渡槽设计任务书、指导书

《水工钢筋混凝土结构学》课程设计任务书某钢筋混凝土渡槽槽身结构设计指导老师：傅少君

武汉大学土木建筑工程学院2015年11月

1设计题目某灌区输水渠道上装配式钢筋混凝土矩形渡槽2设计资料根据初步设计成果，基本资料及有关数据如下：该输水渡槽跨越142m长的低洼地带(如图1所示)，需修建通过15m3/s设计流量及16m/s校核流量，渡槽无通航要求。经水力计算结果，槽身最大设计水深H=2.75m，校核水深为2.90m。支承结构采用刚架，槽身及刚架均采用整体吊装的预制装配结构，设计一节槽身V洼地长(M)20.00M渠道进口段渠道进口段5.00M渠道进口段图1渡槽跨越洼地带建筑物等级4级。建筑材料：混凝土强度等级，槽身架采用C25级；槽身架受力筋为HRB335,分布筋、箍筋HPB235。荷载钢筋混凝土重力密度 25kN/m；人行道人群荷载 2.5kN/m；栏杆重 1.5kN/nf。使用要求槽身横向计算迎水面裂缝宽度允许值[Wsmax]=0.25mm,[WLmax]=0.20mm；槽身纵向计算

底板有抗裂要求。槽身纵向允许挠度[f]=l/500,[f]=l/550。s0 L03设计要求在规定时间内，独立完成下列成果：（1） 设计计算书及说明书，计算书包括：设计题目、设计资料，结构布置及尺寸简图；槽身过水能力计算、槽身、刚架的结构计算（附必要的计算草图）；设计说明书包括对计算书中没有表达完全部分的说明。（2） 施工详图，一号图纸2张，包括：槽身结构布置图（手绘）、槽身配筋图（计算机绘制）、钢筋表及必要说明；图纸要求布局合理，线条粗细清晰，尺寸、符号标注齐全，符合制图标准要求。附件：《水工钢筋混凝土结构学》课程设计指导书附一渡槽设计大钢1概述简要说明：工程位置、设计规模等概况，前阶段设计结论及审批意见，基本资料变动情况，专题研究结论，有关会议或协议情况，对本阶段设计要求及注意的问题……等。渡槽是渠道跨越河流、溪谷、洼地和道路的明流输水建筑物，是水利工程中应用最广的交叉建筑物之一。渡槽由与渠道连接的进口段、出口段、槽身及下部支承结构等部分组成，进出口段的布置和设计、槽身的水力计算、进出口水流连接以及防冲、防渗等措施，可参考水工建筑物有关专著，本资料仅介绍渡槽槽身结构的结构设计。图1-1渡槽纵剖面示意图1—进口段；2一重力式槽台；3一槽身；4一刚架式支墩；5—基础；6—出口段；7一渠道；8—原地面线渡槽和一般桥梁相似，由上部结构（槽身）和下部结构（墩、台或刚架）组成。确定渡槽的形式，应根据当地的地形、地质和施工、运行条件。如在宽而浅的渠道上，当渡槽的过水流量比较大时，槽身可用钢筋混凝土建造，它可以支承在钢筋混凝土刚架上；如渡槽跨越峡谷，而峡谷两岸有比较坚硬的基岩时，槽身可以支承在拱上，拱可以用石料或混凝土建造；U形截面槽身具有过水时水力条件好及受力性能好等优点，但施工较为复杂。钢筋混凝土渡槽可以是现场整体浇注的，也可以是预制装配式的，或者是装配整体式的，这要由当地具体条件和施工情况确定。2参考资料和设计规范（1） 设计规范：水工混凝土结构设计规范（SL/T191-2008）；（2） 赵文华等，渡槽，水利电力出版社，1989年；（3） 华东水利学院等，水工钢筋混凝土结构下册，水利电力出版社，1975年；水工设计手册(第八卷)，水利电力出版社，12014年；《建筑结构静力计算手册》编写组，建筑结构静力计算手册，中国建筑工业出版社，1975年。3基本资料3.1工程等别及渡槽级别根据SL/T191-2008及规划资料，本渡槽定为 等级建筑物。3.2设计流量及上下游渠道水力要素正常设计流量：m/s；加大流量： m/s。