渡槽设计毕业论文

渡槽设计专业与班级：学 生 姓 名：完 全 学 号：指导教师姓名：设计提交日期：1目 录一、基本资料............................................................................................2二、槽身的水力设计................................................................................51.槽身过水断面尺寸的确定....................................................................5①渡槽纵坡i的确定........................................................................5②槽身净宽B和净深H的确定.......................................................500③安全超高.........................................................................................62.进出口渐变段的型式和长度计算........................................................6①渐变段的型式................................................................................6②渐变段长度计算............................................................................63.水头损失的计算....................................................................................7①进口水面降落Z1...........................................................................7②槽身沿程水头损失........................................................................8③出口水面回升................................................................................8④渡槽总水头损失............................................................................84.渡槽进出口底部高程的确定................................................................8三、槽身的结构设计................................................................................91.槽身横断面形式....................................................................................92.槽身尺寸的确定....................................................................................93.槽身纵向内力计算及配筋计算..........................................................10①荷载计算.......................................................................................10②内力计算.......................................................................................102③配筋计算 11④底部小梁抗裂验算 12⑤底部小梁裂缝宽度验算 124.槽身横向内力计算及配筋计算 13①荷载计算 13②内力计算 13③底板配筋计算 15④底板横向抗裂验算 15⑤侧墙配筋计算 16⑥侧墙抗裂验算 17四、槽架的结构设计 181.