渡槽设计.docx

目录
第一章 槽身的水利设计及高程的确定 1
1渡槽的水利计算 1
1.1基本资料 1
1.2确定槽身的基本尺寸及过水能力 1
1.2.1渡槽的基本尺寸 1
1.2.2槽身的过水能力及直段水深的确定 2
1.2.3渐变段长度的确定 3
1.2.4计算渡槽的总水头损失 3
1.2.5进出口高程的确定 4
第二章 槽身的结构设计 6
2.1槽身纵向内力计算及配筋计算 6
2.1.1槽身尺寸的确定 6
2.1.2槽身纵向外荷载及内力计算 7
2.1.3渡槽纵向内力计算 11
2.1.4正截面的配筋计算 12
2.1.5槽身纵向抗裂验算 14
2.1.6截面抗剪验算 16
2.1.7挠度验算 17
2．2槽身横向内力计算及配筋计算 18
2.2.1设计水深时的内力计算： 19
2.2.2加大流量水深时的内力计算： 22
2.2．3人行道板的配筋： 22
2.2.4拉杆的配筋： 22
2.2.5槽身横向配筋计算： 22
2.2.6端肋的内力计算： 22
第三章 排架的设计 22
3.1排架布置 22
3.2排架尺寸拟定 22
3.2.1冲刷深度计算： 22
3.2.2排架尺寸拟定： 22
3.3排架的内力计算与配筋 22
3.3.1荷载计算（13.1米） 22
3.3.2排架内力计算(13.1米排架) 22
3.3.3（13.1米高排架的配筋计算） 22
3.3.4（9米）排架内力与配筋计算 22
3.3.5排架横梁配筋计算： 22
3.3.6立柱纵向配筋计算： 22
3.3.7排架吊装验算： 22
3.3.8柱顶牛腿计算： 22
第四章 排架基础的结构计算 22
4.1排架基础尺寸的拟定 22
4.2排架基础底板厚度计算： 22
4.3基础底板内力计算： 22
4.4排架底板的配筋计算 22
第五章 渡槽的整体稳定性验算 22
5.1槽身的整体稳定性验算 22
5.2渡槽的抗滑稳定性验算 22
5.3渡槽的抗倾覆稳定性验算 22
5.4浅基础的基底压应力验算 22
5.5渡槽基础沉降计算： 22
5.6边墩稳定性计算： 22
第六章细部结构 22
6.1伸缩缝及止水 22
6.2支座 22

