Сварной двухригельный плоский затвор

Содержание:

1. Исходные данные для проектирования, выбор схемы затвора и назначение основных его размеров.
1. Исходные данные, нагрузки, действующие на затвор;
2. Материалы для затворов и соединений, расчётные характеристики;
3. Основные конструктивные требования;
4. Назначение основных размеров затвора;
5. Конструирование поперечного разреза затвора;
2. Расчёт обшивки, вспомогательных балок и стоек.
1. Расчёт обшивки;
2. Расчёт вспомогательных балок;
3. Расчёт стойки;
3. Расчёт ригеля;
1. Определение нагрузок на ригель;
2. Назначение высоты сечения ригеля;
3. Назначение недостающих и уточнение ранее принятых размеров поперечного сечения ригеля;
4. Проверка подобранного сечения;
5. Проверка местной устойчивости стенки;
6. Назначение размеров поперечных рёбер жёсткости;
7. Расчёт поясных швов;
8. Назначение размеров опорно-концевой стойки и расчёт прикрепления к ней ригеля;
4. Расчёт поперечных и продольных связей;

4.1 определение усилий  в продольных связях.

 

1. Исходные данные для проектирования, выбор схемы затвора и назначение основных его размеров.
1. Исходные данные, нагрузки, действующие на затвор.

Исходными данными для  проектирования являются:

 -Ширина отверстия в свету .;

-Глубина воды над порогом в ВБ с учётом ветрового нагона (напор воды) – H= 5.8 м.;

 -Материал затвора (марка стали) – ВСт3пс6;

 -Материалы для автоматической и ручной сварки:

  а) марка сварочной проволоки – св-08А;

  б) тип электрода – Э42А.

 -Затвор ремонтный;

  Основной нагрузкой на затвор является гидростатическое давление. Эпюра гидростатического давления на поверхностный затвор показана на рис.1. Она показывает распределение нагрузки по высоте затвора. По длине затвора нагрузка принимается равномерно распределённой.

  Гидростатическое давление (P) на любом уровне водоудерживающей поверхности затвора прямо пропорционально глубине погружения (H) и направленно нормально к этой поверхности. Величину его определяют по формуле:

 

Где: 0,0001 – коэффициент согласующий размерности;

 – плотность воды ();

H – глубина погружения, м.;

;

2. Материалы для затворов и соединений, расчётные характеристики;

  Элементы подвижных частей затворов  рассчитывают на прочность и устойчивость по расчётным предельным состояниям.

  Расчётное сопротивления стали в элементах металлических конструкций подвижных частей затвора при расчёте на статическую прочность и устойчивость определяют по формуле:

 

Где: - нормативное сопротивление по пределу текучести стали;

-  коэффициент  (или произведение коэффициентов)  условий работы;

- коэффициент  надёжности по материалу, учитывающий  возможные отклонения сопротивлений  материала в неблагоприятную сторону;

 – коэффициент перехода  к производным сопротивлениям (при  осевом растяжении и сжатии  , при изгибе , при сдвиге ).

  Аналогично определяем расчётные сопротивления сварных соединений. Коэффициент условий работы учитывает возможные отступления действительной конструкции от спроектированной ( коэффициент ). Кроме того этот коэффициент учитывает возможность появления предусмотренных расчётом различных неблагоприятных условий работы конструкции и условность расчётной схемы (  коэффициент ).

  При наличии нескольких факторов условности расчёта при определении учитывается произведении коэффициентов условий работы, для затворов ГТС

Значения расчётных сопротивлений  и сварных соединений с угловыми швами выпишем в табличной  форме (табл.1, табл.2.)

Таблица 1. Расчётные сопротивления  стали, МПа.

Марка стали	Вид проката	Толщина проката, мм		Для затворов
				При осевом растяжении и  сжатии	При изгибе	При сдвиге
C245 ВСт3пс6	Лист	4-20	225	162	170,1	93,96
	фасон	4-20	235	169,2	177,7	98,14

Примечание:

 

 

 

Таблица 2. Расчётные сопротивления  сварных соединений с угловыми швами, МПа.