表3.1渠道水力要素表项目上游渠道下游渠道底宽，m内边坡正常水深，m加大水深，m渠底高程，m正常水位，m加大水位，m渠深，m4-S丁而击左，m堤顶宽右，m正常流速，m/s3.3渡槽长度及进出口水头损失根据地形及规划资料确定：槽身长度： m；进出口总水头损失： m。3.4地形资料1/500〜1/2000地形图。测绘范围应满足渡槽轴线的变更及施工场地布置要求。对于小型渡槽，如缺大比例尺地形图，应测绘沿渡槽轴线的纵剖面图及若干横剖面图，以及槽址处河谷纵横剖面图。3.5地质资料沿渡槽轴线及轴线两侧(距轴线50m左右)(2)地基的基本容许承载力； MPa地下水位高程： m(5)3.6地震烈度(1)TOC\o"1-5"\h\z根据国家地震部门提供资料，本渡槽所在地区的地震基本烈度为 度。（2）根据SL/T191-2008规定，本渡槽工程的设计烈度为 度。3.7水文气象资料（1）设计洪水重现期：a；校核洪水重现期：a设计洪水流量：m/s；校核洪水流量：m/s。设计洪水位：m；校核洪水位： m设计洪水流速：m/s；校核洪水流速：m/s。（2）基本风压：kN/m。（3）多年月平均气温及最高、最低气温:TOC\o"1-5"\h\z最低气温：（4）最大冻土深度： m3.8建筑材料提示：（1）砂料、石料及混凝土骨料的储量、质量、产地及开采运输条件；（2）钢材、水泥、木材的供应情况。3.9交通要求提示：（1）槽上顺槽身方向的交通要求及荷载标准；（2）槽上横跨槽身（渡槽进出口）的交通要求及荷载标准；（3）槽下河道有无交通要求及要求的净空高度。4水力计算4.1水力计算的基本步骤4.1.1渡槽进出口总水头损失已定情况下的水力计算步骤（1） 拟定槽身纵坡i及相应的沿程水头损失Z3=iL，L为槽身长；（2） 计算确定槽身宽度B（槽内水深h一般为给定值）；（3） 根据槽身宽度B计算渡槽进口水面降落值Z1；（4） 根据进口水面降落Z1确定出口水面回升值Z2；（5） 计算渡槽进出口总水头损失^Z；（6） 如^Z小于已定的总水头损失值，则加大槽身纵坡，反之则减小槽身纵坡，重复（1）〜（5）步骤，直至△Z与已定总水头损失值相等时为止；（7）根据最后确定的槽身纵坡、过水断面及进出口水头损失，确定进出口槽底高程及相应的水面高程。4.1.2渡槽进出口总水头损失未限定情况下的水力计算步骤（1） 给定槽身纵坡i及水深h（或给定槽身宽度B及水深h），相应Z3=iL；（2） 计算确定槽身宽度B（如给定槽身过水断面，则计算确定槽身纵坡i及相应的Z3=iL）；（3） 根据槽身宽度B计算进口水面降落值Z1；（4） 根据进口水面降落Z1确定出口水面回升值Z2；（5） 计算渡槽进出口总水头损失^Z；（6） 确定进出口槽底高程及相应水面高程。槽身水力计算（1） 在槽身水力计算中，槽内水深多为给定值，一般略小于上下游渠道水深，必要时也可等于或略大于上下游渠道水深。（2） 槽身水力计算采用明渠均匀流公式：Q=AR1/2i/n （4.1）式中：Q—设计流量，m/s；A—槽身过水断面面积，m；R—水力半径，m；i一槽身纵坡；n一糙率系数，混凝土槽身一般采用n=0.013〜0.014总水头损失计算（1） 渡槽进口流态与淹没的开敞式水闸相似，一般按淹没式宽顶堰流量公式计算进口水面降落值：Z§Q/（2g£2pA）-V2/2g （4.2）式中：Z]一进口水面降落，m；£一侧收缩系数，一般可采用0.95；p一流速系数，一般可采用0.95；V]—上游渠道流速，m/s；g-重力加速度。（2） 出口水面回升Z2值一般根据进口水面降落按下式计算：Z2=Z1/3 以①（3） 槽身沿程损失Z3计算：Z3=iL （44）式中：i—L—（4） 槽身进出口总水头损失^Z按下式计算：AZ=Z-Z+Z (4.5)1 2 35钢筋混凝土矩形断面槽身设计5.1槽身结构布置及尺寸拟定槽身过水断面深宽比，一般采用h/B=0.6〜0.8。