渡槽设计

摘 要 *水库灌区引水干渠控制灌区农田面积4330hm2，经黄家沟时经比较采用渡槽方案，工程为III等工程，主要建筑物为3级。修筑的渡槽采用矩形梁式渡槽，槽底宽为2.0m，侧墙高1.71m，设有间距为2.0m高为0.1m的拉杆，考虑到交通要求，还设有0.85m宽的人行板。黄家沟顶宽约有120m，沟深约为8m，属狭长V形断面，无常流水，沟内有良田，可种植经济作物。耕作深度1.0m。本设计布置等跨的间距为8m的单排架共13跨，与渐变段连接处采用浆砌石槽台。排架与地基的连接采用整体基础。槽身、排架以及基础采用预制吊装形式，为使预制时简单、方便，将排架分为三组。细部结构中本设计采用沥青填料式止水；支座采用一端固定，一端活动的形式。关 键 词渡槽；拉杆；排架第一章 设计基本资料 11、工程概况及简介 11.1、工程概况 11.2、设计要求 21.3、主要参考书 2第二章 渡槽总体布置 31、槽址选择 32、结构选型 32.1、槽身的选择 32.2、支承选择 33、平面总体布置 3第三章 水力计算 41、槽身过水断面尺寸拟定 41.1、尺寸拟定 41.2、输水水头高 42、渡槽进出口的底部高程确定 53、进出口渐变段 6第四章 槽身设计 71、槽身断面尺寸拟定 71.1、尺寸拟定 72、荷载及荷载组合 72.1、荷载计算 73、横向结构计算 83.1、受力情况分析 83.2、拉杆轴向力计算 93.3、侧墙内力计算 103.4、底板内力计算 113.5、横向配筋计算 123.6、拉杆斜截面计算 164、槽身纵向结构计算 164.1、荷载计算 174.2、计算纵向配筋 174.3、斜截面强度计算 175、抗裂计算 185.1、纵向抗裂计算 185.2、横向抗裂计算 196、吊装计算 226.1、吊装验算 22第五章 排架计算 241、排架布置 242、排架尺寸拟定 242.1、排架高度计算 242.2、排架分组计算 242.3、排架分组及尺寸拟定252.4、尺寸拟定 253、荷载计算 263.1、水平荷载 263.2、垂直荷载(传给每各立柱的荷载) 274、排架横向计算 294.1、求排架弯矩M 294.2、轴向力计算 304.3、排架的配筋计算 314.3、横梁配筋 324.4、排架的纵向计算 334.5、排架吊装验算 354.6、牛腿设计计算 36第 六 章 基础计算 381、基础结构尺寸拟定 381.1、排架基础尺寸拟定 382、基础的荷载组合 383、基础应力计算 394、基础配筋计算 39第七章 稳定计算 401、槽身稳定计算 402、渡槽整体沿基础底面抗滑稳定验算 403、渡槽整体抗倾稳定计算 414、地基稳定性验算 41第八章 细部结构 431、伸缩缝及止水 432、支座 433、两岸连接 43第一章 设计基本资料1、工程概况及简介1.1、工程概况：某县佛岭水库灌区引水干渠经黄家沟时需修建一座输水建筑物，经过填方渠道、倒虹吸和渡槽三种方案比较。决定修建渡槽。干渠控制灌区农田面积6.5万亩，工程为等工程，主要建筑为3级。1.1.1、地形：黄家沟顶宽约110m，沟深约8米。属狭长V型断面。无常年流水，沟内种植有经济作物。耕作深度为1.0m。1.1.2、地质：沟内周口店期黄土层，干重度为1314KN/m3。21。，C24KPa，地基承载力R290Kpa，基础与地基摩擦系数f0.31。1.1.3、上、下游渠道资料：上游渠底高程为m，Q设4.4m3/s，k加大0.25，Q加大5.5 m3/s，i1/3500，渡槽上、下游渠道，渠底宽2.5m，糙率n0.017。内、外边坡分别为1:10和1:15，该渡槽规划时允许水头损失为0.25m，水力要素如表11。渡槽糙率为0.015。表11 上、下游渠道过水断面水力要素：流量（m3/s）纵坡i底宽b（m）流量v（m3/s）堤高H（m）边坡糙率n水深h（m）超高H（m）渠口宽b（m）Q设4.41/35002.50.861.831:11:1.50.0171.330.56.16Q加大5.51/35002.50.122.001:11:1.50.0171.500.56.501.1.4、建筑材料及安全系数：该工程主要的建筑材料为水泥、混凝土、钢筋等。混凝土重度rc24KN / m3，温度膨胀系数dc1.01051/,混凝土其他特性性能指标见表12。