Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет»

инженерная Школа

Кафедра Строительных конструкций и материалов

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Металлические конструкции (общий курс)»

«Проект затвора для водосбросных сооружений гидроузла на реке А (створ 1)»

Нечунаев Никита Андреевич

Владивосток

2018



Оглавление

• Задание на проектирование
• Введение
• 1. Определение генеральных размеров и компоновка каркаса поверхностного затвора
• 1.1 Компоновка пролетного строения затвора
• 1.2 Определение действующих на пролетное строение сил
• 1.3 Выбор марки стали для элементов пролетного строения
• 2. Конструирование и расчет обшивки затвора
• 3. Конструирование и расчет стрингеров
• 3.1 Назначение расстояний между стрингерами
• 3.2 Подбор сечения стрингеров
• 4. Конструирование и расчет ригелей
• 4.1 Подбор сечения ригеля
• 4.2 Проверка прочности и жесткости ригеля
• 4.3 Проверка местной устойчивости сжатых элементов ригеля
• 4.4 Расчет отверстий для пропуска воздуха
• 4.5 Расчет поясных швов
• 5. Расчет диафрагмы
• 5.1 Конструирование и расчетная схема
• 5.2 Проверка прочности узлов диафрагм
• 6. Ферма продольных связей
• 7. Опорно-ходовые части
• 8. Обогрев зимой
• 9. Подъемные механизмы затворов
• Список литературы
• затвор ригель стрингер диафрагма


Введение

В данном курсовом проекте рассматривается наиболее распространённый тип плоского затвора, в котором четко проявляется конструктивная форма основных несущих элементов металлических конструкций - балок. Разрабатывается подвижная часть плоского двухригельного затвора для поверхностного водосбросного сооружения гидроузла. Необходимо выполнить компоновку пролетного строения затвора, расчет его основных элементов и соединений и определить массу подвижной части, чертеж пролетного строения.

Исходные данные:

ѕ L₀=16 м - длина перекрываемого отверстия

ѕ H₀=8 м - высота перекрываемого отверстия



1. Определение генеральных размеров и компоновка каркаса поверхностного затвора

1.1 Компоновка пролетного строения затвора

Генеральные размеры затвора определяются заданными шириной отверстия L₀ и его высотой H₀.

Превышение затвора над нормальным подпорным уровнем (НПУ) принимаем равным 200 мм.

Обшивка непосредственно воспринимает гидростатическое давление и передает его на ригели через систему подкрепляющих ее элементов - стрингеров.

Стрингеры располагаются параллельно ригелям и опираются на поперечные балки - диафрагмы, которые, в свою очередь, крепятся к ригелям.

Ригели опираются по концам на стойки, передающие нагрузку на ходовые части затвора. Схема плоского затвора представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Схема плоского затвора (1 - обшивка; 2 - диафрагмы (стойки); 3 - стрингеры (вспомогательные балки); 4 - ригели; 5 - опорно-концевые стойки; 6 - продольные связи; 7 - опорно-ходовые колеса; 8 - боковые направляющие колеса; 9 - обратные колеса; 10 - боковое уплотнение; 11 - донное уплотнение; 12 - опорно-ходовой путь; 13 - подвесные устройства)

Расположение боковых уплотнений определяет нагруженный пролет затвора L₀, равный ширине перекрываемого отверстия рабочий пролет ригелей L_р, равен расстоянию между осями рельсовых путей. Схема расположения ригелей представлена на Рисунке 1.2.

Рабочий пролет определяется по формуле:

(1.1)

где a - расстояние от кромки паза быка до оси рельса, м.

Расстояние от кромки паза быка до оси рельса находим по формуле:

(1.2)

Соответственно a=0,4 м.

Подставляем значения в формулу (1.1):

Межригельное расстояние l_р, м, определяется по формуле:

(1.3)

где H₀ - высота перекрываемого отверстия, 8 м,

l_в - длина верхней консоли затвора, м, подбирается в зависимости от условия



l_н - длина нижней консоли затвора, м, подбирается в зависимости от условия

Задаемся длиной нижней консоли м, и верхней консоли , задаемся (исходя из ). Тогда по формуле (1.3) получим:

Рисунок 1.2 - Схема расположения ригелей

1.2 Определение действующих на пролетное строение сил

В курсовом проекте рассматривается сила только от гидростатического давления со стороны верхнего бьефа. Сила давления воды на затвор на погонный метр ширины отверстия со стороны верхнего бьефа T, кН/м, определяется горизонтальной равнодействующей по формуле

(1.4)



где - удельный вес воды, равный 9,81 кН/м²,

Сила гидростатического давления на затвор приложена на расстоянии H₀/3 от низа отверстия и в то же время действует на равном расстоянии от верхнего и нижнего ригеля.