对于大流量的多纵梁式矩形槽，深宽比则不受经验尺寸的限制。槽身跨径及支承型式(简支或双悬臂)根据流量大小、地形地质及施工条件等因素确定。简支梁式渡槽的跨径一般为10m〜15m；双悬臂梁式渡槽每节槽身长度一般为20m〜30m,可根据实际情况布置为等跨双悬臂式、等弯矩双悬臂式或不等跨不等弯矩双悬臂式。槽身侧墙及底板厚度，应满足强度及抗裂要求，由应力分析确定。侧墙一般兼作纵梁，还应满足纵向稳定要求。对于带横杆的矩形槽，侧墙厚度t与墙高H之比值一般为t/H=1/12〜1/16；对于无横杆加肋式槽身，墙厚可适当减小，但一般不小于15cm；对于无横杆无肋式槽身，侧墙应适当加厚，一般采用变厚度，墙顶厚度一般不小于15cm。槽底板厚度一般采用与侧墙底部厚度相同，对于多纵梁式槽身，底板厚度可小于侧墙底部厚。侧墙与底板交接处加设补角，补角宽及高一般为20cm〜30cm。带横杆矩形槽的横杆间距采用1.5cm〜2.5m，截面边长为20cm左右。槽身纵向在支承处一般加设横肋，以改善支座处的受力情况，肋宽约等于侧墙厚度，肋净厚等于或略大于肋宽。无横杆加肋式槽身的横肋间距，应满足侧墙及槽底板成为双向板的要求。侧墙高H与肋距L1的比值H/L1及槽底板宽B与肋距L1的比值B/L1一般采用1.0〜2.0。肋宽一般不小于侧墙及槽底板厚，肋净厚一般等于或略大于肋宽。如欲使侧墙及槽底板均成为四边固定支承板，侧墙顶部及底部需局部加厚，并要求侧墙顶部、底部及肋的刚度应大于8倍板的刚度。无横杆矩形槽的侧墙顶部一般设置外伸人行道悬臂板，板厚6cm〜10cm，板宽70cm〜100cm。带横杆的槽身人行道板一般搁置于横杆上。箱形槽身的侧墙、顶板及底板多采用等厚，厚度一般不小于30cm。侧墙超高根据流量大小及总体规划要求确定，一般等于或略小于上下游渠道超高。572290014501450300300MAA3000图572290014501450300300MAA3000图5-2B3000C MA底板计算简图5.2无横杆无肋断面槽身结构计算5.2.1TOC\o"1-5"\h\z（1） 支承型式（简支或双悬臂）： ；（2）每节槽身长： m；（3）中跨净跨长： m；（4） 悬臂段长： m；（5） 槽身净宽： m；（6）底板厚： m；（7）侧墙高： m；（8） 侧墙顶厚： m；（9） 侧墙底厚： m；（10）人行道悬臂板宽： m；悬臂板平均厚： m；（11）槽内设计水深： m；槽内校核水深： m；（12）人群荷载： kN/m（13） 槽身混凝土标号：（14）钢筋混凝土容重： kN/m(15)混凝土轴心抗压设计强度： MPa(16)混凝土抗裂设计强度： MPa混凝土弯曲抗压设计强度： MPa钢筋设计强度： MPa截面抵抗矩的塑性系数： ；分项系数取值。5.2.2横向计算侧墙按底部为固端的悬臂板计算；底板按两端以竖向支承链杆支承于侧墙底部的板计算，除承5.2.2.1侧墙底部最大弯矩MA按下式计算：MA=yh/6+M0 (5.1)式中：Y一水的容重；h—水深，设计情况时用设计水深，校核情况时用校核水深；M0—槽顶荷载(人行道板重及人群荷载等)对侧墙底部中心产生的力矩。侧墙钢筋计算时可不计轴向力影响，近似按受弯构件计算配置受力筋。