第一章 槽身的水利设计及高程的确定
1渡槽的水利计算
1.1基本资料
根据丰田灌区渠系规划，在灌区输水干渠上需建造一座跨越小禹河的渡槽，由左岸向右岸输水。渡槽槽址及渡槽轴线已由规划选定（见渡槽槽址地形图）。渡槽按4级建筑物设计,基本资料如下：
渠道设计流量Q设=4/s ，渠道比降i=0.0002 ，渠道底宽 b=1.5m ，渠道内坡坡度m=1.5，渠床糙率 n=0.017，加大流量 Q加大=5/s。计设流量时渠道水h=1.5m,加大流量时水深=1.65m。
1.2确定槽身的基本尺寸及过水能力
1.2.1渡槽的基本尺寸
拟定渡槽跨度110m，渡槽允许水头损失为0.5m扣除上下游损失和渐变损失 [ΔZ]=0.4192m。选槽底纵坡i=0.002 。槽身型式选择U型渡槽，经试算，选取槽身净宽为B=2.0m，因为槽身长度为 110m，大于15倍的渡槽进口前的渠道水深（15×1.49=22.35），故按明渠均匀流公式计算。
已知：槽底底坡i=0.002，内半径R0=1.0m，直段计算高度h0=0.7m，采用深宽比“H/B=（1.0+0.6）/（2*1）=0.8”，满足规定要求0.7到0.9（注：为了加大槽身的纵向刚度，减小槽身纵向应力，因此不采用槽身最佳水利断面和最佳经济断面深宽比），计算到拉杆的直段水深h1=0.7-0.1=0.6m（根据《灌溉与排水工程设计规范》，混凝土预制渡槽的糙率n=0.0016），上游渠口（左岸）水面高程加大流量时为1251.04m。下游渠口（右岸）水面高程加大流量时为1250.54m。
1.2.2槽身的过水能力及直段水深的确定
过水断面面积：A = 0.5π+ 2 (1—1)
=0.5×3.14×1.0+2×1.0×0.5 = 2.571㎡
湿周：χ=π+2h1 = 3.14×1.01+2×0.5 = 4.142m (1—2)
水力半径：R = A/χ = 2.571÷4.142 = 0.621 m (1—3)
谢才系数：C = = 57.729 (1—4)
流量：Q = 2.571×57.729×= 5.231 (1—5)
流量大于加大流量，满足要求。
在已知渡槽计算宽度和底坡情况下，对渡槽的直段水深通过以下公式进行试算。
过水断面面积：A = 0.5π+ 2
湿周:χ=π+2
水力半径：R = A/χ
谢才系数：C =
流量：Q
流速：ν= (1—6)
当流量Q大于设计流量时，满足要求。
通过试算求得，渡槽直段水深=0.26m，此时，流量Q=4.032m3/s，此时槽中水深h=1.26m，加大流量时用同样方法计算得槽中水深h=1.46m。
当加大流量通过时：
ν= =5.024÷2.491=2.017m/s; 流速在1.0—2.5范围内，满足要求
根据《水力学》===1.246m (1—7)
= 3.494 m/s (1—8)
因为ω>ν,所以渡槽为缓流，满足要求
1.2.3渐变段长度的确定
渠道水深宽度：1.49×1.5×2 +1.5= 5.97m
U形渡槽水面宽度：2 = 2×1.0 = 2.m
L1 =（1.45—2.57）×（5.97-2），取L1=8m；
L2 =（2.57—3.65）×（5.97-2），取L2=12m;
1.2.4计算渡槽的总水头损失
选取渐变段型式为直线型扭曲面，查《灌溉与排水工程设计规范》附录M，可知进口段局部水头损失系数ξ1 =0.10，出口段局部水头损失系数ξ2=0.30。
渡槽进口渐变段水头损失值：
Z1 = (1—9)
=（1+0.1）×(1.924 ²﹣0.723 ²)/(2×9.81)=0.176
槽身段水头损失值：
= L= 0.002×110 = 0.22m (1—10)
出口段水头损失值（水位回升值）：
Z1 = (1—11)
=（1-0.3）×(1.924 ²﹣0.723 ²)/(2×9.81)=0.113m
渡槽总水头损失： (1—12)
=0.176+0.22-0.113=0.283m
计算的水头损失小于允许水头损失，故满足要求。另外通过设计流量时，槽中实际水面超高值为= 0.46-0.26=0.2m, 要求超高值为直径的1/10，即2 /10= 0.2m，满足要求。
因此，最后可确定= 0.002，B=2R0=2m，H=1.0﹢0.6=1.6m
1.2.5进出口高程的确定
原来给定的进水口渠底的高程为：1251.04-1.49=1249.55。向前推进211.961m，高程降低为=211.961×0.0002=0.044m。

图1进出口断面示意图
▽1=1249.55-0.044=1249.506m
已知：==1.49m,=1.26m , =0.176m , =0.22m, =0.113m
进口槽底高程：▽2 = ▽1+h1-Z1-h2 (1—13)
=1249.506+1.49-0.176-1.26=1249.56m
进口槽底抬高：y1=▽2-▽1=1249.56-1249.506=0.054m (1—14)
出口槽底高程：▽3=▽2-Z2=1249.56-0.22=1249.34m (1—15)
出口槽底降低：y2=h3-Z3-=1.49-0.113-1.26=0.107 m (1—16)
出口渠底高程：▽4=▽3++-=1249.34+1.26+0.113-1.49=1249.223m (1—17)
由于渠道出水口向后推进182.461m，当向后推进182.461m时，坡降为=182.461×0.0002=0.0365m。原来给定的出口渠底高程为1250.54-1.49=1249.05 ,▽4=1249.05+0.0365=1249.087 ,由于1249.223-1249.087=0.136m（▽4≈▽4原）。
故此设计符合要求。