Так как расстояние от места приложения силы до каждого из ригелей одинокого, то нагрузку на один ригель q, кН/м, определим по формуле

(1.5)

Расчетная схема ригеля представляет собой статически определимую балку на двух опорах, представлена на Рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Расчетная схема ригеля

Исходя из расчетной схемы, определим реакцию Q с опорных стоек по формуле:

(1.6)

Для это же расчетной схемы определим максимальный изгибающий момент М, кН^.м, по формуле

(1.7)

1.3 Выбор марки стали для элементов пролетного строения

Выбор марки стали производится в зависимости от условий эксплуатации затвора и экономических соображений.

Температура эксплуатации затвора t_э=-40. Подбираем марку стали по таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Подбор марки стали

Марка стали
	2	4	6
С255	+	+
С285		+	+
С345			+

Принимаем марку стали С345.



2. Конструирование и расчет обшивки затвора

Согласно рисунку 2.1 обшивка 1 непосредственно воспринимает гидростатическое давление и передает его на ригели 2 через систему подкрепляющих ее элементов - стрингеров 3. Стрингеры располагаются параллельно ригелям и опираются на поперечные балки - диафрагмы 4, которые, в свою очередь, крепятся к ригелям 2.

Расчетную схему обшивки можно представить в виде балки, представляющую собой полосу единичной ширины, упруго закрепленной на опорах (Рисунок 2.2) и нагруженной усредненной нагрузкой на 1 погонный метр q_i, которую мы можем определить по формуле

(2.1)

Рисунок 2.1 - Поперечное сечение затвора

Рисунок 2.2 - Расчетная схема обшивки

При расчете обшивки необходимо выполнить условие прочности



(2.2)

где M_max - максимальный момент в обшивке, возникающей в опоре,, который определяется по формуле

(2.3)

где b_i - расстояние между опорами (рисунок 2.2), см;

W - момент сопротивления сечения обшивки, см³

(2.4)

где t₀ - толщина обшивки, см;

R_y - расчетное сопротивление стали, принимаемое по таблице В.5 [1], кН/см;

_n - коэффициент надежности по ответственности сооружения, для поверхностных затворов принимается равный 1,4.

_c - коэффициент условий работы, принимаемый равным 1.

Согласно формулам (2.1)-(2.4), допустимый пролет обшивки b_i находится по формуле

(2.5)

Поскольку обшивку удобнее делать одинаковой толщины по всему сегменту, то шаг стрингеров по высоте должен изменяться. Верхний стрингер располагается на 200 мм выше расчетного горизонта во избежание перелива воды, нижний стрингер располагается на расстоянии 200 мм от порога для размещения донного уплотнения.

В целом, общее количество стрингеров зависит от несущей способности обшивки. При малых толщинах обшивки потребуется большее количество стрингеров. В затворах пролетом более 10 м толщина обшивки принимается не менее 10 мм; толщина листов менее 6 мм в затворах не допускается.



3. Конструирование и расчет стрингеров

3.1 Назначение расстояний между стрингерами

Толщину обшивки t₀ принимаем равной 1,6 см. По таблице В.5 [1] определяем расчетное сопротивление стали С345, R_y=32 кН/см.

Принимаем расстояние от низа отверстия до первого стрингера равное h₁=20 cм. Тогда расстояние от первого стрингера до нижнего ригеля

Тогда по формуле (2.5) проверяем значение b₁.

Затем, так же по формуле (2.5) определим расстояние от нижнего ригеля до второго стрингера:

Принимаем b₂=100 см.

Последующие расчеты осуществляются аналогично и сведены в таблицу 3.1.

Схема расположения стрингеров представлена на рисунке 3.1

Таблица 3.1 - Расчет расстояний между стрингерами

I	Предельные значения	Принятые значения
	hi, см	bi, см	hi, см	bi, см
1	20	87	20	20
2	40	117,3	40	100
3	157,3	126,2	140	110
4	283,5	138,5	250	120
5	422,0	157,3	370	130
6	579,3	192,1	500	150
7	771,4	303,3	650	150
			lp	460
			lв	300

Рисунок 3.1 - Схема расположения стрингеров и ригелей в затворе

3.2 Подбор сечения стрингеров

Опорами стрингеров служат поперечные поддерживающие элементы пролетного строения- диафрагмы, располагающиеся по длине ригеля с шагом d=L_р/6. (Рисунок 3.2)

Рисунок 3.2 - Схема расположения диафрагм

Расчетная схема стрингеров представляет собой многопролетную балку, загруженную равномерно распределенной нагрузкой q по всей длине (Рисунок 3.3), собранной с участка её загружения и определяемой по формуле



(3.1)

где q_i то же, что и в формуле (2.1)

Для всех стрингеров принимается один профиль, рассчитанный по максимальной нагрузке.

Нагрузка на первый стрингер равна:

Рисунок 3.3 - расчетная схема стрингеров

Далее расчеты сводятся в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 - Расчет нагрузки на стрингеры

I	hi, м	bi, м	bi-1, м	qi, кН/м
2	1,4	1,1	1	67,98
3	2,5	1,2	1,1	62,05
4	3,7	1,3	1,2	52,73
5	6,5	1,5	1,5	22,07

Как видно по таблице 3.2 на второй снизу стрингер действует максимальная нагрузка, поэтому дальнейший расчет будет производится с учетом q_2.