槽架尺寸拟定 182.风荷载计算 19①作用于槽身的横向风压力 19②作用于排架的横向风压力 193.作用于排架节点上得荷载计算 20①槽身传递给排架顶部的荷载 20②作用于排架节点上得横向风压力 214.横向风压力作用下的排架内力计算 21①计算固端弯矩 21②计算抗变劲度 21③计算分配系数和查取传递系数 223④计算杆端弯矩 22⑤计算剪力和轴向力 225.横杆配筋计算 23①正截面承载力计算 23②斜截面承载力计算 236.立柱配筋计算 24①正截面承载力计算 24②斜截面承载力计算 254一、基本资料某灌溉工程干渠需跨越一个山谷， 山谷两岸地形对称。按规划，在山谷处修建钢筋混凝土梁式渡槽。山谷谷底与渠底间最大高差 8m，岩石坚硬。渡槽混凝3 3土槽壁表面较光滑（n=0.014），设计流量1m/s，加大流量1.1m/s，渡槽长度为80m，每跨长度取为 10m，共8跨。渡槽上游渠道为矩形断面，宽 1.2m，设计水深h1=0.98m，上游渠底高程25.00m。渡槽下游渠道为矩形断面，宽1.2m，渠道糙率n=0.025，设计水深h2=0.92m。二、槽身的水力设计（一）槽身过水断面尺寸的确定渡槽纵坡i的确定在相同的流量下，纵坡i大，过水断面就小，渡槽造价低；但i大，水头损失大，减少了下游自流灌溉面积，满足不了渠系规划要求，同时由于流速大可能引起出口渠道的冲刷。因此，确定一个适宜的底坡，使其既满足渠系规划允许的水头损失，又能降低工程造价，常常需要试算。一般常采用底坡i=1/500～1/1500,槽内的经济流速1～2m/s。初定取底坡i=1/800。槽身净宽B0和净深H0的确定因L=80m>15h，即按明渠均匀流计算：1AR2/3i1/2n式中A——槽身的过水断面；R——槽身的水力半径n——槽身的粗糙系数——槽身纵坡。5首先根据通过加大流量 Qm槽中为满槽水情况拟定 B0和H0值。净深H净宽B过水断湿周x水力半纵坡i流量Qm深宽比00面A径Rh/b0.76001.20000.91202.72000.33530.001251.11160.630.80001.10000.88002.70000.32590.001251.05250.730.84001.10000.92402.78000.33240.001251.11970.760.83001.10000.91302.76000.33080.001251.10280.750.82001.10000.90202.74000.32920.001251.08600.75由Qm=1.1m3/s，n=0.014，H0/B0=0.75，i=1/800，试算得出B0=1.1m，H0=0.83m。计算所得流量稍大于加大流量，故满足要求。再由B=1.1m，试算正常水深。00净宽B过水断湿周x水力半纵坡i流量Qm深宽比净深h面A径Rh/b0.70001.10000.77002.50000.30800.001250.88690.640.75001.10000.82502.60000.31730.001250.96920.680.76001.10000.83602.62000.31910.001250.98580.690.77001.10000.84702.64000.32080.001251.00250.700.78001.10000.85802.66000.32260.001251.01910.713由Qm=1m/s，n=0.014，H0/B0=0.70，i=1/800，试算得出h0=0.77m。计算所得流量稍大于设计流量，故满足要求。3. 安全超高 h为了防止因风浪或其他原因而引起侧墙顶溢水，侧墙应有一定的超高。按建筑物的级别和过水流量不同，超高h可选用0.2～0.6m。本渡槽安全超高取 h=0.2m。（二）进出口渐变段的型式和长度计算渐变段的型式本渡槽选用圆弧直墙渐变段。渐变段长度计算渠道与渡槽的过水断面，在形状和尺寸均不相同，为使水流平顺衔接渡槽进出口均需设置渐变段。本渡槽采用圆弧直墙式，渐变段的长度Lj通常采用经验公式计算。L j=C（B1－B2）式中C——系数，进口取C=1.54～2.57；出口取C=2.57～3.56；B1——渠道水面宽度；B2——渡槽水面宽度。6进口渐变段长度L1=C（B1－B2）=2.0×（1.2－1.1）=0.2m出口渐变段长度L2=C（B1－B2）=3.0×（1.2－1.1）=0.3m进口渐变段长度取 L1=0.2m；出口渐变段长度取 L2=0.3m。（三）水头损失的计算水流经过渡槽进口段时，随着过水断面减少，流速逐渐加大，水流位能一部分转化为动能，另一部分因水流收缩而产生水头损失，因此进口段将产生水面降落Z1；水流进入槽身后，基本保持均匀流，沿程水头损失Z2=iL；水流经过出口段时，随着过水断面增大，流速逐渐减小，水流动能因扩散而损失一部分，另一部分则转化为动能，而使出口水面回升 Z2，从而与下游渠道相衔接（如图所示）。