第二章 槽身的结构设计
2.1槽身纵向内力计算及配筋计算
根据渡槽的过水流量,按照GB50288—99《灌溉与排水工程设计规范》有关“灌排建筑物分级指标”的规定本渡槽属4级建筑物。
2.1槽身尺寸的确定
渡槽的尺寸为：槽壳内半径=1.0m,直段加高ƒ=0.7m。通过设计流量水深1.26m，通过加大流量时槽内水深1.46m。槽壳壁厚t=0.1m,顶部加大尺寸a=0.2m，b=0.2m，c=0.1m,B=0.2m。沿槽身纵向每隔1.4m布置一根拉杆，一节槽身共设8根拉杆，拉杆断面尺寸：高×宽=0.2m×0.15m，槽身顶部两侧并设有人行道板及栏杆。槽身两端设有端肋，端肋厚度0.3m，具体尺寸见图2。排架间距=10m,两节槽身间的伸缩缝宽0.05m,一节槽身长=10-0.05=9.95m。

图2 （a） 渡槽纵向尺寸 （b）渡槽横向及拉杆尺寸
2.1.2槽身纵向外荷载及内力计算
1．槽身的基本参数
槽身横截面面积：
A＝ t(πR＋2ƒ) ＋2aB (2—1)
=0.1×（3.14+2*0.6）+2×0.2×0.2=0.53m ²
形心轴到圆心轴的距离：
K = (2—2)
=
=0.273m
渡槽顶到形心轴的距离：
＝K＋=0.273+0.6=0.873m (2—3)
渡槽底到形心轴的距离：
＝－K＋t=1-0.273+0.1=0.827m (2—4)
横截面对形心轴的惯性距：
J＝ =0.177 (2—5)
λ==0.273÷1.05=0.26 (2—6)
=0.966 (2—7)
=0.262 (2—8)
2.槽身荷载计算
渡槽的设计标准为4级，根据《水工钢筋混凝土结构》可知渡槽的安全级别为Ⅲ级，安全系数γ0=0.9，混凝土重度=25kN/m³，水重度γ=9.81 kN/m³，人群荷载为2KN/m²正常运行为持久状况，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。
槽壳重设计值: Gk=0.53×9.95×25×1.05=138.429(kN)
槽顶结构重设计值:
拉杆重＋承托重＋桥面板重＋栏杆柱重＋纵杆重
＝[0.2×0.15×2×1.0×8＋0.1×0.1×0.57×32＋0.07×0.57×(1.4－0.15) ×14＋0.07×0.57×0.35×2＋0.12×0.12×(1.2+0.5) ×16＋0.1×0.08× (1.4－0.12) ×42] ×25
＝58.021 (kN)
人群荷载设计值: ＝2×0.6×2×9.95×1.2＝28.656 (kN)
设计流量水深时水重设计值: ＝9.81×(×1.0²＋2×1.0×0.26) ×10×1.1
＝225.532 (kN)
加大流量水深时水重: ＝9.81×(×1.0²＋2×1.0×0.46) ×10×1.1
＝268.696(kN)
槽身自重设计值:
＝＝ 19.744(KN/m)
设计流量水深时水重设计荷载:
=＝22.553(KN/m)
加大流量水深时水重设计荷载:
=＝26.87﹙KN/m)
人群荷设计准: ＝＝2.88﹙KN/m)
设计流量水深时的设计值:
＝＋＋ (2—9)
＝19.744+22.553+2.88
＝45.177(KN/m)
加大流量水深时的设计值:
＝＋＋ (2—10)
＝19.744＋26.87＋2.88
＝49.493KN/m)
2.1.3渡槽纵向内力计算
1.沿渡槽水流方向按简支梁计算槽身应力及内力。

图3 槽身纵向计算简图（单位：mm）
计算弯矩时：＝-a＝9.95-0.3＝9.65（m） (2—11)
＝1.0×(9.95－0.3×2) ＝9.818(m)
取 ＝＝9.65(m)
计算剪力时：＝9.95-0.3×2＝9.35（m）
跨中弯矩设计值为 M＝ (2—12)
＝0.9××49.493×9.652
＝518.503（kN·m）
跨端剪力设计值 Vmax＝L (2—13)
＝×49.493×9.35
＝208.242（kN）
2.1.4正截面的配筋计算
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，但在抗裂验算中，只要底板与侧墙的接合能保证整体受力，就必须按翼缘宽度的规定计入部分或全部底板的作用。
不考虑底板与牛腿的抗弯作用，将渡槽简化为由两边侧墙组成的T形截面。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=35mm，布置单排钢筋，所以受拉钢筋合力点至截面受拉边缘的距离a=80mm，则截面的有效高度=h－a＝1800-80=1720mm。
=1.2×518.503＝622.204 (kN·m) (2—14)
2fc(－/2) ＝2×10×300×200×(1800－200/2) ＝2040(kN·m) (2—14)
＜2fc(－/2) (2—15)
所以属第一种情况（≤），按宽度为600mm的矩形梁计算。
根据计算简图和截面内力的平衡条件，并满足承载能力极限状态的计算要求可得两个基本设计公式：
(2—16)
fcbx= fyAs (2—17)
式中: M—弯矩设计值，按承载能力极限状态荷载效应组合计算，并考虑结构重要性系数及设计状况系数在内；
Mu—截面极限弯矩值；
γd—结构系数，=1.20；
fc——混凝土轴心抗压强度设计值，混凝土选用C20，则fc=10N/mm；
b——矩形截面宽度；
x——混凝土受压区计算高度；
h0——截面有效高度；
fy——钢筋抗拉强度设计值；
As——受拉区纵向钢筋截面面积；
将ξ=x/h0代入式上式，并令αs=ξ（1-0.5ξ），则有
M≦Mu= (fcasbh02) (2—18)
fcξbh0=fyAs (2—19)
ξ≦ξb (2—20)
ρ≤ρmin (2—21)
根据以上各式，计算侧墙的钢筋面积如下：
=0.032 (2—22)
=0.033＜=0.544 (2—23)
=1149.677 mm2 (2—24)
＞bh0ρmin=540 mm2
选6φ16 （AS=1206 mm2）
2.1.5槽身纵向抗裂验算
受弯构件正截面在即将开裂的瞬间，受拉区边缘的应变达到混凝土的极限拉伸值，最大拉应力达到混凝土抗拉强度f。钢筋混凝土构件的抗裂验算公式如下：
Ms≤γmactftkW0 (2—25)
M≤γMactftkW0 (2—26)
式中： ——混凝土拉应力极限系数，对荷载效应的短期组合取为0.85；对荷载效应的长期组合，取为0.70；
W0——换算截面对受拉边缘的弹性抵抗距；
y0——换算截面重心轴至受压边缘的距离；
I0——换算截面对其重心轴的惯性距；
ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值，此处取1.5。
混凝土的标号为C20，钢筋为Ⅱ级钢，则Ec=2.55×10N/mm²，Es=2.0×10N/mm²。
正常使用
荷载效应短期组合：＝[(+)] (2—27)
＝0.9×[×(19.744+26.87+2.88) ×9.65²]
＝518.513 (kN·m)
荷载效应长期组合：M＝[(+)] (2—28)
＝0.9×[(19.744+26.87×0.5) ×9.65²]
＝347.593(kN·m)
截面惯性矩＝[200×200³×＋200×200×(999-100) ] ×2＋[×570×70³＋570×70×(999-35) ] ×2＋[×120×700²＋120×700×(999-365) ] ×2-[0.00686×(2×1000) ＋π×(1175.62-999)] ＋[0.00686×(2×1100) ＋π(1226.55-999)] ＝31.383×
根据《水工混凝土结构设计规范》，选取γm值,查得=1.35，在值附中指出，根据h值的不同应对γm值进行修正。
1.3 (2—29)
短期组合的跨中弯矩值: ＝518.513 =578.61(KN)＞Ms
长期组合的跨中弯矩值:M ＝347.593(KN﹒m)
=476.505(KN)＞M
综合上述计算可知，渡槽底跨中截面满足抗裂要求。
2.1.6截面抗剪验算
支座边缘截面剪力设计值 V＝225.319（kN）
截面有效高度：hw＝＝1720－200＝1520 mm
＝＝6.33＞6.0 (2—30)
688(KN)＞V＝246.143kN(2—31)
故截面尺寸满足抗剪要求。
混凝土截面受剪承载力
288.96(KN)＞V (2—32)
＝1.2×225.319=270.383 (kN)
所以不需配箍筋，仅按照构造要求配置箍筋。
2.1.7挠度验算
⑴ 求渡槽短期刚度和长期刚度
不出现裂缝构件的短期刚度:
＝＝0.85×2.55××31.383×
＝6.802×(N·㎜²) (2—33)
荷载效应短期组合（并考虑部分荷载的长期作用的影响）时的长期刚度： ＝＝×6.802× ＝4.072×（N·㎜²） (2—34)
荷载效应长期组合时的长期刚度：
＝ ＝=3.401×（N·㎜²） (2—35)
⑵求外荷载作用下的挠度
荷载效应短期组合时：
f＝＝=1.253(㎜)
(2—36)
荷载效应长期组合时
f＝＝0.92(㎜)
查《水工钢筋混凝土结构学》课本附录五表3，在荷载效应短期组合下为，在荷载效应长期组合下为。
f＝1.253㎜<＝＝24.125㎜ (2—37)
满足要求
＝0.92㎜<＝＝21.444㎜ (2—38)
满足要求
2．2槽身横向内力计算及配筋计算
在横向计算时沿槽长取单位长度“1m”槽身作为脱离体进行分析。作用于脱离体上的荷载有水重、自重、人群荷载重等。因结构对称，可以取一半计算（如图5）： 注：（为了简化计算，槽壳顶部加厚部分的梯形面积用矩形面积（a×B）代替；τ为分布于槽壳截面上的剪力，按沿槽壳厚度中心线的切线方向作用计算；T为直段顶部加大部分剪力，T为加大部分以下的直段剪力；T为直段上的总剪力。X为“均匀化拉杆”的拉力，因拉杆的抗弯能力小，可以认为拉杆与槽壁是铰接的）。