Преобразовав формулу (2.2), получим требуемый момент сопротивления сечения стрингера



(3.2)

где ,, - то же что и в формуле (2.2);

M_j,_max - изгибающий момент действующий на наиболее загруженный стрингер, кН^.см.

Изгибающий момент, действующий на второй стрингер, определим по формуле:

(3.3)

где d - шаг диафрагм, 2,8 м (рисунок 3.3).

По формуле (3.3) получим

Подставим полученные значения в формулу (3.2)

По таблице 1 [2] принимаем швеллер №27У. W_x=308 см³; I_x=4160 см⁴.

Так же необходимо выполнение следующего условия

(3.4)

где f - прогиб стрингера, см, определяемый по формуле

(3.5)



где E - модуль упругости стали, равный 20600 кН/см²;

I - момент инерции сечения стрингера, см⁴;

f_u - предельный прогиб, определяемый по таблице Е.1, равный f_u=d/250, при пролете балки от12 до 24 м.

Преобразовав формулу (3.4), получим

Условие (3.4) удовлетворяется.



4. Конструирование и расчет ригелей

4.1 Подбор сечения ригеля

Поскольку обшивка затвора приваривается непосредственно к стенке ригеля, то некоторая ее часть включается в работу ригеля на общий изгиб. По нормам в сечение ригеля может быть включена ширина обшивки с каждой стороны стенки, не превышающая величины b>0,15*L_р; b<0.5*lp.

Однако эти предельно допустимые величины не всегда реально достижимы. Так, в межригельном участке ширина b не может превосходить lр/2 (Рисунок 3.1), а для нижнего ригеля включаемая часть обшивки со стороны порога ограничивается длиной консоли lн. С учетом этих замечаний определяется общая ширина b₀, используемая в сечении ригеля.

Из условия прочности ригеля на изгиб определяем требуемый момент сопротивления W_тр, см³, по формуле

(4.1)

где M_max -величина, определенная по формуле (1.7), M_max =

Оптимальная высота сечения ригеля h_оп, см определяется по формуле

(4.2)



Минимальная высота сечения ригеля h_min, см, из условия допустимого прогиба определяется по формуле:

(4.3)

где величина L_р/f=600. По формуле (4.3) получим

Принимаем высоту сечения ригеля равной h₀=170 см.

Так как величина изгибающего момента в ригеле уменьшается по мере приближения к опорным стойкам, то из соображений экономии материала высоту сечения ригеля в приопорных участках уменьшают до значения . Тогда

Толщина стенки ригеля t_w определяется из условий прочности на срез

(4.4)

где Q - поперечная сила в ригеле, определенная по формуле (1.6) и равная ;

S - статический момент площади сечения ригеля, см³;

I - момент инерции сечения стрингера, см⁴;

R_S - прочность стали на сдвиг, кН/см²;

Прочность стали на сдвиг определяется по формуле



(4.5)

Преобразуя формулу (4.4), определим требуемую толщину стенки ригеля по формуле:

(4.6)

Принимаем толщину стенки ригеля равной t_w=1,4 см.

Площадь сечения безнапорной стенки ригеля толщиной t_f, см, и шириной b_f, см, определяется по формуле

(4.7)

Ширина безнапорного пояса принимается по соотношению:

(4.8)

где b₀ - ширина напорного пояса ригеля.

Ширина напорного пояса ригеля определяется по формуле:

(4.9)

где - расстояние от низа до отверстия до нижнего ригеля, 40см;

- расстояние между ригелями равное 460 см

По формуле (4.9) получим

Подставляем полученное значение в формулу (4.8)

Выразив толщину безнапорного пояса t_f из формулы (4.7), получим

По сортаменту [4] принимаем широкополочный универсальный прокат 600х20 (мм).

4.2 Проверка прочности и жесткости ригеля

Сечение ригеля должно удовлетворять следующим условиям прочности

(4.10)

(4.11)

(4.12)

где - максимальные нормальные напряжения в сечении ригеля, кН/см²;

- максимальные касательные напряжения в сечении ригеля, кН/см²;

- приведенные напряжения в сечении ригеля, кН/см²;

Максимальные нормальные напряжения возникают в безнапорном поясе в сечении посредине пролета. Максимальные касательные напряжения приходятся на стенку в уровне центра тяжести сечения на опоре. Геометрические характеристики сечения ригеля на опоре определяются по тем же формулам, принимая см.

Приведенные напряжения проверяются в четверти пролета в нижней части стенки, т.е. в месте примыкания ее к безнапорному поясу.

Проверка прочности ригеля

Максимальные нормальные напряжения определяются по формуле

(4.13)

где y - расстояние от грани безнапорного пояса до главной оси сечения, проходящей через его центр тяжести, см;

- момент инерции сечения ригеля относительно главной оси, см⁴;

Расстояние от грани безнапорного пояса до главной оси сечения y, см, определяется по формуле

(4.14)

где a - смещение главной оси относительно оси, проходящей через середину стенки ригеля, см;

- высота стенки ригеля, см, определяемая по формуле (4.15).