采用和级钢筋，级钢筋强度设计值fy=fy=210N/mm2。强度模量Es2.1105N/ mm2, 级钢筋强度设计值fy=fy=310N/mm2,强度模量Es2.1105N/mm2。钢筋混凝土重度r35KN/ m3。构件裂缝宽度允许值，短期组合Wmax0.3mm，长期组合Wmin0.25mm。 表12 混凝土特性指标：（单位N/ mm2）混凝土强度等级轴心抗压轴心抗拉弹性模量Ec标准值fck设计值fc标准值fck设计值fcC2013.510.01.501.102.55104C2517.012.51.751.302.8104浆砌采用M15砂浆砌块石。1.1.5、工程回填土及地基力学特性根据有关实验报告结果如下：rc16KN / m3；20.8。；C23Kpa，修正后地基承载力特性值fa=290Kpa。基础与地基摩擦系数f0.35，抗滑稳定安全系数K1.5。根据水利水电工程等级划分及洪水标准规定以及灌区规划要求，确定该渡槽为三级永久建筑物，结构安全级别为级。机构重要性系数为r01，短暂设计状况系数0.95，偶然状况系数0.85，钢筋混凝土结构系数rd1.2。其他荷载：人群荷载：2.0kN/ m2(人行桥上的活荷载)基本荷载：0.35kN/ m2(风压)气象：最高日平均气温30，最低日平均气温0，不考虑冻土深度。施工条件：采用装载式钢筋混凝土渡槽，预制吊装。1.2、设计要求： 按初步设计标准设计，局部可深入考虑。进行渡槽总体布置，包括槽身、支撑、基础等机构型式的选择。水力计算槽身设计支承机构设计基础设计细部构造设计1.3、主要参考书：水工设计手册渡槽设计图集建筑结构工程力学水力学土力学工程制图水工钢筋混凝土结构第二章 渡槽总体布置 渡槽总体布置的主要内容包括槽址选择、形式选择、进出口布置、基础布置。 渡槽总体布置基本要求： 1、流量、水位满足灌区要求;2、槽身长度短，基础、岸坡稳定，结构选型合理；进出口顺直通畅，避免填方接头；少占农田、交通方便、就地取材等。1、槽址选择1.1、注意问题：1、槽身长度短、基础低，降低功工程造价。 2、轴线短、顺直、进出口避免急转弯，布置在挖方处。 3、渡槽轴线尽量和河道正交。 4、少占耕地、少拆民房。1.2、在选择槽址时，除应满足以上总体布置的要求外，还应考虑槽址附近是否有宽敞、平坦的施工场地，同时应满足槽下的交通要求。综合考虑各方面因素，在平面图上确定槽址位置，画出该断面图。 2、结构选型2.1、槽身的选择： 槽身的横断面型式有矩、U形、圆形和抛物线形，其中常用的是矩形和U形。本设计中Q设4.4 m3/s，属中小流量。渡槽长度为中型渡槽。矩形渡槽具有抗冻、耐久性好的特点，施工方便，故选用矩形渡槽。又因黄家沟无常年流水，故可设拉杆以减少侧墙厚度。2.2、支承选择： 该渡槽地址处沟深约8米，跨度较大（约110m），宜用梁式渡槽。 综合分析：选用简式梁型式，虽弯距较大，但施工方便。3、平面总体布置 本设计布置等跨间距为8m的单排架共13跨，矩形渡槽采用简支，上下游渐变段各8m与梯形混凝土渠首相连。渡槽全长120m，槽上根据交通要求设人行桥，净宽0.85m。拱墩台及排架基础墩均采用浆砌石护坡。总体布置图见图21所示。11第三章 水力计算1、槽身过水断面尺寸拟定1.1、尺寸拟定：选定纵坡i1/600，底宽B2.0m。糙率n0.014，Q设4.4 m3/s，Q加5.5 m3/s。因槽长大于1520倍槽内水深，故按明渠均匀流计算。计算结果：Q设4.4 m3/s时，h设1.15 m；Q加5.5 m3/s时，h加1.36 m。B/h分别为1.74和1.47，根据工程特殊情况，侧墙加厚，宽深比适当提高满足要求。 超高：h/12+5=115/12+5=14.6(cm)4h41.335.32（m），取8m。出口段：L26h61.339.98（m），取8m。第四章 槽身设计1、槽身断面尺寸拟定1.1、尺寸拟定：根据前面计算结果，槽内净宽B2.0m，高H1.46m（拉杆0.1m），其他尺寸按下面计算确定。该渡槽无通航要求，槽顶设拉杆，间距2m，侧墙厚度t按经验数据t/h=1/121/16确定。H为侧墙高1.46m，t（1/121/16），H0.120.09m。取t15cm。渡槽要满足行人要求，故在拉杆上设置人行板，板宽取85cm，厚10cm，底板厚15cm，砌其断面尺寸如图41所示。