Сварочные материалы		Напряжённое состояние
Тип электрода	Марка проволоки	Срез по металлу шва	Срез по металлу границы  сплавления
Э42А	СВ-08А	130	118

Примечание:  
по СНиП; 

 

3. Основные конструктивные требования.

  Конструкции затворов должны быть надёжными и возможно более простыми. При проектировании следует принимать все возможные меры к уменьшению трудоёмкости и ускорению процессов изготовления и монтажа конструкций. При разбивке затворов на отправочные марки нужно учитывать габариты транспортных средств и удобство транспортирования. При этом следует стремится к тому, чтобы максимум работ был выполнен на заводе.

  Предельный относительный прогиб главного ригеля затвора от нагрузок, вычисленных без учёта коэффициент надёжности по нагрузке, принимается для поверхностных ремонтных затворов:

 

  Допускаемые относительные прогибы вспомогательных элементов балочной клетки принимаем равными:

 

 

 

 

 

4. Назначение основных размеров затвора;

Расчётный пролёт затвора  определяют по формуле:

,

Где: l - отверстие в свету ( расстояние между бычками);

с – расстояние от края бычка  до оси опорно-ходовых частей.

  Расстояние с должно обеспечить размещение в пазах неподвижных частей затвора. Для затвора со скользящими опорами принимаем с = 250 мм.

 

Величину нагрузки передаваемой на одну опору определим по формуле:

,

  Нагруженный пролёт ( расстояние между вертикальными боковыми уплотнениями) принимаем равным:

 мм,

 м.,

 

В поверхностных затворах высота нагруженной части равна  напору:

 

  Предварительно назначим высоту сечения ригеля. Высота зависит от типа и назначения затвора, а также от марки стали.

  В поверхностных затворах предварительно высоту ригеля принимаем ( для малоуглеродистых сталей):

 

Принимаем м.

В поверхностных затворах обычно высоту ригеля на опоре уменьшают, принимая равной

 

Принимаем

  Такое изменение высоты позволяет уменьшить ширину ниши низового устройства и длину бычков, а также несколько уменьшить общий вес ригеля. Изменяют высоту ригеля в крайних панелях. 
  Стенку ригеля разбиваем на 6 панелей поперечными рёбрами жёсткости, к которым прикрепляются элементы поперечных связей. Длину панели назначаем в пределах

 ;

Принимаем 6 панелей  Схема представлена на рис. 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.

 

 

Полная высота поверхностного затвора определяется по формуле:

Где: - расстояние от уровня горизонта верхнего бьефа до верхней точки затвора (запас на УВБ), принимаем

 

1.5. Конструирование поперечного разреза затвора.

  Условием правильного размещения ригелей в плоских затворах являются равномерность их загружения давлением воды. При соблюдении этого условия ригеля получаются одинакового сечения. В двухригельном затворе их устанавливают на равнодействующей давления воды. 
  Для поверхностного затвора положение равнодействующей гидростатического давления определяется как:

 

  Затем назначаем расстояние от нижней точки затвора до оси нижнего ригеля. Это расстояние должно обеспечивать размещение опорно-ходовых частей.

Для затворов со скользящими  опорами:

 

Принимаем

Расстояние между ригелями получаем из выражения:

 

Вылет верхней консоли равен:

 

  Затем проверяют угол α между плоскостью водослива и нижней кромкой ригеля затвора. Если он меньше 30^о, то при поднятии затвора вытекающая из под него вода захлёстывает нижний ригель и создаёт под ним разрежение, увеличивающее подъёмное усилие. В этом случае возникает значительная и резко меняющаяся динамическая нагрузка, создающая вибрацию затвора.

  Для устранения этих явлений в стенке сплошного нижнего ригеля по линии нейтральной оси необходимо устраивать отверстия для прохода воздуха в зону возможного разрежения. Суммарная площадь этих отверстий должна быть не менее 0.2 всей площади стенки ригеля. Чтобы определить угол α, можно предварительно принять ширину безнапорного пояса, равную от высоты ригеля h.  