(4.15)

где - принятая высота сечения ригеля в сечении, ;

- толщина обшивки, ;

- толщина стенки безнапорного пояса .

Смещение главной оси относительно геометрического центра сечения ригеля a, см, определяется по формуле

(4.16)

где - статический момент напорного пояса относительно центральной оси, см³, определяемый по формуле (4.17);

- статический момент безнапорного пояса относительно центральной оси, см³, определяемый по формуле (4.18);

A - площадь сечения ригеля, см², определяемая по формуле (4.19)

(4.17)

(4.18)

(4.19)

Подставляем найденные значения в формулу (4.16)



Наконец, по формуле (4.14) получим

Момент инерции сечения ригеля , см⁴, определяется по формуле

(4.20)

Полученные значения подставляем в формулу (4.13)

По формуле (4.10) получим

Значит, условие прочности сечения ригеля в пролете удовлетворено.

Проверка прочности сечения ригеля необходимо на приопорном участке, так как в нем возникают максимальные касательные напряжения.

Геометрические характеристики сечения определяются также по формулам (4.15) - (4.20), повторяем расчет, учитывая, что см.

Касательные напряжения в сечении ригеля определяются по формуле

(4.21)

где Q - то же, что в формуле (4.4);

- статический момент сечения, лежащего правее центра тяжести ригеля, см³, определяемый по формуле (4.22).

(4.22)

Подставляем значения в формулу (4.21)

По формуле (4.11) получим



Значит, условие прочности сечения ригеля на приопорном участке удовлетворено.

Так же необходимо проверить сечение, где возникают и нормальные и касательные напряжения.

Приведенные напряжении в сечении ригеля напряжения определяются по формуле:

(4.23)

где и - значения нормальных и касательных напряжений в четверти пролета соответственно, кН/см²;

Нормальные напряжения определяются по формуле

(4.24)

Рисунок 4.1 - Сечение ригеля в пролете

Касательные напряжения определяются по формуле



(4.25)

где M - значение изгибающего момента в ригеле в четверти пролета затвора, , определяемое по формуле (4.26);

Q - значение поперечной силы в ригеле в четверти пролета, кН, определяемое по формуле (4.27);

- статический момент безнапорного пояса относительно главной оси ригеля, см³, определяемый по формуле (4.28).

(4.26)

где - то же, что в формуле (1.5)

Тогда, по формуле (4.24) получим

(4.27)

(4.28)

Подставляем найденные значения в формулу (4.25)



По формуле (4.23) получим

Подставим значения в формулу (4.12)

Следовательно, условие прочности сечения ригеля в ј пролета удовлетворено.

Рисунок 4.2 - Сечение ригеля в опоре

Проверка жесткости ригеля

Выбранное сечение ригеля должно удовлетворять условия жесткости (3.4). Прогиб ригеля, см, определяется по формуле

(4.29)

Предельный прогиб ригеля принимается равным =2,8.



По формуле (4.29) получим

По условию (3.4)

f =

Условие удовлетворяется.

4.3 Проверка местной устойчивости сжатых элементов ригеля

Общая устойчивость ригеля обеспечивается обшивкой. Однако участок обшивки, включенный в состав сечения ригеля, может потерять местную устойчивость от действия нормальных напряжений,, которые определяются по формуле

(4.30)

где - расстояние от напорной грани до главной оси сечения ригеля, см;

(4.31)

По формуле (4.30) получим



Предельно допустимая ширина неподкрепленного участка , см, обшивки по критерию устойчивости определяется по формуле

(4.32)

В принятой схеме размещения стрингеров (Рисунок 3.3) нет участков обшивки вблизи нижнего расчетного ригеля с большей свободной шириной.

Устойчивость стенки проверяется во всех её участках, заключенных между диафрагмами. В каждом отсеке стенки должно выполняться условие устойчивости пластинки при одновременном действии нормальных и касательных напряжений

(4.33)

где и - действующие нормальные и касательные напряжения от нагрузки, кН/см²;

и - критические нормальные и касательные напряжения от нагрузки, кН/см²;

Действующие нормальные напряжения определяются по формуле

(4.34)



Действующие касательные напряжения определяются по формуле

(4.35)

где Q - поперечная сила в рассматриваемом отсеке, кН;

Критические нормальные напряжения определяются по формуле

(4.36)

где - высота сжатой зоны стенки, см;

Высота сжатой зоны стенки ригеля определяется по формуле

, (4.37)

Критические касательные напряжения определяются по формуле

(4.38)

где - отношение ширины отсека к высоте стенки:

(4.39)

где d - пролет между диафрагмами, равный d=280 см;

- высота стенки рассматриваемого отсека, см;



Рисунок 4.3 - Геометрические параметры отсеков

Расчет опорного отсека

Высота стенки опорного отсека переменна, поэтому принимается высота по середине панели

По формуле (4.39) получим

В первом отсеке нормальные напряжения пренебрежительно малы, поэтому в данном случае при проверке достаточно учесть только касательные напряжения.