图41 槽身断面图：（单位：cm）2、荷载及荷载组合2.1、荷载计算：2.1.1、永久荷载设计值：永久荷载分项系数rG永久荷载标准值Gk（其中rG1.05）2.1.2、可变荷载设计值： 可变荷载分项系数rQ可变荷载标准值Qk（其中rQ1.2）按沿水流方向与垂直水流方向取单位长度来计算。计算结果见表41。槽身是一种空间薄壁结构，受力较复杂，在实际工程中，近似的分为纵向及横向两部分进行平面结构计算。表41 槽身荷载计算：（单位：GKN；gKN/m）荷载种类标准值设计值计算式大小计算式大小1、侧墙重G1k250.151.716.413G11.056.4136.734 附表41 槽身荷载计算：沿水流方向Q 11k6.4136.413Q1k1.056.4136.734垂直水流方向Q12k6.413/0.1542.75Q121.0542.7544.892、拉杆重G2k25（0.1220.12）0.75G21.050.750.79沿水流方向Q21k0.75(5/8)0.47Q210.471.050.49垂直水流方向Q22k0.47/20.24Q221.050.240.253、人行板重G3k250.850.12.13G31.052.132.24沿水流方向Q31k2.132.13Q311.052.132.24垂直水流方向Q32k2.13/0.852.51Q321.052.512.644、底板重G4k25（20.150.1520.30.1）8.81G41.058.819.25沿水流方向Q41k8.818.81Q411.058.819.25垂直水流方向Q42k8.81/24.405Q421.054.4054.6215、设计水重G5k9.8（1.152- 0.152）22.32G51.0522.3223.435沿水流方向Q51k22.3222.32Q511.0522.3223.435垂直水流方向Q52k22.32/211.16Q521.0522.3223.4356、校核水重G6k9.8（1.3620.152）26.44Q61.0526.4427.76沿水流方向Q61k26.4426.44Q611.0526.4427.76垂直水流方向Q62k26.44/213.22Q621.0513.2213.887、人群重G7k2.00.811.62G71.21.621.94沿水流方向Q71k1.621.62Q711.21.621.94垂直水流方向Q72k1.62/0.851.91Q721.21.912.298、栏杆重G8k1.81.8G81.051.81.89沿水流方向Q81k1.81.8Q811.051.81.89垂直水流方向Q82k1.8/0.852.12Q821.052.122.223、横向结构计算3.1、受力情况分析：由于槽身在栏杆之间的断面核设置栏杆处的断面变位相差甚微，故仍可沿槽身纵向取1.0m常的脱离体，按平面问题进行横向计算。作用在脱离体上的荷载两侧的剪力差（QQ2Q1）继续平衡，侧墙与底板交结处可视为铰接，沿中心线切口处可视为上下移动的双链杆支座，计算简图如42所示。由于侧墙与底板等厚，接B/H（2.0+0.3）/1.46=1.58，在1.251.67之间，槽内水位取至拉杆中心作为控制条件，槽顶荷载产生集中力P0和力矩M0。按标准荷载计算分别为：Pk01/2（Q21k+Q31k+Q71kQ81k）1/2（0.47+2.13+1.62+1.8）3.01（KN）Mk01/23.01（2.0/2+0.15/2）=1.62(KN.m)按设计荷载计算分别为：P01/2（Q21+Q31+Q71Q81）1/2（0.49+2.24+1.94+1.89）3.28（KN）M01/23.28（2.0/2+0.15/2）=1.73(KN.m)图42槽身横向计算简图：3.2、拉杆轴向力计算：简化后结构为一次超静定结构，因力法计算拉杆拉为X1，亦可按下式直接计算，按标准荷载计算分别为： （41） 式中 Xk1单位槽长拉杆轴向拉力，KN； H拉杆中心线至底板距离，H1.51m； Qk1侧墙底部静水压强，KPa； L两侧墙中心线间距之半，L（2.0+0.15）/2=1.075(m)； Qk2底板上均匀荷载强度，KN/m。