渡槽结构计算书.doc

目 录

1. 工程概况 1
2．槽身纵向内力计算及配筋计算 2
(1)荷载计算 2
(2)内力计算 3
(3)正截面的配筋计算 4
(4)斜截面强度计算 6
(5)槽身纵向抗裂验算 7
3．槽身横向内力计算及配筋计算 8
(1)底板的结构计算 10
(2)渡槽上顶边及悬挑部分的结构计算 11
(3)侧墙的结构计算 12
(4)基地正应力验算 19

1. 工程概况
重建渡槽带桥，原渡槽后溢洪道断面下挖，以满足校核标准泄洪规定。目前，东方红干渠已整修改造完毕，东方红干渠设计成果显示，该渡槽上游侧渠底设计高程为165.50m，下游侧渠底设计高程为165.40m。本次设计将现状渡槽拆除，按照上述干渠设计底高程，结合溢洪道现状布置及底宽，在原渡槽位重建渡槽带桥，上部桥梁按照四级道路标准，荷载标准为公路-Ⅱ级折减，建筑材料均采用钢筋砼，桥面总宽5m。
现状渡槽拆除后，为满足东方红干渠的过流规定及溢洪道交通规定，需重建跨溢洪道渡槽带桥。新建渡槽带桥轴线布置于溢洪道桩号0+95.25，同现状渡槽桩号，下底面高程为165.20m，满足校核水位+0.5m超高规定，桥面高程167.40m，设计为现浇结合预制混凝土结构，根据溢洪道设计断面，拟定渡槽带桥总长51m，8.5m×6跨。上部结构设计如下：渡槽过水断面尺寸为2.7×1.6m，同干渠尺寸，采用C25钢筋砼，底及侧壁厚20cm，顶壁厚30cm，筒型结构，顶部两侧壁水平挑出1.25m，并在顺行车方向每隔2m设立一加劲肋，维持悬挑板侧向稳定，桥面总宽5m，路面净宽4.4m，设计荷载标准为公路-Ⅱ级折减，两侧设预制C20钢筋砼栏杆，基础宽0.5m。下部结构设计如下：下部采用C30钢筋混凝土双柱排架结构，并设立横梁，

由于地基为砂岩，基础采用人工挖孔端承桩，尺寸为1.2×1.2m，基础进一步岩层弱风化层1.0m，盖梁尺寸为4×1.6×1.2m。
2．槽身纵向内力计算及配筋计算
根据支承形式，跨宽比及跨高比的大小以及槽身横断面形式等的不同，槽身应力状态与计算方法也不同，对于梁式渡槽的槽身，跨宽比、跨高比一般都比较大，故可以按梁理论计算。槽身纵向一般按满槽水。
图2—1 槽身横断面型式（单位：mm）
(1)荷载计算
根据规划方案中拟定，渡槽的设计标准为4级，所以渡槽的安全级别Ⅲ级，则安全系数为γ0=0.9，混凝土重度为γ=25kN/m3，正常运营期为持久状况，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，涉及槽身重力（栏杆等小量集中荷载也换算为匀布的）、槽中水体的重力、车道荷载及人群荷载。其中槽身自重、水重为永久荷载，而车道荷载、人群荷载为可变荷载。
槽身自重：
标准值：g1k=γ0ψγV1=0.9×25×(0.3×5+0.2×2×2+0.2×2.5+0.2×0.3+0.1×0.1+20.4×0.2+0.025×2+0.102×2)=72.09（kN/m）
设计值： g1=γG。g1k=1.05×72.09=75.69（kN/m）
水重： 标准值： g2k=γ0ψγV2=0.9×9.81×（1.6×2.7-0.1×0.1-0.4×0.2）=37.35（kN/m）
设计值： g2=γG。g2k=1.05×37.35=39.22（kN/m）
车辆荷载：
集中荷载标准值： pk=140×2=280 kN
设计值： p=1.2×280=336 kN　　
人群荷载：标准值： qk=3.0（kN/m）
设计值： q=1.2×3=3.6（kN/m）