Найдем поперечную силу в середине первого отсека по формуле

(4.40)

Тогда, по формуле (4.35) получаем

Подставляем значения в формулу (4.38)

Найденные значения подставляем в формулу (4.33)

Соответственно, условие (4.33) выполняется.

Расчет пролетного отсека

Высота стенки для второго отсека принимается равной .

По формуле (4.39) получим

Середина второй панели находится в четверти пролета, следовательно, изгибающий момент и поперечная сила в четверти пролета посчитаны по формулам (4.26), (4.27) и соответственно равны кНм, .

По формуле (4.36) получим

Подставив значения в формулу (4.34), получим

По формуле (4.38) соответственно получаем

Подставляем значения в формулу (4.35)

По формуле (4.33) получим

Соответственно, условие (4.33) выполняется.



4.4 Расчет отверстий для пропуска воздуха

Пролетный отсек

При подъеме затвора образуется сильный вакуум под нижним ригелем, что затрудняет работу механизмов подъема. Во избежание подсоса затвора в стенке ригеля делают отверстия. Отверстия необходимы в случае, когда угол б от флютбета и касательной от порога до нижней кромки безнапорного пояса составляет менее 30°.

Рисунок 4.4 - Угол между флютбетом и касательной к безнапорному поясу

Угол определяем по формуле

(4.41)

В каждой панели вырезается одно отверстие, площадь которого должна составлять не менее 20% от площади отсека .

Площадь отсека определим по формуле:

(4.42)

где - высота стенки в рассматриваемом отсеке, см;

d - пролет между диафрагмами d=280 см.

По формуле (4.42) получим

Тогда площадь отверстия будет равна

Радиус отверстия , см, находим по формуле:

(4.43)

Подставим значения в формулу (4.43)

При этом рабочее сечение стенки ослабляется в месте вреза отверстия и должно быть укреплено. Потеря прочности части сечения компенсируется воротником вокруг отверстия (рисунок 4.5). Толщина кольца t_k, см, принимается не менее 1,5t_w, ширина b_к - не более 12t_w. Для удобства наложения сварных швов расстояние между обшивкой и воротником меньше 250 мм не допускается. Тогда центр окружности может оказаться смещенным с нейтральной оси ригеля на некоторое расстояние С. Учитывая это смещение, из условия равнопрочности получаем требуемую площадь сечения кольца, определяемую по формуле



(4.44)

где - толщина кольца, см;

ширина кольца, см;

- радиус отверстия, определенный по формуле (4.43) 48,22 см;

С - смещение центра отверстия с нейтральной оси ригеля.

Принимаем толщину кольца

Смещение центра отверстия с нейтральной оси ригеля С определяем по формуле

(4.45)

где - расстояние от напорной грани до главной оси сечения ригеля, 47,8 см.

Подставляем значения в формулу (4.45)

По формуле (4.44) получим

Определим ширину кольца , преобразовав формулу (4.44)



Ширина кольца должна удовлетворять условию (4.46)

(4.46)

Условие не выполняется

Принимаем t_k=2,5 см, тогда

Ширина кольца должна удовлетворять условию (4.46)

(4.46)

Условие выполняется

Приопорный отсек

В крайних отсеках переменной высоты отверстие делают меньше по площади 15% от площади панели. Усиление воротником здесь необязательно ввиду незначительных нормальных напряжений.

Повторим расчет формул (4.41) - (4.43).

В приопорном отсеке



Рисунок 4.5 - Схема отверстия для пропуска воздуха

4.5 Расчет поясных швов

Поясными сварными швами крепиться к стенке ригеля обшивка и безнапорный пояс. Катет k двухсторонних швов рассчитывается по условиям прочности металла шва:

(4.47)

и металла на границе сплавления:

(4.48)

где S - статический момент сечения прикрепляемого элемента, см³;

Q - максимальная поперечная сила у опорной части, равная 1668,66 кН;

и - коэффициенты глубины проплавления, зависящие от вида сварки, принимаемые по таблице 39 [1], для автоматической сварки , .

и - расчетные сопротивления угловых швов по металлу шва и границе сплавления, принимаемые по таблице 4 [1].

Для принятой марки стали С345 по таблице В.5 принимаем нормативные сопротивления проката и .

Далее принимаем по таблице Г.1 [1] проволоку марки Св-10ГА и тип электрода Э50А.

и по таблице Г.2 [1] определяем

По таблице 4 [1] определим:

Расчет ведется для сечения вблизи опоры, где поперечная сила максимальна. Применять толщину швов менее 4 мм. не рекомендуется из-за возможных потерь на коррозию.

Согласно таблице 38 [1] принимаем минимальный катет шва k =5мм.