Расстояние между вспомогательными балками определяется конструктивными  требованиями, согласно которым должна быть обеспечена пространственная жёсткость  затвора и устойчивость обшивки  на участке между балками. Указанные  требования выполняются, если расстояние в свету между соседними балками  из двутавров или расстояние между наружными плоскостями стенок балок из швеллеров не более:

  (толщина обшивки) – на участке между ригелями;

  - в верхнем консольной участке поверхностного затвора.

  Поперечные связи располагаются в вертикальной плоскости перпендикулярно обшивке затвора, их выполняем сквозными, т.е. вертикальные фермы, расположенные друг от друга на расстояние, равном длине панели ригеля. На рис.3 представлена схема ферм поперечнфх связей поверхностного затвора.

  Выбор типа решётки ферм зависит от высоты затвора и высоты ригеля. Угол между направлениями раскосов и поясов следует назначать в пределах 30⁰ – 60⁰.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3 Схема ферм поперечных связей

 

2. Расчёт обшивки, вспомогательных балок и стоек

2.1.   Расчёт обшивки

  Стальная обшивка совместно с балочной клеткой образует жёсткий диск, который надёжно обеспечивает неизменное положение в пространстве сжатых поясов ригелей и их устойчивость в вертикальной плоскости. Поэтому со стороны стальной обшивки, приваренной непосредственно к поясам ригелей, можно не устраивать продольных связей – роль их выполняет она сама. Кроме того, мощная стальная обшивка с развитой в продольном направлении балочной клетки принимает большое участие в работе всего затвора на изгиб и позволяет рассчитывать его как пространственную конструкцию с включением обшивки в расчётное сечение.

  Затвор рассчитываем с разбивкой на плоские составляющие элементы. Часть стальной обшивки включают в расчётное сечение вспомогательных балок и напорных поясов ригелей, непосредственно примыкающих к обшивке.

Принимаем толщину обшивки 

  Листы, образующие обшивку, располагают так, чтобы кромки большей стороны листа были  параллельны ригелям, что даёт возможность транспортировать негабаритные затворы отдельными марками, не нарушая целостности ригелей.

  Расчётная схема обшивки представляет собой удлинённую пластинку, упруго защемлённую по длинным сторонам. Расчёт таких пластинок производим, выделяя из неё полоску единичной ширины (обычно 1 см). В результате получим вертикально расположенную упруго-защемлённую балку пролётом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4 Расчётная схема  обшивки

 

Из условия прочности 

Расчётный изгибающий моменты  в обшивке:

 

Момент сопротивления  полосы обшивки шириной 1 см:

 

 

Допустимый пролёт обшивки:

 

Где:

 – расчётное  сопротивление при изгибе листовой  стали толщиной 10 мм.

 

Полученную величину сравниваем с принятым при конструировании  поперечного сечения затвора  расстоянием между вспомогательными балками.

 

Вывод: Условие выполнено, дополнительных вспомогательных балок  не требуется.

 

2.1.   Расчёт вспомогательной балки.

  Вспомогательные балки являются горизонтальными элементами балочной клетки и служат опорами для обшивки.

  Вспомогательные балки рассчитывают на действие гидростатического давления передаваемого обшивкой. В качестве расчётной схемы горизонтально расположенных балок, опирающихся на стойки, принимают многопролётную неразрезную балку, нагруженную во всех пролётах равномерно-распределённой нагрузкой. Пролёты неразрезной балки равны длине панели 

Нагрузка на вспомогательную  балку q определяется по формуле:

 

Где:

  - среднее гидростатическое давление по высоте рассматриваемой грузовой площадки

 

 

 

Максимальный изгибающий момент в базе (у первой промежуточной  опоры) равен:

 

 

Требуемый момент сопротивления:

 

Где:

- расчётное сопротивление  при изгибе фасонной стали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 5. Расчётная схема  и расчётное сопротивление вспомогательной  балки: а) расчётная схема б)определение размера   в)расчётное сечение

По сортаменту двутавр №16.