侧墙临水面均受拉，应满足抗裂要求，按下式验算抗裂：Mk<actymftkW0 (5.2)式中：M一计算弯矩；kW0一换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩；a一拉应力限制系数；ctY一塑性系数；mftk—5.2.2.2底板轴向拉力NA按下式计算：TOC\o"1-5"\h\zNA=yh/2 (5.3)距底板左端距离为x的截面弯矩Mx按下式计算：\o"CurrentDocument"Mx=qx(b-x)/2-MA-NAt3/2 (5.4)底板跨中弯距Mc按下式计算：\o"CurrentDocument"Mc=qb/8-MA-NAt3/2 (5.5)式中：b一底板计算跨度，b=B+t2,B为槽身净宽；t2为侧墙底厚；q—均布荷载，水重及底板自重之和，q=Yh+Yht3，t3为底板厚；Yh—底板跨中最大弯矩发生在槽内水深等于槽半宽即h=B/2时，因此式(5.5)中q的水重部分为YB/2，相应轴向力NA=yB78。底板钢筋按偏心受拉构件计算配置。两端以补角边缘截面作为控制截面计算配置底板顶层受力筋。式（5.4）中q的水重部分及式（5.3）中的h,在设计情况时用设计水深，校核情况时用校核水深。底板底层受力筋以跨中截面作为控制条件进行计算。（6）按下式分别验算底板两端（顶面）及跨中（底面）抗裂要求：N＜（ayfAW）/（eA+yW） （5.6）Mct'mtk0 0 0 0'm0式中：n一轴向拉力；kA0—换算截面面积；e°一偏心距，e0=Mk/Nk其余符号同前。5.2.2.3人行道板一般为支承在侧墙顶部的外伸悬臂板，按受弯构件计算配置面层受力筋。5.2.35.2.3.1（1） 计算荷载按均布荷载考虑。均布荷载q包括槽身自重、水重及人群荷载等。设计情况时水重按设计水深考虑，校核情况时水重按校核水深考虑。（2） 根据支承方式，纵向结构分为简支梁式及三种双悬臂梁式（等跨双悬臂梁式、等弯矩双悬臂梁式和不等跨不等弯矩双悬臂梁式）。等跨双悬臂及等弯矩双悬臂的悬臂段计算长分别为0.5l及0.354l，l为中跨计算跨径。（3） 根据槽身横断面布置型式，钢筋计算及抗裂校核均近似采用工字形计算截面。计算截面的梁肋宽为2倍侧墙厚，上翼缘及下翼缘的计算宽度按规范采用。如人行道悬臂板与底板相比宽度及厚度均较小时，计算截面可不考虑上翼缘作用，即按倒T形截面计算。（4） 纵向受力钢筋按受弯构件计算配置。侧墙较高时，需沿侧墙高配置①9〜①12的纵向构造筋，间距30cm左右。5.2.3.2内力计算（1）简支梁式内力按下式计算：跨中弯矩支座剪力M=ql/8V=ql/2(5.7)(5.8)式中：q一均布荷载；l一计算跨径，l=1.05l0，l0为净跨。（2）等弯矩双悬臂梁式内力按下式计算：跨中及支座弯矩M=0.0625ql2(5.9)支座两侧剪力V1=0.5ql(5.10)V2=0.354ql(5.11)式中：符号同前。（3）等跨双悬臂梁式内力按下式计算：支座弯矩M=ql/8(4.12)支座两侧剪力V1=V2=0.5ql(4.13)（4）不等跨不等弯矩双悬臂梁式内力按下式计算:跨中弯矩M=ql/8-qls/2(5.14)支座弯矩M=qls/2(5.15)支座两侧剪力V1=0.5ql（5.16）V2=qls(5.17)式中：ls—5.2.3.3正截面承载力计算5.2.3.4斜截面强度验算2（1）计算截面应满足如下要求：YdV<0.25fcbh0（5.18）Yd一斜截面受剪结构系数；f一混凝土轴心抗压设计强度；cb一计算截面梁肋宽，即2倍侧墙厚；h°一提示：如不能满足式（5.18）要求，应增加侧墙厚度或提高混凝土标号。（2）计算截面符合下列要求时不需验算斜截面强度：YdV<W啊（5.19）（3）不设弯起钢筋时，斜截面抗剪强度应满足下列要求：ydV<Vcs （5.20）V=0.7fbh+fAh/s （5.21）cs t0yvsv0式中：Vcs—斜截面上受压区混凝土及侧墙竖向钢筋的抗剪强度；Asv-配置在同一截面内的箍筋面积。侧墙横向计算配置的横向受力筋不能兼做承受主拉应力的钢筋，因此Asv应为在所需截面配置在侧墙内外侧或墙内的附加竖筋；s一顺槽向附加竖筋的间距；f—箍筋设计强度；（4）配置弯起钢筋时，斜截面抗剪强度应满足下列要求：YdQ<Vcs+fyAsbsina （5.22）式中：A.一配置在同一弯起平面内的弯起钢筋截面面积；sba—其余符号同前。5.2.3.4抗裂验算（1）正截面抗裂按式（5.2）验算。5.3无横杆加横肋断面槽身结构计算5.3.1计算参数（1）肋净距:肋宽：mTOC\o"1-5"\h\z底肋净厚： m；侧肋顶净厚： m；侧肋底净厚： m；墙顶加厚段(顶梁)高：m；其余计算所需参数与无横杆无肋断面相同(见5.2.1)5.3.2横向计算5.3.2.1侧墙弯距计算根据墙顶局部加厚段的结构尺寸，侧墙可按底和两端三边固定、顶边自由，或三边固定、顶边简支，或四边固定的双向板计算。在确定横肋间距时，一计算跨径确定如下：横向 bv0.1l时，l=l+b] (5.25)0 1 0 "b>0-1l0时，l1=1-1l0竖向 (t3+d)/2W0.1(H-d/2)时，rf=H+(t3-d)/2 (5.26)(t’+d)/2>0.1(H-d/2)时’H1=L1H-0.55d 3式中：L一横向计算跨径；l0一横肋净距；b一肋宽；头一竖向计算跨径；t3一底板厚；d—计算荷载按满槽三角形水压力考虑：q1=yH1 (4.27)(5)根据板的支承情况，分别查《建筑结构静力计算手册》表4-26(三边固定顶边自由)，或表4-21(三边固定顶边简支)，或表4-22(四边固定)，计算各控制点(见各表附图)弯距。泊桑比采用以=1/6。5.3.2.2底板弯矩计算底板按四边固定板计算。计算跨径竖向 t2V0.1B时，l2=B+t2 (5.28)t2>0.1B时，l2=1.1B式中：B一槽身净宽； 2 2t2—计算均布荷载为：q2=yh+yht3 (5.29)式中：h—水深;（3）各控制点弯距查《建筑结构静力计算手册》表4-45.3.2.3横肋内力计算（1） 横肋为一矩形敞口框架结构，框架立柱截面为侧肋与侧墙组成的T形截面，框架底梁截面为底肋与底板组成的T形截面。T形截面的翼缘宽度按《水工钢筋混凝土结构设计规范》表15规定确定。（2）（3） 框架承受横肋间距11范围内的荷载，其值为：q3=yh1i （5.30）q4=（Yh+Yht3）1i （5.31）式中：q3—q4—（4） 弯矩计算与无横杆无肋断面的横向计算相同（见5.2.2）。计算底梁弯距时，跨中最大弯距同样应按水深为半槽时的水深（h=B/2）计算。（5） 底梁轴向力NA按下式计算：NA=yhf1/2 （5.32）5.3.2.4钢筋计算（1）（2） 侧肋钢筋按翼缘位于受拉区的T形截面受弯构件计算。所需受力筋布置在翼缘计算宽度范围内的侧墙内侧。（3） 底肋钢筋按T形截面偏心受拉构件计算。两端所需受拉钢筋布置在翼缘计算宽度范围内的底板顶层，跨中所需钢筋集中布置在肋的底层。5.3.2.5抗裂验算（1） 侧墙与底板均按受弯构件验算抗裂，计算公式同式（5.2）（2） 侧肋按受弯构件式（5.2）验算抗裂。底肋按偏心受拉构件式（5.6）验算抗裂。式中A0及W0均按相应的T5.3.3纵向计算纵向计算与无横杆无肋断面相同，见5.2.35.4多纵梁断面槽身结构计算5.4.1结构布置（1） 多纵梁断面适用于大流量的宽浅式槽身。一般不带横杆，可加横肋或不加横肋。（2） 纵梁间距一般为1.5m〜3m，梁高及梁宽不小于底板厚。（3） 其余结构尺寸的拟定见5.1。5.4.2计算参数纵梁净高： m纵梁宽：m纵梁净距： m其余计算所需参数见5.2.1及5.5.15.4.35.4.3.1无横肋时，侧墙计算与无横杆无横肋