При приварке обшивки, статический момент которой (рисунок 4.2), относительно оси определяется по формуле:

(4.49)



Подставляем найденные значения в условия (4.47) и (4.48) соответственно

Условие прочности металла шва

Условия прочности удовлетворяются, значит принятая толщина сварочного шва подобрана верно.



5. Расчет диафрагмы

5.1 Конструирование и расчетная схема

Диафрагма представляет собой поперечную балку, опирающуюся на ригели и воспринимающие опорные реакции стрингеров (рисунок 5.1).

Расчетную схему диафрагмы можно изобразить в виде двухконсольной балки на 2-х опорах (рисунок 5.2), нагруженной неравномерно-распределенной нагрузкой, кН/м, (гидростатическим давлением) определяющимся по формуле

(5.1)

где - удельный вес воды, ;

h - высота столба жидкости, м

d - ширина площади загружения, т.е. расстояние между диафрагмами.

Высота диафрагмы принимается конструктивно по высоте ригеля за вычетом толщины обшивки t₀ и высоты стрингера h_c (Рисунок 5.3). Толщина стенки t_w принимается такой же, как у стенки ригеля.

Рисунок 5.1 - Поперечное сечение затвора



Рисунок 5.2 - Расчетная схема диафрагмы

В месте примыкания верхней консоли к ригелю предусматривают монтажный разъем для возможности перевозки затвора к месту монтажа частями. На монтаже стыкуются обшивка, приваривается стенка диафрагмы к стенке ригеля двухсторонними угловыми швами, и безнапорный пояс диафрагмы стыковым швом соединяется с поясом ригеля. При необходимости нижняя консоль так же может присоединяться на монтаже, что обуславливается габаритной шириной монтажных элементов, которая не должна превышать 3,85 м. Для пропуска поясных швов ригеля в стенке диафрагмы делают вырезы размером 40 Ч 40 мм. Крайние диафрагмы, так называемые опорно-концевые стойки, не имеют монтажных разъемов и привариваются к ригелям на месте сборки.

Высота сечения опорно-концевых стоек принимается равной высоте ригеля h' на опоре. Ширина их безнапорного пояса должна быть не менее 300 мм. для удобства крепления опорных полозьев. Напорным поясом стойки служит обшивка затвора (Рисунок 5.3).

5.2 Проверка прочности узлов диафрагм

Принятое конструктивно сечение диафрагмы, как правило, обладает большим запасом прочности и детального проверочного расчета не требует. Однако в узле примыкания верхней консоли к ригелю действуют большие изгибающий момент M и поперечная сила Q, что влечет за собой необходимость проверки на прочность монтажных сварных швов крепления стенки диафрагмы к стенке ригеля. Поскольку данное соединение выполняется на монтаже то расчетные характеристики этих швов принимаются как для ручной сварки.

Рисунок 5.3 - Сечение диафрагмы

Принимаем высоту столба жидкости h, действующей на консоль равной длине верхней консоли равной 3. Тогда, нагрузку от гидростатического давления определим по формуле (5.1)

Изгибающий момент в узле определяется по формуле

(5.2)

где - расчетная длина консоли, м, =3,2м ()

По формуле (5.2) получим

Поперечная сила в узле определяется по формуле



(5.3)

Компонуем сечение диафрагмы (рисунок 5.4)

Высоту сечения диафрагмы , см, находим по формуле

,(5.4)

где - высота ригеля, 170 см;

- толщина обшивки, 1,6 см;

- высота стрингера, так как сечение стрингера швеллер №27, соответственно его высота = 27 см.

Подставляем значения в формулу (5.4)

см

Толщину стенки принимаем см, ширину пояса принимаем *1,4=21 см.

Рисунок 5.4 - Основные геометрические параметры диафрагм

Стенкой диафрагмы воспринимается вся поперечная сила и часть момента, который находим по формуле

(5.5)

где - момент инерции стенки относительно оси, через центр тяжести сечения диафрагмы

(5.6)

- момент инерции всего сечения диафрагмы, определяем по следующей формуле

(5.7)

Найденные значения подставляем в формулу (5.5)

Монтажная сварка предполагается ручная, катет швов k в затворах принимают толщиной не менее 5 мм.

Учитывая направление среза от поперечной силы Q - вдоль шва, а от крутящего момента - поперек шва, получаем результирующие напряжения среза и условие прочности швов, которое имеет соотношение

(5.8)

где - касательные напряжения от поперечной силы, кН/см²:

- касательные напряжения от крутящего момента, кН/см²;

- то же, что и в формуле (4.47)

Касательные напряжения от поперечной силы найдем по формуле

(5.9)

где Q - то же, что в формуле (5.3)

- площадь среза двухсторонних швов, см², определяемое по формуле:

(5.10)

где - то же, что и в формуле (4.46), равная 0,7 для ручной сварки (таблица, 39 [1]);

- катет шва, принимаемый при ручной сварке равным 0,5 см (таблица, 38 [1]);

- длина шва, см, которую находим по формуле

(5.11)

Подставляем значения в формулу (5.11)

41

Далее, по формуле (5.10) получаем



Подставив значения в формулу (5.9) получим

Момент сопротивления сечения шва определяем по формуле

,(5.12)

Касательные напряжения от крутящего момента определяем по формуле

(5.13)

Наконец, подставляем значения в соотношение (5.8)

Условие прочности удовлетворяется.



6. Ферма продольных связей

В плоскости безнапорных поясов ригелей и диафрагм устанавливаются раскосы, что образует продольную вертикальную ферму. При подъёме затвора ферма воспринимает около 40% веса затвора G и передает эту нагрузку на опорно-концевые стойки. Кроме того, связевая ферма вместе с ригелями и обшивкой создает пространственное ядро жёсткости - центроплан, снижающее изгибно-крутильные деформации затвора.

Рисунок 6.1 - Схема фермы продольных связей

Расчётная погонная нагрузка, воспринимаемая фермой, имеет величину:

(6.1)

где - рабочий пролет, равный 16,8 м;

- коэффициент надёжности по нагрузке, равный 1,1;

- вес затвора, кН, определяемый по формуле (6.2)

,(6.2)

где T - равнодействующая гидростатической нагрузки на затвор, равная кН/м, определенная по формуле (1.4);

L - ширина отверстия, равная 16 м.

По формуле (6.2) получим

Опорная реакция фермы , кН, которая определяется по формуле

(6.3)

Опорная реакция вызывает наибольшее растяжение в приопорном раскосе. Усилие, возникающее в этом раскосе найдем по формуле

,(6.4)

где - угол наклона раскосов в ферме:

(6.5)

где - длина отсека, равный 2,8 м

- высота фермы (расстояние между ригелями), равная 4,6 м.

Подставляем значения в формулу (6.5)

По формуле (6.3) получим



Подставив, найденные значения в формулу (6.4), получим

Сечение раскоса подбирается из одиночного уголка по условию прочности:

(6.6)

Преобразовав формулу (6.6), найдем требуемую площадь сечения раскоса

По сортаменту [6] принимаем уголок 90х6; , ;

Подобранный профиль должен иметь гибкость не более предельно допустимой

(6.7)

где - коэффициент приведения длины, равный 0,9;

- геометрическая длина раскоса, см, которую найдем по формуле (6.8)



(6.8)

По формуле (6.7) получаем

Условие предельно допустимой деформации выполняется.

Безнапорные пояса ригелей, являясь поясами связевой фермы одновременно, испытывают усилия

(6.9)

где - изгибающий момент, действующий в сечении фермы посередине пролёта, кН, определяемый по формуле

(6.10)

По формуле (6.9) получим

В результате, в поясе нижнего ригеля возникает дополнительное растягивающее нормальное напряжение , , определяемое по формуле



(6.11)

где - длина и ширина безнапорного пояса ригеля, равные 60 см и 2 см соответственно.

По формуле (6.11) получаем

Следовательно, прочность безнапорного пояса должна проверяться на действие суммарных нормальных напряжений

(6.12)

где - прочность ригеля в середине пролета, равна кН/см².

Подставляем значения в формулу (6.12)

Условие прочности ригеля выполняется.



7. Опорно-ходовые части

Концевая стойка передает давление ригелей через ходовые части на рельс. Опорно-ходовые части располагаются у узла примыкания ригелей.

Простейший по конструкции тип ходовых частей - скользящие в виде полоза. Корпус полоза, прикрепляемый к безнапорному поясу опорно-концевой стойки, имеет вкладыш из древесно-слоистого пластика, уменьшающего силы трения в зоне контакта с рельсом при перемещении затвора. Длину полоза определяют по допускаемому давлению [p]=30 кН/см в зоне контакта от опорной реакции ригеля Q:

(7.1)

где Q - опорная реакция ригеля, равная кН;

Минимальная длина ограничивается 600 мм. Принимаем минимально допустимую длину 600 мм. Кроме полозов на опорно-концевой стойке располагаются направляющие колёса - боковые и обратные- предотвращающие перекосы и вибрацию затвора при его движении.

Рисунок 7.1 - Конструкция опорно-ходовых устройств



8. Обогрев зимой

Как показал опыт эксплуатации затворов зимой, необходимо учитывать возможность нарушения нормальной работы затвора из-за возникновения различных ледовых затруднений. Наиболее распространенными ледовыми затруднениями являются:

- обмерзание опорно-ходовых частей;

- обмерзание уплотнений на участках примыкания затвора к поверхности сооружения;

- обмерзание обшивки затвора с верховой стороны;

- примерзание затворов к их порогам;

- намерзание льда на боковых поверхностях быков и устоев.

Существующие способы обогрева, такие как: индукционный обогрев; различные виды масляного обогрева (циркуляционный и нециркуляционный); калориферный обогрев; методы, основанные на подаче электрической мощности непосредственно к элементам оборудования; шинный электрообогрев; обогрев с использованием греющих лент типа ЭНГЛ и греющих кабелей постоянного и переменного сопротивления известны давно и широко применялись в практике гидроэнергетического строительства.

Вышеперечисленные методы обогрева позволяют значительно снизить степень обмерзания затворов и других элементов механического оборудования водопропускных гидротехнических сооружений в зимний период, однако имеют свои недостатки и не всегда соответствуют требованиям долговечности, ремонтопригодности, надежности, экологической безопасности гидротехнических сооружений, работающих во влажных условиях и требующих от применяемых конструкций и их деталей определенных технологических качеств, пригодных для гидротехнического строительства.

В настоящее время системы электрообогрева с использованием активных греющих элементов на основе композиционных резистивных материалов получают все большее распространение. Неоспоримыми достоинствами систем обогрева на основе КРМ являются:

- равномерность распределения по поверхности и объему выделяемого тепла, а также экономичность (за счет большой теплоемкости материала нагревателей, обеспечивающей аккумуляцию тепла);

- возможность использования импульсной подачи энергии для регулирования мощности обогрева и скорости разогрева конструкции.



9. Подъемные механизмы затворов

Плоские задвижные затворы снабжают подъемниками (обычно винтовыми). Винт шарнирно соединяется с затвором, подъем или опускание которого происходит при помощи гайки, приводимой во вращательное движение надеваемым на нее ключом или соединенным с ней червячным колесом, червяком и рукояткой. Червячно-винтовые подъемники могут развивать подъемное усилие в несколько тонн, винтовые -- меньше.

Затворы механического действия перемещаются при помощи стационарных (неподвижных) и передвижных приводных механизмов. Стационарные приводные механизмы устанавливают у каждого затвора; их применяют в тех случаях, когда число пролетов на плотине невелико (до 2--3). Передвижные приводные механизмы, передвигаясь по служебному мосту, могут оперировать в любом отверстии плотины; их применяют для плоских затворов, реже для сегментных. Они выгоднее стационарных механизмов, если обслуживают не менее трех-четырех отверстий плотины.

Тяги -- это устройства, при помощи которых подвижная часть затвора соединяется с приводным механизмом. В тех случаях, когда затвор не требует принудительного усилия для его опускания, применяются: гибкие тяги, к которым относятся стальные тросы (для небольших затворов), сварные цепи и цепи Галля, прикрепляемые посредством подвесов к затвору. В сегментных затворах гибкие тяги прикрепляются спереди затвора к предпоследнему (снизу) узлу фермы, если зимние условия работы не тяжелы, или внутри затвора за верхний узел фермы.

Для принудительной посадки затвора служат жесткие тяги. К ним относятся; 1) рейки зубчатые или цевочные в сегментных затворах, прямолинейные и криволинейные, соединяемые со звездочкой или зубчатым колесом приводного механизма и с затвором; 2) винтовые шпиндельные тяги из сплошных или трубчатых стержней, имеющих на верхнем конце винтовую нарезку, перемещающуюся в гайке, соединяемой с механизмом.

Подъемные устройства сдвоенных затворов имеют отдельные тяги для нижней и верхней части затвора, подъем которых происходит независимо друг от друга: сначала поднимается верхняя часть, а при необходимости сброса паводка поднимают и тяжелую нижнюю часть. Затворы с клапаном, обычно снабжают общим подъемным механизмом.



Список литературы

1. СП 16.13330.2011 Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* (с Изменением N 1); введ. 2011-05-20. - М.: Минрегион России, 2011. - 177 с.

2. ГОСТ 8240-97 Швеллера стальные горячекатаные. Сортамент. - Взамен ГОСТ 8240-89 введ. 2002-01-01. ? Москва: ИПК Издательство стандартов, 2001. - 10 с.

3. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*; введ. 2011-05-20. - М.: Минрегион России, 2011. - 84 с.

4. ГОСТ 82-70 Прокат стальной горячекатаный широкополосный универсальный. Сортамент. - Взамен ГОСТ 82-57; введ. 1972-01-01. ? Москва: ИПК Издательство стандартов, 2003. - 8 с.

5. Плоские затворы - Методические указания к курсовому проектированию для студентов специальности «Гидротехническое строительство». Редактор А.К. Смирнова.

6. ГОСТ 8509-93 Уголки стальные горячекатаные равнополочные. Сортамент. - Взамен ГОСТ 8509-86; введ. 1997-01-01. ? Москва: ИПК Издательство стандартов, 1996. - 12 с.

7. Обоснование новой конструкции обогрева затворов гидротехнических сооружений на основе композиционных резистивных материалов. Бакановичус, Наталья Симовна , 2007. - Санкт-Петербург, - 161 с.

8. Гидротехнические сооружения - Волков И. М., Кононенко П. Ф., Федичкин И. К., , М., Колос, 1968

9. Металические конструкции в Гидротехнике - Кошин И.И., Е.А. Митюгов, А.И. Колесов - Москва 2002

Размещено на Allbest.ru