  Т.к обшивка приваривается к полке вспомогательной балки и включается в её работу, проверим возможность использовать в качестве вспомогательной балки двутавр №14

 

Где:

 – ширина полки  двутавра;

 – расчётное сопротивление  стали по [3];

 – модуль упругости стали.

 

Из определения статического момента:

 

 

 

 

Таким образом в качестве вспомогательной балки оставляем двутавр №14

Проверка прочности:

 

 

Проверяем относительный  прогиб вспомогательной балки:

 

 

 

2.3.   Расчёт стойки

Опорами для горизонтально-расположенных  вспомогательных балок служат стойки. Фактически стойки являются поясами поперечных связевых ферм, причём нагрузка на ферму от вспомогательных балок передаётся не в узлах, а в пролёте, в результате чего пояса стойки получают дополнительный изгиб.

Каждую панель пояса-стойки поперечной связевой фермы рассматриваем  как однопролётную балку, но вычисленный  для неё момент увеличивается  на 25% (тем самым учитываем влияние  продольной силы). Опорами для таких  однопролётных  балок служат элементы решётки поперечных связей и ригели, (рис. 6).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.6 Расчётная схема  стойки балочной клетки

Определим величины нагрузок, передаваемых вспомогательными балками  на стойки:

 

 

 

 

; 

По максимальному изгибающему  моменту в наиболее нагруженной  балке, увеличенному на 25%, определяем требуемый момент сопротивления  стойки:

_³

Где: R_y(из) – расчетное сопротивление при изгибе фасонной стали.

 

 

 

 

По сортаменту двутавр№33 W_s = 597 см³; h=33см.

Относительный прогиб стойки можно с малой долей погрешности, идущей в запас, определять по формуле:

 

Где: М-расчетный изгибающий момент в стойке : М=1.25*М_max = 10404.38 кН/см;

l_s - пролет стойки;

h_s, W_s – высота и момент сопротивления сечения подобранной стойки

.

 

3. Расчет ригеля.

3.1.   Определение нагрузок на ригели.

Ригели – основные несущие  элементы затвора. Принимаем их в  виде составных сварных балок. Расчетная  схема ригеля (рис.7.) – это однопролетная  шарнирно опертая балка, нагружена  равномерно распределенной нагрузкой  на длине l_hyd.

Так как размещение ригелей  по высоте было осуществлено, исходя из их равномерности гидростатическим давлением, то равномерно распределенная нагрузка на каждый ригель от этого  давления может быть определена следующим  образом:

 

 

3.2.   Назначения высоты сечения ригеля.

Высота составной балки  определяется из двух условий:

1. Из условия обеспечения  допустимого относительного прогиба  – минимальная высота балки  h_min;

2. Из условия обеспечения  минимальной металлоемкости балки  – оптимальная высота h_opt;

Минимальную высоту сечения  определяем по формуле:

 

 

Где:

R_y(из) – расчетное сопротивление при изгибе листовой стали толщиной более 20 мм;

l_ef- расчетный пролет ригеля;

Е – модуль упругости  стали;

γ_f -  коэффициент надежности по нагрузке (для гидростатической нагрузки γ_f=1);

k₁-  коэффициент, учитывающий влияние собственного веса на усилия в поясах ригеля k₁=1.1

k₂ - коэффициент, учитывающий увеличение прогиба вследствие изменения высоты ригеля на опорах, k₂=1.08

- допустимый относительный  прогиб ригеля.

 

 

 

 

 

 

Оптимальную высоту балки  определяем по формуле:

 

 

Где:

λ_w = - принимается при назначение оптимальной высоты балки равной:

  (R_y принимаем по [3] для листовой стали толщиной до 20 мм.);

 

h_ef и t_w – соответственно высота и толщина стенки.

Требуемый момент сопротивления  сечения ригеля:

 

Где:

 

 

 

   
h_min= 103.82 см < h_opt = 135.48 см.