(2)内力计算
可按梁理论计算，沿渡槽水流方向按简支或双悬臂梁计算应力及内力：

图2—2 槽身纵向计算简图（单位：cm）
计算长度l=ln+a=6.9+0.8=7.7（m）
l=1.05ln=1.05×6.9=7.245(m)
所以计算长度取为7.25m
跨中弯矩设计值为 M=γ0ψ×（g1+g1+q）l2 +pl
=0.9×1.0××118.6×7.252+×336×7.25
=1898.5（kN.m）
跨端剪力设计值 Qmax=γψ×（q+g1+g2）l+1.2P
=0.9×1.0××118.6×7.25+1.2×336=797.42（kN）
(3)正截面的配筋计算
对于简支梁式槽身的跨中部分底板处在受拉区，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所有底板的作用。
不考虑底板与牛腿的抗弯作用，将渡槽简化为h=2.3m、b=0.4m的矩形梁进行配筋。考虑双筋，a=0.08，h0=2.3-0.08=2.22（m），rd=1.2。
（2—1）
fcbx=fyAS （2—2）
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γ0及设计状况系数ψ在内；
Mu——截面极限弯矩值；
γd————结构系数，γd=1.20；
fc——混凝土轴心抗压强度设计值，混凝土选用C25，则fc=12.5N/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（2—4）、（2—5），并令αs=ξ（1-0.5ξ），则有
（2—3）
fcξbh0=fyAs （2—4）
ξ≤ξb （2—5）
根据以上各式，计算侧墙的钢筋面积如下：
==0.0942

%＞ρmin=0.15%
选4φ20+6φ25 AS=1257+2945=4202（mm2）
（4）斜截面强度计算
已知v=797.42kN，=5.55
=4，
=6

=2291.75（KN）>v=797.42KN

按受力计算不需要配置腹筋，考虑到侧墙的竖向受力筋可以起到腹筋作用，但为固定纵向受力筋位置，仍在两侧配置φ8@150的封闭箍筋。同时沿墙高布置φ10@150的纵向钢筋。
(5)槽身纵向抗裂验算
受弯构件正截面在即将开裂的瞬间，受拉区边沿的应变达成混凝土的极限拉伸值εmax，最大拉应力达成混凝土抗拉强度ft。钢筋混凝土构件的抗裂验算公式如下：
Ms≤γmαctftkW0 （2—7）
ML≤γMαctftkW0 （2—8）
式中 αct——混凝土拉应力极限系数，对荷载效应的短期组合αct取为0.85；对荷载效应的长期组合，αct取为0.70；
W0——换算截面A0对受拉边沿的弹性抵抗距；
y0——换算截面重心轴至受压边沿的距离；
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。
混凝土的标号为C25，钢筋为Ⅱ级钢，则Ec=2.8×104N/mm2，
Es=2.0×105N/mm2。
根据《水工混凝土结构设计规范》，选取γm值。
由bf/b＞2，hf/h＜0.2，查得γm=1.40，在γm值附表中指出，根据h值的不同应对γm值进行修正。

短期组合的跨中弯矩值 +pl
=0.9×1.0××118.6×7.252+×336×7.25
=1898.5（kN.m）
＞Ms
长期组合的跨中弯矩值（人群荷载的准永久系数ρ=0）
＝0.9××118.6×7.252
=858.67（kN.m）
＞Ml
综合上述计算可知，槽身纵向符合抗裂规定。
3．槽身横向内力计算及配筋计算
由于在设计中选用了加肋的矩形槽，所以横向计算时沿槽长取肋间距长度上的槽身进行分析。作用于单位长脱离体上的荷载除q（自重力加水的重力）外，，两侧尚有剪力Q1及Q2，其差值ΔQ与荷载q维持平衡。ΔQ在截面上的分布沿高度呈抛物线形，方向向上，它绝大部分分布在两边的侧墙截面上。工程设计中一般不考虑底板截面上的剪力。

