水闸工作桥计算说明书.doc

“水工钢筋混凝土结构学”课程设计实例

某排涝闸装配式钢筋混凝土工作桥设计

计 算 书

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目 录

1 设计资料 2
2 设计内容 3
2.1计算书 3
2.2 施工图 4
3工作桥结构布置 4
3.1 桥面长度 4
3.2桥面宽度 4
3.2纵梁 5
3.3横梁 5
3.4机墩 5
3.5 活动铺板 5
3.6栏杆柱及栏杆 5
3.7刚架 6
4 桥身结构计算 6
4.1悬臂板 6
4.2活动铺板 8
4.3横梁 11
4.4纵梁 12
4.5横梁与纵梁交界处附加箍筋计算 17
4.6纵梁钢筋的布置设计（图） 17
4.7裂缝开展宽度验算 18
4.8挠度验算 19
5刚架计算与配筋 20
5.1 刚架计算简图 20
5.2横向计算 20
5.3 纵向计算 27
参考文献 28

28

1 设计资料
根据初步设计成果，提出设计数据和资料如下：
（1） 排涝闸闸室立面图见图1。
（2） 工作桥桥面高程31.5m。
（3） 闸墩顶高程24.0m。
（4） 该闸共3孔，每孔净宽7m。
（5） 中墩宽度1m，边墩宽度0.9m。
（6） 闸门采用平面闸门，闸门自重200kN。
（7） 启闭设备采用3台（每孔一台）绳鼓式QPQ-2×160kN型启闭机，启门力（标准值）320kN。每台启闭机重量（标准值）70kN。启闭机高1080mm。启闭机地脚螺栓位置和机墩尺寸见图2。
（8） 闸门吊绳中心距离3.6m。
（9） 荷载
桥面活荷载标准值5.0kN/m2；
栏杆重标准值1.5kN/m；
安装荷载最重部件为绳鼓，每个绳鼓重（标准值）6.54kN， 着地面积为350mm×350mm；
启闭机地脚螺栓作用力设计值（含启闭机重、启门力）：Q1=35.365kN，Q2=46.265kN，Q3=56.116kN，Q4=76.125kN；
施工荷载标准值6.0kN/m2；
水闸所在地区基本风压ω0=0.45kN/m2（风荷载体型系数μs =1.3，风压高度变化系数μz=0.9）；
钢筋混凝土重力密度25kN/m3；
在进行荷载组合设计值计算时，注意启门力属可控制其不超出规定限制的可变荷载。
水闸所在地区地震烈度为6度，可不考虑地震作用，但应注意工作桥纵梁与刚架的节点构造，以增强抗震能力。
（10） 吊装机械的最大起重量250kN。
（11） 最大裂缝宽度允许值：0.3mm。
（12） 允许挠度：l0/400。
（13） 水工建筑物级别3级，基本荷载组合。
（14） 结构环境类别二类。
（15） 建筑材料
钢筋：梁、柱纵板、横梁纵向受力筋为HRB335钢筋，其余为HPB235钢筋。
混凝土：强度等级C30
（16） 设计依据的规范为《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）

图1 排涝闸闸室上游立面图

图2 启闭机地脚螺栓位置和机墩尺寸
2 设计内容
2.1计算书
工作桥结构设计计算书一份，包括：①桥面板、纵梁及联系横梁和支撑刚架的尺寸拟定；②工作桥身荷载计算、内力计算及配筋计算；③支撑刚架荷载计算、内力计算及配筋计算；④工作桥和刚架的材料（钢筋、混凝土）用量。
2.2 施工图
工作桥结构施工图，包括： ①工作桥立面和平面布置图； ②桥面板、纵梁、横梁模板图和配筋图； ③刚架立柱、横梁模板图和配筋图； ④设计有关说明。
3工作桥结构布置
3.1 桥面长度
按图1闸室立面图，工作桥分3跨，中跨长8000mm，边跨长8200mm，桥面总长度为24400mm。 为便于安装， 跨间设安装缝20mm，中跨实际长7980mm，边跨长8190mm，如图3所示。
3.2桥面宽度
机墩宽1600~1800mm，两边操作宽1000~1200mm，栏杆200~400mm, 拟定桥面宽度为3200mm，如图3所示（工作桥面边跨和中跨）。