Принимаем:  h= 125 см. (сталь толстолистовая по ГОСТ 19903-74)

  Во всех случаях учитываю то обстоятельство, что в сечение напорного пояса вводят часть приваренной к нему обшивки, в результате полная высота балки ригеля равна:

 

где

– толщина безнапорного пояса;

- толщина напорного  пояса;

 - толщина обшивки.

 

 

Высота балки на опоре:

 

 

 

 

 

 

3.3.   Назначение недостающих и уточнение ранее принятых размеров поперечного сечения ригеля.

Определим толщину стенки, расчет ведем исходя из условий:

А) Из условия обеспечения  прочности стенки по касательным  напряжениям:

 

Б) Из условия обеспечения  местной устойчивости:

 

В) Условие обеспечения  технологического требования: минимальная  толщина стенки t_w= 8 мм.

Принимаем t_w= 1 см.

Для назначения размеров поясов прежде всего определяют требуемый момент инерции балки:

 

Момент инерции складывается из моментов инерции стенки  и  поясов:

 см⁴.

Выразим момент инерции поясов через площадь пояса А_f

 

h_f- расстояние между центрами тяжести поясов.

Требуемая площадь пояса  балки ригеля:

 

 

  Окончательно ширину безнапорного пояса назначаем исходя из следующих конструктивных требований:

• Обеспечение местной устойчивости полки

 

• Конструктивные требования:

b_f  ≥ 18 cм.

b_f  ≥ 0.1h = 12.9 cм.

Окончательно назначаем  b_f = 38см.

A_f = b_f * t_f = 38 * 2 = 76 см²

  Ширину напорного пояса назначаем из условия равенства площадей напорного и безнапорного поясов, из соображений равнонагруженности обоих поясов А_f^` A_f

  Учитываю, что в состав напорного пояса включается часть примыкающей к поясу обшивки со свесами, равными:

 

 

Тогда

 

 

Принимаем:

 

 

3.4.   Проверка подобранного сечения.

  В общем случае в балках производиться 3 основные проверки: прочности, прогиба и общей устойчивости.

Предварительно определим  фактические геометрические характеристики:

 

 

 

 

 

Выполним проверку прочности  по нормальным напряжениям 

 

Выполним проверку прочности  по касательным напряжениям в  стенке ригеля.

 

Прочность обеспечена, произведем проверку максимального относительного прогиба.

 

 

Запас прогиба:

Вывод: величина прогиба  меньше допустимой, так как ширина безнапорного пояса принята большей, исходя из конструктивных требований, чем необходимая по расчету.

 

3.5.   Проверка местной устойчивости стенки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Потеря местной устойчивости- местное выпучивание отдельных элементов конструкции под действием сжимающих нормальных или касательных напряжений.

  Устойчивости стенки добиваются не увеличением ее толщины, а укреплением ее ребрами жесткости.

Укреплять стенку балки поперечными  ребрами жесткости необходимо при  условии:

 

 

Так как отношение высоты стенки к толщине:

 

То требуется проверить  местную устойчивость стенки по формуле:

 

Где:

- краевое сжимающее напряжение  в стенке;

- среднее касательное  напряжение в стенке;

значения критических  нормальных и касательных напряжений при их раздельном действии.

Краевое сжимающее напряжение:

 

 

 

 

 

Среднее касательное напряжение:

 

 

Критическое нормальное и  касательное напряжения:

 

 – коэффициент, учитывающий степень упругого защемления стенки.

 – условная  гибкость стенки.

 

 

 

-отношение большей стороны к меньшей.

 

 

d- меньшая сторона рассматриваемого участка, в ригелях d= h_ef

поэтому =

 

Местная устойчивость стенки обеспечена.

 

3.6.   Назначение размеров поперечных ребер жесткости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поперечные ребра жесткости  принимают парными, симметричными  по обе стороны стенки.

Определим ширину ребер:

 

К поперечным ребрам жесткости  ручной сваркой прикрепляются стойки балочной клетки. Поэтому ширина ребра  должна обеспечивать возможность такого прикрепления. В этом случае она  должна быть не менее:

 

Где:

 требуемая  длина одного углового шва  для прикрепления стойки к  ребру;

50 мм – зазор между  стенкой балки и стойки, оставляемый  с целью уменьшения остаточных  сварочных напряжений.