2.2.1设计水深时的内力计算：
1.槽顶结构集中力:
G0＝×58.021×＋0.2×0.2×1×1.05×25＋2×0.6×1×
＝6.123(KN/m)
以上荷载对槽壳直段顶部中点所产生的力矩M按如下考虑计算:
高栏杆内面槽壳顶部0.15m宽度上的人群荷载，因力臂很小忽略不计，只计算高拉杆及槽身加大部分的重力所产生的力矩。低栏杆、拉杆、承托、桥面板以及桥面上的人群等重力，通过拉杆的杆端剪力而对槽壳直段顶部中点产生力矩。
2..槽顶荷载对直段荷载顶部中点的力矩M
＝﹣{[0.12×0.12×1.2×25＋0.1×0.08×(1.4－0.12) ×2×25]÷1.6} ×(0.25－0.11) ×1.05－0.2×0.2×1×25×(0.25－0.1) ×1.05＋{[0.12×0.12×0.5×25＋0.1×0.08×(1.4-0.12) ×25＋0.2×0.15×1.0×25＋0.1×0.1×0.57×2×25＋0.07×0.57×(1.4－0.15) ×25]÷1.4×1.05＋2×(0.57-0.12) ×1×1.2}×0.05
＝-0.136KN·m/m)
3.直段上的剪力：
＝ (2—39)
＝×(0.1+0.2)=1.235KN/m
= ＝5.837（kN/m） (2—40)
T＝T＋T＝1.235＋5.837＝9.249 (kN/m) (2—41)
4.形变位：
δ＝ (2—42)
(β＝h/R＝0.6/1.05＝0.476)
则 δ＝（m/kN） (2—43)
5.载变位：
Δ＝ (2—44)
＝-×(0.571×0.476+0.5)
＝-（m/KN）
Δ＝ (2—45)
＝ =（m/KN）
Δ＝ (2—46)
＝
＝－

＝m

= m (2—48)
6.计算
＝ (2—49)
＝0.59（kN）
7.各截面的弯矩及轴力
a.求横向弯矩M:
直段部分：
(2—50)
(2—51)
圆弧部分：
(2—52)
式中：、、、、、分别为弯矩M0、集中力G0、槽壳自重、水压力、剪应力τ和多余未知应力X1在圆弧部分引起的弯矩（注：式中值以弧度计）。
(2—53)
(2—54)

(2—55)
(2—56)

(2—57)
(2—58)
b.求轴向力公式：
直段部分：
(2—59)
(2—60)
圆弧部分： (2—61)
式中：、、、、分别为集中力G、槽壳自重、水重、水压力、剪应力和多余应力X在圆弧部分引起的轴向力：
(2—61)
(2—62)
(2—63)
(2—64)
(2—65)
式中： y为从拉杆中心向下为正量起的纵坐标。
以计算槽壳自重为例进行圆弧段部分横向弯矩和轴向力
表2—1 （单位：kN·m）

槽壳在其他荷载作用下各截面弯矩及轴向力的计算步骤与上述相同。计算得出设计水深作用下的横向弯矩及轴力图。
表2—2 （单位：kN·m）

（注: 弯矩以槽壳外壁受拉为正）表2—3 （单位：kN）

（注: 轴向力受压为正）
2.2.2加大流量水深时的内力计算：
加大流量时的内力计算步骤与设计深时的相同，且计算时以及、和
数值不变。由于槽内水深加大，槽壳直段上的剪力T及、重新计算，现仅将计算结
果列出如下：
＝＝ 1.353（kN/m）

＝6.395（kN/m）
T＝T＋T＝1.353+6.395＝7.748(kN/m)
＝-（m） , ＝ (m)

＝1.42（kN）

求得后，即可进行横向弯矩与轴向力计算。计算即结果如下表：
表2—4 加大流量水深作用下横向弯矩成果表 （单位：kN·m）

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表2—5 （单位：kN）

a 设计流量 b 加大流量
图6 设计水深和加大流量的弯矩轴力成果图

2.2．3人行道板的配筋：
人行道和槽身一样选用强度等级C20的混凝土，钢筋选用Ⅰ级钢筋, ＝0.614。板的厚度h＝70㎜,取a＝30mm,有效高度＝70－30＝40㎜。
图7 人行道板和拉杆尺寸图
在正常使用时长度为一米时所承受的荷载为:
均布永久荷载——板自重，设计值：
＝0.07×0.57×25×1.05＝1.047（kN/m）
均布可变荷载——人群荷载，设计值：
＝2×0.57×1.2＝1.368（kN/m）

图8 人行道板的计算简图
最大弯矩设计值： (2—65)
＝0.592(kN·m)
＝0.044 (2—66)