Qk2rctrH250.15+9.81.5118.55（KN/m） Iab、Iad底板和侧墙壁截面惯性矩，m4； Iabt3/12 Iad3/12 t= IabIad =2.081(KN/m)Xk1sXk1S2.08124.162（KN）X1s拉杆间距为s时，一根拉杆的轴向拉力。按设计荷载计算为： （42） Q1rqrH1.19.81.5116.278（KN/m） Q2rg（rctrqH）1.05250.1514.7981.120.215（KN/m）2.638（KN/m）X1sX1S2.63825.277（KN）3.3、侧墙内力计算：3.3.1、侧墙弯距。由拉杆中心线到侧墙计算截面的距离为y的弯距。按标准荷载计算为： MkyXk1y1.621/6ry32.081y1.621/69.81y3 （43）当y0时，Mk侧11.62（KNm）当y0.5时，Mk侧22.456（KNm）当y1.0时，Mk侧32.068（KNm）当y1.51时，Mk侧42.0811.51+1.621/69.811.5130.861（KNm）当yym0.652（m）时，弯距最大为：Mk侧m2.0810.652+1.621/29.810.65232.524（KNm）表42 标准荷载弯距计算表：Yx00.50.6521.01.51Mkx1.622.4562.5242.0680.861 按设计荷载计算为： MyX1y1.731/6rGry32.638y1.731/61.059.8y3 （44） 表43 设计荷载弯距计算表：My00.51.00.7161.51M侧y1.732.8352.6532.9890.1913.3.2、侧墙轴力Ny。轴力Ny只近似考虑侧墙截面承受剪力Q。标准荷载计算： Nky （45）式中 Q作用在槽身截面上的计算剪力。其值等于1.0m槽身常的总荷载，及纵向计算中的均布荷载q。 QkQ11kQ21k+ Q31kQ41kQ61kQ71kQ8k （46） 6.413+0.47+2.31+8.81+26.44+1.62+1.847.863（KN）当y0时，N1Pk03.01(KN)当y1.51时，N2 3.0115.259（KN）（拉） 令 Ny 41.71y262.97y3.750 y11.45 y20.062 当y1.45时，N315.37（KN）（拉） 当y0.062时，N43.17（KN）（压） 当按设计荷载计算时： Nky （47） 式中 Q作用爱槽身截面上的计算简历，其值等于1.0m槽身长的总荷载，即纵向计算中的均布荷载。 QQ11Q21+ Q31Q41Q61Q71Q8 （48） 6.7340.49+2.24+9.25+27.76+1.94+1.8950.304（KN） 当y0，N1P03.28（KN）（压） 当y1.51时，N2 15.93（KN）（拉）令Ny 43.83y266.19y3.940 y11.45 y20.062 当y1.45时，N316.04（KN）（拉） 当y0.062时，N43.4（KN）（压）表44 轴力计算表：Y00.0621.451.51单位：KNNy3.283.416.0415.933.4、底板内力计算：3.4.1、底板弯距。离侧墙中心线X处的底板弯距计算，为底板荷载计算。标准荷载计算为： （48） =9.274X218.084X0.861 令X0，底板断臂弯距M底10.861（KNm） 令X=L =1.075，M底27.862（KNm）设计荷载计算为： 9.783X218.989X0.191令X0，M底10.191（KNm）令XL1.075，M底28.969（KNm）令X0.5，M底36.869（KNm）令X1，M底49.06（KNm） 表45 底板弯距计算表：X00.511.075Mx0.1916.8699.068.969 3.4.2、底板轴力。底板轴力等于侧墙底端的剪力，为底板轴力计算。标准荷载计算为： NkANkB1/2rh2Xk11/29.81.5122.089.09（KN）(拉) 设计荷载计算为： NANB1/2 rGrh2X11/21.19.81.5122.0389.652（KNm） 侧墙、底板弯距轴力图见附图一。3.5、横向配筋计算：3.5.1、底板配筋。按底板中部弯距配筋： 采用C20混凝土，fcN/mm2，级钢筋，fy=fy=210N/mm2，M8.969（KNm）。