 

13 МПа.

F – опорная реакция в стойке;

- количество швов;

катет углового шва;

1 см – добавляется  к длине шва из-за непровара в его начале и конце.

Принимаем по сортаменту =130 мм.

Толщина ребра:

 

Принимаем размер полосы по ГОСТ 103-76. 9х130мм

 

3.7.   Расчет поясных швов.

Соединение поясов составной  балки со стенкой осуществляем поясными швами.

 

T- сдвигающая сила;

- расчетная поперечная  сила;

 – статический  момент пояса относительно нейтральной  оси сечения балки на опоре;

- момент инерции  сечения балки на опоре.

, отсюда 

 

Назначаем

 

3.8.   Назначение размеров опорно-кольцевой стойки и расчет прикрепления к ней ригеля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Условия работы опорно-кольцевых стоек, а следовательно и конструктивное оформление их зависит от количества ригелей и типа опорно-ходовых частей.

  Ширина полки должна обеспечить размещение опорно-ходовых устройств.

  Для скользящих опор = 400 мм.

  Толщину полки для более устойчивого крепления к полке ригеля принимаем 20мм.

  Ригель примыкает торцом своих стенок к стенкам опорно-кольцевых стоек.

  С некоторой долей запаса, принимаем, что два угловых шва, соединяющих стенки друг с другом, воспринимают опорную реакцию ригеля.

Расчетом проверяем прочность  этих швов:

 

Где:

 фаска в стенке ригеля  для пропуска поясных швов  опорно-кольцевой стойки;

1 см – добавление к  длине шва на непровар.

Определяем необходимый  катет шва:

 

Принимаем

 

4. Расчёт поперечных и продольных  связей

  Поперечные связи  представляют собой вертикально  расположенные фермы, поясами  которых являются с одной стороны  стойки балочной клетки, с другой  – стойки продольной связевой  фермы и подкос верхней консольной  части затвора.

  Нагрузка на фермы  в виде сосредоточенных сил  передаётся через вспомогательные  балки и непосредственно через  напорные пояса ригелей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реакции опор и равны:

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

Из уравнений статики  определяем и

 

 

 

 

Из диаграммы Максвелла-Кремоны

Усилие в стержне , а в стержне .

Подбор сечения производится из условия обеспечения его устойчивости и жесткости.

 

 

Стержень :

Так как , то  , тогда для , .

Из условия устойчивости:

 

Из условия жёсткости:

 

При расчёте стандартных  сечений используем коэффициент  формы 

Из  находим

По сортаменту принимаем  полосу размером 100х7

Проверка подобранного сечения

Проверка обеспечения  местной устойчивости стенки тавра:

Фактические геометрические характеристики подобранного сечения

 

 

Радиус инерции сечении  относительно оси y:

 

 

По таблице находим, что 

 

Следовательно устойчивость обеспечена.

Запас устойчивости:

 

Стержень :

 Так как , то  , тогда для , .

Из условия устойчивости:

 

Из условия жёсткости:

 

При расчёте стандартных  сечений используем коэффициент  формы

 

Из  находим

По сортаменту принимаем  полосу размером 95х7

Проверка подобранного сечения

Проверка обеспечения  местной устойчивости стенки тавра:

Фактические геометрические характеристики подобранного сечения

 

 

Радиус инерции сечении  относительно оси y:

 

 

По таблице находим, что 

 

Следовательно устойчивость обеспечена.

Запас устойчивости:

 

Обозначение элементов	Усилие кН	Размер Полосы, мм.									Запас %
ab21	-48.75	100x7	14	305	2.05	148.8	0.301	14.46	16.2	0.8	10.7
cd3	-47.5	95x7	13.3	285	1.94	146.9	0.309	14.45	16.2	0.8	10.8

 

4.1.    Определение усилий в продольных связях.

Продольные связи вместе с безнапорными поясами ригелей  образуют продольную связевую ферму.

Вес затвора определяется по формуле: