пояса

Здесь q, кН/ м - расчетная гидростатическая нагрузка на пояс ригеля;

а, м - длина панели грузового пояса ригеля.

Сечение грузового пояса ригеля целесообразно конструировать из прокатных двутавров (обычных или широкополочных). В сечение этого пояса следует включить полосы обшивки по о 65t_об  каждую сторону от полки поясного двутавра. Грузовой пояс проверяют на устойчивость в плоскости действия М (в плоскости фермы) как внецентренно сжатый стержень, руководствуясь при этом п. 5.27* СНиП [6]. Не следует применять прокат толщиною менее 5 мм.

Конструируется нижний ригель ремонтного поверхностного затвора с расчетной нагрузкой от гидравлического давления q=q_нy_f=21,58*1=21,58кН/м (по примеру 2). Расчетный пролёт L₃=22,5м. Предварительный размеры сечения h_р=2,3м, h₀=0,9м. Предельно допускаемый прогиб f_u=L₃/400. Материал - стали С345 с R_y=31,5кН/см² для листового проката t=1020мм (таблица 51* СНиП [6]) y_н=1.25.

Расчетное усилие в сечениях ригеля на расстоянии L₃/2=11.25м.

На опорах

Требуемые характеристики сечения в середине пролета

Гибкость стенке ригеля по соображениям местной устойчивости принимаем равной

Оптимальная высота стенки ригеля

Минимальная высота

Принимаем h_w=140 см из толстолистовой стали по ГОСТ 19903-74*.

Требуемая толщена стенки

Принимаем

Требуемая площадь безнапорного пояса:

Растянутый пояс с безнапорной стороны затвора принимаем из широкополосной универсальной стали по ГОСТ 8270.

Принимаем

Площадь сечения поясного листа

В сжатый пояс включаем полосы обшивки шириной b_обш (по таблице 9.6[5]).

Для принятого несимметричного сечения определяем положение нейтральной оси Х-Х относительно середины высоты стенки y₀=35 см и геометрические характеристики

Проверяем ригель на прочность при изгибе по сечению на расстоянии 0,5L₃

И на жесткость

Сечение отвечает условиям прочности и жесткости. 0,0060368896

Проверяем на прочность при действии Q_MAX

1.7 Местная устойчивость элементов ригелей сплошного сечения

В балках составного сечения под влиянием внешних воздействий местную устойчивость могут терять сжатый пояс и стенка на участках, испытывающих сжимающие и сдвигающие усилия. Ширина полосы b₁, обшивки, учитываемой в составе пояса ригеля заведомо сохраняет местную устойчивость, если где b₁ - расстояние от стенки ригеля до ближайшего стрингера; σ₀- напряжения сжатия в обшивке от общего изгиба ригеля.

При условной гибкости стенки λ_w > 3,2, она должна быть проверена на местную устойчивость на участках, ограниченных поясами и диафрагмами. Расчет выполняют согласно разделу 7 СНиП [6]. Проверке обычно подвергают два участка стенки: один в середине пролета балки, а второй непосредственно примыкающий к месту изменения сечения ригеля.

Проверяется стенка ригеля, сконструированного в предыдущем примере. Принимаем диафрагмы сплошного сечения, расположенные с шагом 2,35 м. Стенки диафрагм привариваются к стенкам ригелей и выполняют роль ребер жесткости. Расчетная схема стенки показана на рис. 16.

Условная гибкость стенки . Поэтому стенка должна быть проверена на местную устойчивость. Проверяются два участка стенки - 1 и 2. Поскольку местные напряжения и согласно п. 7.4 СНиП [6], местная устойчивость стенки проверяется по формуле (см. главу 3)

Критическое нормальное напряжение

Величина может быть принята по таблице 21[6], равной 35,5, как для δ > 30, потому что обшивку можно рассматривать как плиту, непрерывно опирающуюся на пояс балки, чему соответствует в формуле (77) для вычисления δ.

Для принятой стали С345-3 расчетные сопротивления

Критическое касательное напряжение

Здесь - отношение большей стороны к меньшей;

, так как меньшей стороны d рассматриваемого участка является высота сечения стенки .

Для вычисления действующих напряжения  и , согласно п. 7.2 СНиП [6], взяты среднее значения M и Q по усилиям в сечениях 1 и 2, для участка 1 и в сечениях 3 и 4 для участка 2.

Расчётные усилия в указанных сечениях

Расчётные напряжения для первого участка:

Проверка местной устойчивости стенки

Устойчивость стенки обеспечена.

Расчетные напряжения для второго участка:

Проверка местной устойчивости стенки

Устойчивость ригеля обеспеченна.

.8 Расчет поясных швов и опорных прикреплений ригелей

Поясные швы выполняются в заводских условиях автоматической и полуавтоматической электродуговой сваркой. Рассматривают швы на удельное сдвигающее усилие Т кН/см по опорному сечению ригеля, где сдвигающее усилие достигает максимального значения.

Здесь S_пояса и I_х0 - для опорного сечения ригеля.

Требуемую высоту катетов поясных швов, согласно п.п. 11.2 и 11.16 СНиП [6] определяют по формуле

Поскольку требуемая высота катета шва обычно получается незначительной, и ее назначают по конструктивным соображениям, руководствуясь п. 12.8 и таблицей 38* СНиП [6], то при определении k_f у можно ограничиться формулой прочности по металлу шва и пренебречь гидростатической нагрузкой на пояс ригеля.

Конструкция прикрепления ригеля к опорно-концевой стойке показана на рисунке 16.

Стенка ригеля прикрепляется к стенке опорно-концевой стойки двумя швами 1. Расчетная длина каждого из этих швов

Где h_w0- высота стенки опорно-концевой стойки, равная высоте стенки ригеля в опорном сечении;

см - стандартный размер скосов стенки ригеля для избежания концентрации напряжений в точке схождения швов.

Через швы 1 со стенки ригеля на стенку опорно-концевой стойки

передается усилие, равное Q_max в опорном сечении ригеля. Швы выполняются ручной или полуавтоматической сваркой в заводских или монтажных условиях. Требуемая высота шва по катету определяется обычным образом по формулам п. 11.2 СНиП [6] и принимается согласно п. 12.8 и таблице 38* СНиП [6].

Длина шва не должна быть больше 85*k_f*β_f. В противном случае должна быть скорректирована k _f или пересчитана требуемая k _f при

 при полуавтоматической сварке.

Поясные швы выполняются автоматической сваркой сварочной проволокой Св-10Г2 по ГОСТ 2246-70* и флюсом AН-47 по ГОСТ 9087-81* согласно п. 2.2 и таблице 55* СНИП [6]. Расчётные сопротивления  и  согласно таблице 3*;51* и 56 СНиП [6]. Расчётное сдвигающее усилие .

Требуемая высота поясного шва по катету, , где по таблице 34* СНиП [6] при диаметре электрода 1,4-2 мм; сварка в лодочку и , по таблице 11.2 [6], по таблице 6* [6].

По конструктивным соображениям согласно 38* СНиП [6] принимаем для поясных швов .

Расчётная длина швов, прикрепляющих стенку ригеля к опорно-концевой стойке .

Однако , поэтому принимаем

Принимаем

.9 Конструирование и расчет связевой (весовой) фермы поверхностного затвора

Пояса двухригельных поверхностных затворов с безнапорной стороны раскрепляют на участках между диафрагмами диагональными нисходящими элементами из одиночных уголков. Последние вместе с поясами ферм и диафрагм образуют вертикальную ферму, повышающую общую пространственную жесткость затвора и воспринимающие на себя часть веса затвора при подъеме и опускании его (рисунок 17).

Рисунок 16. Схема передачи узловых нагрузок

При подъеме затвора его вес распределяется между двумя жесткими в вертикальной плоскости элементами - обшивкой и связевой или весовой фермой. Поскольку положение центра тяжести неизвестно, то условно считают, что на весовую ферму передается 0,4 полного веса затвора. На этапе проектирования массу затвора можно определить по приближенной формуле [8]

(ф.9.17 [5])

Где  полная расчетная гидростатическая нагрузка затвор, кН.

При статическом расчете связевых ферм достаточно определить усилие в опорном раскосе и растягивающее усилие в нижнем поясе. Все раскосы принимаются такими же, как и опорный. Растягивающее усилие накладывается на усилия в растянутом поясе нижнего ригеля, и должно быть учтено в расчете ригелей.

В многоригельных и глубинных затворах связевые (весовые) фермы можно не делать, так как пояса ригелей и диафрагм образуют достаточно жесткую в вертикальной плоскости конструкцию.

Затвор размерами: H₀=8,16 м, L₃=23,7 м; с расстоянием между ригелями шагом диафрагм 2,4 м.

Q=0,5*10*H₀²*L₃*γ_f=0,5*10*8,6²*23,7=8764 кН

Масса затвора

Расчетная погонная нагрузка на ферму

q=0,4*9,81*γ_f*G/L₃=0,4*9,81*1,1*104,7/23,7=19 кН/м

Опорные реакции фермы

R_y*A*γ_f*1/γ_n=31,5*8,15*0,95*1\1,25=195 кН>N_оп

Растягивающее усилие N вызывает в поясе ригеля сечением 35*3,3 см, дополнительные напряжения растяжения σ_доп=416,9/(35*3,3)=416,9/115,5=3,6 кН/см², что не отражается на надежности ригеля, имеющего 8% запаса прочности.

2. Экскурсия группы ГТС 10-01 на Майнскую ГЭС

При изучении курса «Металлические конструкции» читают лекции, ведутся практические занятия, курсовое проектирование. В этой связи, д.т.н. профессором Нагрузовой Л.П. была организована экскурсия на Майнскую ГЭС. Экскурсия на Майнскую ГЭС помогла студентам разобраться, что такое металлическая балочная клетка при проектировании плоского аварийно-ремонтного скользящего затвора, на какие нагрузки ведется расчет и цель расчетов, т.е. понять основы расчета и проектирование в гидросооружениях.

конструирование затвор стрингер ригель

Список литературы

1) Гидротехнические сооружения. Часть 2.\Л.Н.Рассказов, В.Г. Орехов и другие. Под редакцией Л.Н. Рассказов. - М; Издательство «АСВ», 2002.-526с.

2)      Гидротехнические Сооружения. \В.Г. Железняков, Ю.А. Ибад-заде, П.Л. Иванов и другие. Под общей редакцией В.П. Недриги. -М; Стройиздат 1983.-543с.Металлические конструкции. \Е.И. Беленя, В.А. Балдин и другие. Стройиздат, 1986.-474с.

)        Металлические конструкции Ю.И. Кудишин, Е.И. Беленя, В.С. Игнатьева и другие.- М; Издательство «Академия» 2006.-68с.

)        Металлические конструкции в гидротехнике Учебное издание И.И. Кошин и другие.- М; Издательство «АСВ», 2002.-192с.

)        СНиП II-23-81* «Строительные конструкции». М. 1995

)        СНиП 33-01-2003 «Гидротехнические Основные положения». М. Госстрой, 2004. 25с.

)        СНиП 2.06.01.-86 «Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования». -М.: 1998.