图3—1 槽身横向计算计算简图
侧墙与底板均按四边固定支承板设计，计算条件为满槽水。
图3—1中l1为肋间距，q1为作用于侧墙底部的水压力，q2为底板的重力与按满槽水计算的槽内水压力之和，根据条件可得
（3—1）
（3—2）
以上各式中 γ——水的重度；
γh——钢筋混凝土的重度；
δ——底板厚度。

图：结构弯距图

图：结构剪力图

结构计算成果表

AB
跨中
BA
BC
跨中
CB
CD
跨中
DC
DA
跨中
AD
弯距（KN.m）
-14.93
12.65
0.28
0.28
2.23
2.92
-5.86
18.05
107.87
-23.99
-0.1
-14.93
剪力KN
36.83
0
33.67
8.54
6.1
-15.46
136.5
69.49
143.29
-3.08
-6.1
-8.54

⑴底板的结构计算
按照底板中部弯矩配筋，采用c25砼，fcm=12.5N/mm根据《水工钢筋混凝土结构》，板厚200mm，受力钢筋间距取为100mm，具体配筋计算如下：
a= a’=30mm，h0=200-30=170mm，取单宽计算b=1000mm
选用Ⅰ级钢筋，则fC=210N/mm2，计算弯矩最大位置的配筋量：
Mx=14.93kN.m，N=36.83KN时，

fcξbh0=fyAs
ξ≤ξb
根据以上各式，计算底板的钢筋面积如下：
==0.057

%＞ρmin=0.15%
选Φ10@125 AS=628（mm2）
⑵渡槽上顶边及悬挑部分的结构计算
渡槽顶部两侧壁水平挑出1.25m，并在顺行车方向每个两米设立一加劲肋，维持悬挑板侧向稳定，顶壁厚30cm。按照悬臂根部最大弯矩计算配筋，采用c25砼，fcm=12.5N/mm根据《水工钢筋混凝土结构》，板厚300mm，受力钢筋间距取为100mm，具体配筋计算如下：
a= a’=30mm，h0=300-40=260mm，取单宽计算b=1000mm
选用Ⅱ级钢筋，则fC=310N/mm2，计算弯矩最大位置的配筋量：
Mx=131.86kN.m，N=143.29KN时，

fcξbh0=fyAs
ξ≤ξb
根据以上各式，计算钢筋面积如下：
==0.187

%＞ρmin=0.15%
选φ20@140 AS=2244（mm2）
(3)侧墙的结构计算
由于侧墙的受力为不均匀荷载，故按最大值的匀布荷载进行配筋，其结果更安全。
① 侧墙与肋所构成的T形梁的配筋计算
由于侧墙与肋所构成的T形截面梁，翼缘受拉不考虑其抗弯作用，故可简化成矩形进行配筋计算。
不考虑纵向弯矩的影响。
内力组合：Mmax=-14.93kN.m，N=-292.67kN
计算η值：

故取偏心距为实际值e0=58.3mm。
，取ζ1=1.0

∴
判断大小偏心，由于ηe0=1.035×58.3=60mm<0.3h0=0.3×810=243mm
所以，按小偏心受压构件计算。

按最小配筋率计算AS，ρmin=0.2%，所以
AS=ρminbh0=0.2%×200×810=324（mm2）
选用2φ16，AS=402 mm2

选用2φ10，AS＇=157mm2
斜截面受剪承载力计算：

故截面尺寸满足抗剪规定。
故可不进行斜截面受剪承载力计算，而按构造规定配置箍筋选φ6@200钢筋
抗裂验算：
一般情况需按荷载效应的短期组合及长期组合分别验算，本设计由于是粗略计算，且可变荷载非常小，故只按荷载效应的长期组合进行抗裂验算。抗裂演算的对象为T形截面梁。基本数据：ES=2.0×105N/mm2，Ec=2.0×104N/mm2， ftk=1.75N/mm2,γd=1.75，αst=0.7。具体计算如下：
换算截面面积
A0=bh+（bf-b）bf+αEAs+αEAs＇
=200×850+（2023-200）×200+×（226+402）
=454485.7（mm2）

换算截面的重心至受拉边沿的距离

+
=（mm4）
换算截面对其重心的惯性矩
通过以上的验算可知，侧墙肋的配筋满足抗裂规定。

② 底板与肋所构成的T形截面梁的结构计算
根据底板的内力图，选取两组内力按偏心受拉构件进行结构计算。
第一组内力组合：M=14.93kN.m，N=8.54kN.m
由于底板与肋所构成的T形截面梁，翼缘受拉不起抵抗弯矩的作用，故可简化成矩形截面进行配筋计算。
l0/h=2300÷400=5.75<8，故不需考虑纵向弯曲的影响。
，故取偏心距e0=704mm
取ζ1=1.0。

判断大小偏心，由于ηe0=1.0132×1304=713.3（mm），所以按大偏心受拉构件计算配筋。
计算As＇及As：

对于Ⅱ级钢筋，αsb=0.396

选用2φ10，As=157mm2。（偏心受拉构件根据《水工钢筋混凝土结构》不需考虑ρmin的限制。

%＞ρmin=0.15%
选用2φ8，AS=101（mm2）

第二组内力组合：M=12.65kN.m，N=8.54kN
在此组内力组合作用下，肋的外侧受拉，所以必须通过配筋计算来保证肋外侧的受拉强度。计算截面为T形，受拉翼缘宽度bf＇=2023mm，高度hf＇=200mm，肋宽b=200mm，肋高h=400mm。
，故按大偏心计算。
重心轴到受拉边沿的距离为

对于Ⅱ级钢筋，αst=0.396
故按第一组内力组合求得的As=101mm2满足第二组内力组合的配筋规定，所以As＇=157mm2。同理可得，第一组内力组合的As＇=157mm2亦满足第二组内力组合As的规定。
抗裂验算：
已知：Es=2.0×105N/mm2，Es=2.8×104N/mm2，ftk=1.75N/mm2，γm=1.75，αct=0.7，则
换算截面面积A0=bh+（bf-b）hf+αEAs+αEAs＇
=200×400+（2023-200）×200+×（157+101）
=375428.57（mm2）
换算截面的重心到受压边沿的距离

换算截面对其重心的惯性矩

通过上述计算可验证所配钢筋混凝土截面满足抗裂规定。
⑷基地正应力验算
按材料力学偏心受压公式，上下边沿正应力σyu、σyd为
（4—3）

式中
ΣW——单位宽度上所有荷载的铅直力总和；
ΣM——单位宽度上计算截面上所有荷载对于计算截面形心的力矩总和，以使上游面产生正压应力为正；
L——计算截面沿渡槽方向的长度。
取边墩与土基相接触的截面为计算对象：
L=3.2m
ΣW=G1+G2+G3=180.2×7.25+1.2×174.6+25×(4×1.6×1.2+1.2×1.2×6.4×2+1.6×1×0.6)=2216（kN）
ΣM=2.0×4.5×25×（-0.25）+0.5×4.0×1.0×25×（0.75+1/3）+33.396×1.25+2.5×1.0×18×1.25-0.5×0.5×2.0×18×（0.75+0.5/3）+0.5×0.5×2.0×（1.75-0.5/3）×11+0.5×0.5×18×（-1.5）+210.583×0.25-14.209×2.5×（2.5+2.5/3）-0.5×2.5×（33.693-14.209）×（2.5+2.5/3）
-33.178×2.52×0.5-0.5×2.5×（44.785-33.178）×2.5/3-34.3×3.5×0.5×（3.2×2/3-1.75）
=920（kNm）

为了保证渡槽工程的安全和正常运用，基地压应力及其分布必须满足：σmax≤[σ]，σmin≥0。由于地基土的允许压应力为[σ]=350kN/m2>σ，综合以上计算，基础满足规定。