进口水面降落Z1进口段水面降落Z1 (1 1)(v2 v12)/2g式中 v 1、v——分别为上游渠道及渡槽内的平均流速；1——进口段局部水头损失系数，与渐变段形式有关。圆弧直墙为0.2，门槽损失系数为0.05。上游渠道流速v1=Q/A1=1/(1.2×0.98)=0.850m/s槽内的流速v=Q/A=1/(1.1 ×0.77)=1.1806m/s进口水面降落Z1=（1+0.25）（1.18062 0.8502）/（2 9.81）=0.0428m7槽身沿程水头损失Z 2=iL式中i、L——槽身纵坡和长度。槽身沿程水头损失Z2=iL=80/800=0.1m出口水面回升Z3 (1- 2)(v2 v22)/2g式中 v 2、v——分别为上游渠道及渡槽内的平均流速；2——出口段局部水头损失系数， 与渐变段形式有关。圆弧直墙为0.5。下游渠道流速V2=Q/A2=1/(1.2×0.92)=0.9058m/s出口水面回升Z3=（1-0.5）（1.1806 2 0.9058 2）/（29.81）=0.0146m渡槽总水头损失Z Z1 Z2 Z3=0.028+0.1－0.0146=0.1134m（四）渡槽进出口底部高程的确定已知渡槽上游渠道出口断面高程3=25.00m，通过设计流量时水深h1=0.98m,槽中水深h=0.77m，进口渐变段水面降落Z10.0428m，槽身沿程水面降落Z2=0.1m，出口渐变段水面回升Z3=0.0146m，下游渠道水深h20.92m。将以上各值代入，可求得：进口槽底高程：13h1Z1h=25.00+0.98-0.0428-0.77=25.1672m进口槽底抬高：y113h1Z1h=25.1672-25=0.1672m8出口槽底高程：21Z21iL=25.1672-0.1=25.0672m出口渠底降低：y2h2Z3h=0.92-0.0146-0.77=0.1354m出口渠底高程：42y22hZ3h2=25.0672-0.1354=24.9318m三、槽身的结构设计（一）槽身横断面形式本渡槽采用矩形断面。（二）槽身尺寸的确定根据前面计算结果，槽内净宽B＝1.1m，加大水深H=0.83m,安全超高h=0.2m，设底板厚0.12m，侧墙厚0.10m，底部小梁高0.10m.侧墙高H1=0.83＋0.2＋0.12+0.10=1.25m。矩形槽身的侧墙兼做纵梁用，但其薄而高，且需承受侧向水压力作用，因此，设计时除考虑强度外，还考虑了侧向稳定要求。以侧墙厚度 t与墙高H1的比值作为衡量指标，其经验数据为（对于设拉杆的矩形槽）：1/12—1/16。因本渡槽不设拉杆，侧墙适当加厚，侧墙厚度t取0.10m。贴角450，边长0.10m。9槽身基本尺寸（三）槽身纵向内力计算及配筋计算根据设计流量0.7m3/s<5m3/s，工程级别为5级，渡槽的设计标准为5级，所以渡槽的安全级别Ⅲ级，则安全系数为γ0=0.9，钢筋混凝土重度为γ=25kN/m3，正常运行期为持久状况，其设计状况系数为ψ=1.0，荷载分项系数为：永久荷载分项系数γG=1.05，可变荷载分项系数γQ=1.20，结构系数为γd=1.2。纵向计算中的荷载一般按匀布荷载考虑，包括槽身重力/槽中水体的重力。荷载计算槽身的自重标准值gk1=25×［2×（0.10×1.25)＋0.12×1+2*0.1×0.1/2］=9.5kN/m槽中水体的重力标准值g k21=0.83×1×9.81=8.14kN/m永久标准荷载标准值gk=9.5＋8.14=17.64kN/m永久标准荷载设计值g=γGgk=1.05×17.64=18.52kN/m内力计算10纵向内力计算简图梁式渡槽的单跨长L=10m，槽高B=1.1m，则跨宽比L/B=10/1.1=9.09≥4.0故可按梁理论计算，沿渡槽水流方向按简支梁计算应力及内力：结构安全级别为Ⅲ级，则安全系数为 γ0=0.9；正常工作时，设计状况系数 ψ=1.0跨中截面弯矩设计值 M=γ0ψ×1gl2=0.9×1.0×1×18.52×1028 8=208.35KN·m支座边缘截面剪力设计值 V=γ0ψ×1gl=0.9×1.0×1×18.52×102 2=83.34kN3. 配筋计算对于简支梁式槽身的跨中部分底板处于受拉区， 故在强度计算中不考虑底板的作用。渡槽处于露天（二类环境条件），则根据规范查得混凝土保护层厚 c=25mm，所以受拉钢筋合力点至截面受拉边缘的距离 as 35mm，则截面的有效高度h0 h as 1250 35 1215mm。γd——结构系数， γd=1.20；f c——混凝土轴心抗压强度设计值，混凝土选用 C25，则fc=12.5N/mm；——矩形截面宽度；——混凝土受压区计算高度；h 0——截面有效高度；f y——钢筋抗拉强度设计值，取 fy=310N/m㎡；A s——受拉区纵向钢筋截面面积；dM1.2208.351060.068s=12.5210012152fcbh02111 1 2 s 1 1 2 0.068 0.070 b 0.544Asfcbho12.52000.0701215/310686mm2fyAs6860.282%min0.15%bho20012152选4φ16 AS=804（mm）4.底部小梁抗裂验算ftk——C25混凝土强度标准值，为1.75N/mm2E——C25混凝土的弹性模量，为2.80104N/mm2cEs——钢筋的弹性模量，为2.0105N/mm2rm——矩形截面抵抗矩的塑性系数，为1.55EEs/Ec2.0105/(2.8104)7.143As/(bh0)804/(2001215)0.33%y0(0.50.425E)h(0.50.4257.1430.33%)1250637.52mmI0(0.08330.19E)bh3(0.08330.197.1430.33%)200125033.4291010mm4rm(0.7300/h)1.55(0.7300/1250)1.551.46荷载效应的长期组合，取 ct 0.70ctftkrmW0ctftkrmI00.701.751.463.42910101250100.13KNmhy0637.52底部小梁不满足抗裂要求。底部小梁裂缝宽度验算长期荷载组合时，r00.9,max0.25mm12受弯构件11.0，变形钢筋21.0，荷载长期组合31.6，as35mm，c=25mm有效配筋率teAsAs8040.057Ate2asb235200按长期组合验算最大裂缝宽度slM208.35106245.2N/mm20.87h0As0.871215804max123sl(3c0.1d)1.01.01.6245.2(3250.116)Este21050.0570.20mmmax0.25mm满足要求。（四）槽身横向内力计算及配筋计算荷载计算按沿水流方向与垂直水流方向取单位长度来计算。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rG＝1.05），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（△Q＝Q2－Q1）平衡，侧墙与底板交结处可视为铰接。内力计算13横向内力计算简图当水深h=0.76m侧墙下部及底板上部最大负弯矩设计值：MaMb01rh30.91.019.810.8330.84knm（r为水的重66度）底板跨中正弯矩设计值 Mc：Mc01(rhrh)l21rh3260.91.01(9.810.83250.12)0.620.93520.41knm(为混凝土的重度 )轴向拉力设计值NaNb01rh219.810.832knm20.91.03.041/2当水深h为一半计算跨度时，底板跨中最大正弯矩设计值Mc：Mc01(rhrh)l21rh3260.91.01(9.810.5250.12)0.620.11720.78knm14底板配筋计算渡槽处于露天（二类环境条件），则根据规范查得混凝土保护层厚 c=25mm，排两排钢筋，所以受拉钢筋合力点至截面受拉边缘的距离 as 35mm，则截面的有效高度h0 h as 120 35 85mm。γd——结构系数， γd=1.20；f c——混凝土轴心抗压强度设计值，混凝土选用 C25，则fc=12.5N/mm；——矩形截面宽度；h 0——截面有效高度；f y——钢筋抗拉强度设计值，取 fy=310N/m㎡；A s——受拉区钢筋截面面积；（1）底板上部配筋dM1.20.841060.01s=12.51100852fcbh02112s1120.010.01b0.544Asfcbho12.511000.0185/31038mm2fyAs380.04%min0.15%bho110085As3350.4%bho110085选受拉钢筋为228@150AS=335（mm）选分布钢筋6@150AS=188（mm）在板的常用配筋率0.4%—0.8%的范围内，钢筋选定合理。（2）底板上部配筋底板下部所受到的最大弯矩比上部受到的最大弯矩略小， 故配筋与上部相同，选受拉钢筋为228@150AS=335（mm）选分布钢筋6@150A=188（mm）。S底板横向抗裂验算ftk——C25混凝土强度标准值，为1.75N/mm2Ec——C25混凝土的弹性模量，为2.80104N/mm2Es——钢筋的弹性模量，为2.0105N/mm215rm——矩形截面抵抗矩的塑性系数，为1.55EEs/Ec2.0105/(2.8104)7.143As/(bh0)335/(110085)0.36%y0(0.50.425E)h(0.50.4257.1430.36%)12061.31mmI0(0.08330.19E)bh3(0.08330.197.1430.36%)110012031.6762108mm4荷载效应的长期组合，取 ct 0.70ctftkrmW0ctftkrmI00.701.751.551.67621085.4KNm0.71kNmhy012061.31底板满足抗裂要求。侧墙配筋计算渡槽处于露天（二类环境条件），则根据规范查得混凝土保护层厚 c=25mm，排两排钢筋，所以受拉钢筋合力点至截面受拉边缘的距离 as 35mm，则截面的有效高度h0has1003565mm。fγd——结构系数，γd=1.20；C25，则f=12.5N/mm；——混凝土轴心抗压强度设计值，混凝土选用ccb——矩形截面宽度；h0——截面有效高度；fy——钢筋抗拉强度设计值，取fy=310N/m㎡；A——受拉区钢筋截面面积；sdM1.20.841060.017s=12.51100652fcbh02112s1120.0170.017b0.544Asfcbho12.511000.01765/31049mm2fyAs490.07%min0.15%bho110065选受拉钢筋为228@150AS=335（mm）选分布钢筋6@150AS=188（mm）16As335bho0.47%110065在板的常用配筋率 0.4%—0.8%的范围内，钢筋选定合理。侧墙抗裂验算ftk——C25混凝土强度标准值，为1.75N/mm2Ec——C25混凝土的弹性模量，为2.80104N/mm2Es——钢筋的弹性模量，为2.0105N/mm2rm——矩形截面抵抗矩的塑 性系数，为1.55EEs/Ec2.0105/(2.8104)7.143As/(bh0)335/(110065)0.47%y0(0.50.425E)h(0.50.4257.1430.47%)10051.43mmI0(0.08330.19E)bh3(0.08330.197.1430.47%)110010039.865107mm4荷载效应的长期组合，取 ct 0.70ctftkrmW0ctftkrmI00.701.751.559.8651073.86KNm0.65kNmhy010051.43侧墙满足抗裂要求。17槽身剖面图四、槽架的结构设计（一）槽架尺寸拟定排架及板基结构布置图18单排架两立柱中心距取决于槽身的宽度，由槽身传过来的荷载P应与柱中心线一致，以使立柱为中心受压构件。立柱断面尺寸：长边（顺槽向）b1为排架总高的（1/20~1/30），所以取b1为（0.27~0.4m），取0.4m；短边（横槽向）h1（=0.5~0.8）b1，所以取h1为（0.2~0.32m），取0.25m。取立柱间距为1.35m，净距为1.1m.排架立柱间设横梁，横梁间距可等于或略大于立柱间距。 横梁高h2可为跨度（即立柱间距）的 1/6~1/8，h2取0.3m，梁宽b2为（0.5~0.7）h2，所以取b2为0.15~0.21），取0.2m。横梁与立柱连接处设承托，以改善交角处的应力状况，承托高10cm，其中布置斜筋。为支承槽身，排架顶部在顺水流方向设短悬臂梁式牛腿，悬臂长度c b1/2 0.2m，高度h=0.2，倾角 45o（二）风荷载计算作用于槽身的横向风压力作用于槽身的风荷载强度按下式计算：WzzsztWo式中：Wov222；s为风载体形系数，对于矩形槽身高宽/160024/16000.36kN/m比为1，取 s=1.97； z为风压高度变化系数，因槽身迎风面形心距地面高度约为8m，近似取 z=0.92； t为地形、地理条件系数，去 t=1； z为风振系数，由于渡槽高度不大，可不计风振影响，取 z=1。作用于槽身的风荷载强度为：Wz z s z tWo 11.97 0.9210.36 0.6525kN/m2已知槽身高度1.18m，一节槽身长 10m，则作用于槽身上得横向风压力为：Pz 0.65251.2510 8.16kN作用于排架的横向风压力考虑前柱对后柱的挡风作用，排架的风荷载强度按下式计算：Wp (1 ) z s z tWo 。式中：风载体形系数 s取1.3；风压高度变化系数 z按排架迎风面积形心距地面高度（约 4m）选取，近似取 z=0.8；t及 z的取值与槽身相同。 的大小与两立柱净距和立柱迎风面宽度之比 1.1/0.4=2.75<10 ，19值在0.2~1.0之间变化。从安全角度出发，不考虑前柱对后柱的挡风作用，取 =1。作用于排架的风荷载强度为：Wp (1 )zs z tWo (1 1) 11.3 0.81 0.36 0.7488kN/m2（三）作用于排架节点上得荷载计算槽身传递给排架顶部的荷载作用于槽身的横向风压力 Pz通过支座的摩阻作用，以水平力形式传到排架顶部；同时，Pz距排架顶高度 1.25/2+0.1=0.725m(支座高度0.1m),Pz对排架顶高程所产生的力矩将转化为一对方向相反的集中力，分别作用于两立柱顶部，迎风面力的方向向上背风面力的方向向下。槽身自重及槽中水重也通过支座传到排架顶部。一跨槽身自重N1(0.121.251.10.120.10.1)251098kN满槽水重N20.8319.811081.42kN201）满槽水+横向风压力情况G1(N1N2)/2Pz0.725/0.675(9881.42)/28.161.0780.98kNG2(N1N2)/2Pz0.725/0.675(9881.42)/28.161.0798.47kNQ1Q2Pz/28.16/24.08kN2）空槽+横向风压力情况G1N1/2Pz0.725/0.67598/28.161.0740.27kN6G2N1/2Pz0.725/0.67598/28.161.0757.73kNQ1Q2Pz/28.16/24.08kN作用于排架节点上得横向风压力（即与结点相邻的上半柱与下半柱的横向风压力之和）P1WP0.4(0.540.1)0.74880.42.10.629kP2WP0.440.74880.441.198kN（四）横向风压力作用下的排架内力计算排架的内力可以分解为竖向荷载作用及横向荷载作用两种情况进行计算，然后再叠加。竖向荷载作用下，只在排架立柱中产生轴向力。横向风压力作用下的内力，可采用“无切力分配法”按下述步骤计算。计算固端弯矩（下述计算中，弯矩以顺时针为正）M12FM21F(0.5P1Q1)4/24.394528.79kNmM12FM21F(0.5P24.08)4/29.36kNm计算抗变劲度对于立柱EIhE0.400.253/12E0.0063/12对于横梁EIlE0.20.33/12E0.0054/12取相对劲度K'12K'23K'211.0则横梁各杆端的相对劲度为K'11'K'22'EIl/EIhE0.0054/12/E0.0063/125.0790.67540.675421计算分配系数和由结构力学书中查取传递系数11'K'11'/(K'11'K'12)5.079/(5.0791)0.83512K'12/(K'11'K'12)1/(5.0791)0.1652123K'21/(K'22'K'21K'23)1/(5.07911)0.14122'K'22'/(K'22'K'21K'23)5.079/(5.07911)0.717C12C21C231计算杆端弯矩计算过程见下表。杆端弯矩（Kn·m）计算表结点123杆端11’122122’2332相对劲度5.079115.0791分配系数μ0.8350.1650.1410.7170.141传递系数-1-1-1固端弯矩MF-8.79-8.79-9.36-9.36分配与传递7.3401.450-1.450-2.7642.76414.0532.764-2.7642.3080.456-0.456-0.0260.0640.3270.064-0.0640.0220.004-0.0040.0010.0020.001-0.001∑9.67-9.67-7.87114.382-6.531-12.189计算剪力和轴向力由上表的计算成果中横杆的杆端弯矩为：M11' 9.67kNm M22' 14.382kNm取各横杆为脱离体，根据力矩平衡条件，可得各横杆的剪力为：V1M11'/0.6759.67/0.67514.33kNV2M22'/0.67514.382/0.67521.31kN按以上方法，即可求得横向荷载P和Q作用下左半部分排架各个位置的内力。右半部分排架各相应位置的内力，可以根据反对称关系求得。22（五）横杆配筋计算正截面承载力计算11,横杆弯矩较大，按M11' 14.382kNm进行配筋计算。γd——结构系数， γd=1.20；f c——混凝土轴心抗压强度设计值，混凝土选用 C25，则fc=12.5N/mm；——矩形截面宽度；h0——截面有效高度；fy——钢筋抗拉强度设计值，取f=310N/m㎡；yAs——受拉区钢筋截面面积；As,——受压区钢筋截面面积；as——保护层厚度。设受压、受拉钢筋为一层；取aa,mm则0sss,ha30035265mmhsdM1.214.3821060.098sb0.396fcbh0212.52002652As,rdMsfcbh021.2014.3821060.09812