N9.652（KNm）。设 aa30，h150，h0ha120（mm） Mr08.96910.958.9698.521（KNm） Nr09.65210.959.6529.169（KNm） e0M/N=8.521/9.169=0.929(m)h/2-a=45(mm) 故按大偏心受拉构件配筋：b（查表）ee0h/2+a=929-150/2+30=884(mm) =2727.24(mm2) 0计算表明不需要配筋，但仍应按构造要求配筋。 min=0.2% As min0.0021000120240（mm2) 配置8200，As As min251（mm2) 如不考虑As 的承压作用，As 0 由 rd Ne 则 10.07 xh00.071208.4（mm）2=60(mm) e = e0+h/2=929150/230974（mm） s 0.041 xh00.0421205.03（mm）h/2s45（mm） 按大偏心受拉构件计算。 eeoh/2+=5160.515030471(mm)x=bh00.61412073.68（mm）As 3077.350虽按受力计算不配筋，但仍应按构造要求配筋。 As min0.0021000120240（mm2)选配8200，As As min251（mm2)进一步计算的：As 196.01（mm2)选配8200，As 201（mm2)对侧墙拉力最大处（y1.45）配筋。 N316.04r016.0410.9519.24（KN）（拉） M 10.95（2.6381.451.731/61.19.81.453） 0.074（KNm）e0M/N=0.074/15.24=0.05(m)min=0.2% Asb h00.36%85075230（mm2) 3.5.4、拉杆的配筋： 人行板作用与拉杆的荷载Q板17.15KN/m，其对跨中弯距等效荷载： Q板1（22）Q板1，0.85/2=0.425 Q板1(20.4250.4252)7.154.79（KN/m） 8米长一跨渡槽共5根拉杆，作用在每根拉杆上的荷载为： 8.06（KN/m）跨中弯距： M10.951/88.06223.83 （KN/m） 支座剪力： Q10.950.58.0627.657（KN） Nc5.277（KN）（拉） 取25mm，h0h75mm，b150mm，e0M/N=3.83/5.277=0.726(m)0.5h25（mm）。 按偏心受拉构件计算： eeo0.5h7260.510025701（mm） 81（mm2) 选配28，As101mm2，则s0.4 则As 选38，As462(mm2) 表47 人行板、拉杆配筋表：区域人行板拉杆受压As无28，As101mm2受拉As8200，As251mm238，As462mm23.6、拉杆斜截面计算： 故截面尺寸满足抗剪条件。 Vc0.07fcbh00.0710150757.875（KN）V=189.67KN 截面尺寸满足截面限制条件0.07 fcbh00.07103001630342.3 rdV=227.6(KN)按受拉计算不要求配置腹筋，考虑到侧墙的竖向受力筋可以起到腹筋作用，单为固定纵向受力筋位置，仍在两侧布置8250的纵向封闭箍筋。同时沿墙高布置8250的纵向钢筋，槽身的配置的横断面图见附图44所示。5、抗裂计算5.1、纵向抗裂计算：忽略补角作用，将断面化为如图45所示。图45抗裂计算断面简图。（单位：m）沿槽身纵向的危险断面是在跨中，按标准荷载计算，通过假定流量时弯距为： M1/8（6.4132+0.47+2.13+8.81+26.44+1.62+1.8）7.352 365.3（KNm）按标准荷载计算，通过设计流量时弯距为： M=1、8(0.4232+0.47+2.13+8.81+22.32+1.62+1.81)7.352 337.55（KNm） b0.3m，bf2.3m，h=1.71m，hf=0.15m h1=1.71-0.1=1.61(m)可按下式进行抗裂计算; (49) 式中 rm受弯构件塑性影响系数； rm1.55（0.7300/1710）=1.357 Ml按标准荷载计算的弯距； ct混凝土拉应力限制系数。长期组合为0.7，短期组合为0.85； W0换算截面A0对受拉边缘的弹性抗矩，； I0换