地脚螺栓位置图

B
B－B剖面

B

图3 工作桥桥面结构布置图
3.2纵梁
考虑到方便起吊，工作桥每跨设置两根倒L型纵梁并由四根横梁连接，然后再在两纵梁之间加活动铺板。工作桥下支撑刚架的牛腿纵向（垂直水流方向）尺寸中部取800mm，端部取600mm，因此工作桥净跨ln=7200mm。纵梁截面尺寸按梁高h=（1/8~1/10）ln和梁宽b=（1/2~1/3）h选取，拟定h=800mm，b=300mm。纵梁翼缘厚度端部和根部通常为80～100mm和150～200mm，分别取80mm和160mm，挑出长度按工作桥面要求取600mm。纵梁肋的位置应满足桥面宽度和机墩横向（平行水流方向）尺寸的要求，纵梁肋净间距取1400mm。纵梁长度与各跨工作桥长度相等， 中跨为7980mm，边跨为8190mm。纵梁截面形式和位置如图3所示。
3.3横梁
横梁联接两侧纵梁，净跨度与纵梁间距相等，为1400mm。横梁截面为矩形，截面高度h按纵梁高度的2/3~3/4选取，截面宽度b按横梁高度的1/3~1/2选取，拟定h=500mm，b=250mm。横梁上布置机墩，沿纵梁纵向的位置由吊绳中心距（3600mm）和图2启闭机地脚螺栓位置尺寸确定，见图3。
3.4机墩
机墩在纵梁横梁上现浇，一般做成框子形，机墩高拟定h=300mm，宽度与所在纵梁及横梁相同，b=250mm。浇筑机墩时，注意留出启闭机地脚螺栓位置。启闭机地脚螺栓位置见图3。
3.5 活动铺板
活动铺板厚h通常为80～100mm，宽度b为400～1000mm，支撑宽度a为80～100mm。拟定h=80mm，活动铺板长度按纵梁间距1400mm和a=80mm，拟定l=1560mm。由桥面布置可知，工作桥各跨中部活动铺板宽度范围均为2226mm，除两边跨外侧端部活动铺板宽度范围1787mm外，其余端部活动铺板宽度范围均为1577mm。为了便于安装，活动铺板尺寸比设计值少10～20mm，拟定l=1540mm，b=500mm和b=430mm两种。这样，各跨中部布置5块430mm活动铺板（5×430）= 2150mm，两边跨外侧端部布置4块430mm活动铺板（4×430）=1720mm，其余跨端部共布置3块500mm活动铺板（3×500）=1500mm。活动铺布置见图3。
3.6栏杆柱及栏杆
栏杆柱截面为150mm×150mm，高度1200mm，每跨内设5根，距桥面边缘50mm。相邻两个栏杆柱之间距顶部100mm处和底部焊接直径50mm不锈钢管，上下不锈钢管间焊接直径20mm不锈钢管，间距150mm。栏杆柱布置见图3。
3.7刚架
刚架立柱纵向（垂直水流方向）截面尺寸b通常为400～600mm，横向（平行水流方向）截面尺寸h通常为300～500mm，拟定b×h=400mm×300mm。横梁截面宽度b1不应大于闸门槽颈部厚度和立柱截面尺寸b，截面高度h1通常300～500mm，拟定b1× h1=250mm×300mm，并带有支托宽200mm。立柱纵向设牛腿，短悬臂长度，c≥0.5b，高度h2≥b，拟定c =200mm，h2=400mm。按图1排涝闸闸室立面图，刚架高度为6700mm，将刚架设为两层。刚架结构布置图如图4所示。

C-C剖面
D-D剖面

图4 刚架结构布置图

4 桥身结构计算
4.1悬臂板
4.1.1正常使用阶段（持久工况）
1）计算简图
挑出梁以外的板按固结在梁肋的悬臂板计算，长度600mm，计算简图如图5所示。
2）荷载
按1m板宽计算，b=1000mm。

图5 悬臂板计算简图
（a） 使用阶段 （b） 检修阶段

悬臂板自重设计值：（平均值）
人群荷载设计值：
栏杆重设计值： ，距固定端600-（50+150/2）=475mm
3) 悬臂板根部截面弯矩

4）正截面配筋计算
K=1.2 C=25mm fy=300N/mm2 ρmin=0.15% α1ξb=0.468
a=C+d/2=25+5=30mm，

4.1.2安装检修阶段（短暂工况）
1）计算简图
一个绳鼓重6.45KN，着地面积350mm×350mm，将集中荷载尽可能放在离纵梁肋最远处，如图5（b）所示。计算宽度b=a1+2c1=350+2×225=800mm。
2）荷载
悬臂板自重设计值：
人群荷载设计值：
栏杆重设计值：
绳鼓重设计值（可控制可变荷载系数取为1.1）：1.1×6.45=7.10kN
3）根部截面的最大弯矩设计值
M=7.1×0.225+1.26×0.475+(2.52+4.8)×0.62/2=3.51kN•m
4）配筋计算
计算宽度b=800mm
K=1.2 C=25mm fy=300N/mm2 ρmin=0.15% α1ξb=0.468
a=C+d/2=25+5=30mm，

换算成1米板宽钢筋数量。
按构造要求选配 8@200（As=251mm2）为受力筋， 6@300为分布筋，如图6所示。

图6 悬臂板配筋图

4.2活动铺板
4.2.1 计算简图
活动铺板板长为1540mm，净跨1400mm，板厚80mm，板宽为500mm和430mm两种，宽度以b=1000mm计算。
板的计算跨度l0取下列各相应l0值中的较小者：

取计算跨度l0=1470mm
活动铺板计算简图见图7。

图7 活动铺板计算简图
a)正常使用阶段 b)检修阶段

4.2.2正常使用阶段（持久工况）
1）荷载
板自重设计值：
人群荷载设计值:
2）跨中弯矩设计值：

3）配筋计算
K=1.2 C=25mm fy=300N/mm2 ρmin=0.15%
a=C+d/2=25+5=30mm

b=500mm时，
b=430mm时，
4.2.3安装检修阶段（短暂工况）
1）荷载
板自重设计值：
绳鼓标准值Qk=6.45kN，设计值Q=1.1×6.45=7.10kN，作用于跨中，计算简图如图7（b）所示。
人群荷载设计值:
2）跨中弯矩

3）配筋计算
K=1.2 C=25mm fy=300N/mm2 ρmin=0.15%
a=C+d/2=25+5=30mm

b=500mm时，
b=430mm时，
活动铺板按安装检修阶段钢筋用量选配钢筋
b=500mm时，纵向钢筋配5 8（）。
b=430mm时，纵向钢筋配4 8（）。
按构造要求在板的纵向配置 6@200的分布筋。截面配筋如图8所示。

（a） （b）
图8 活动铺板配筋图
(a) 500mm宽板， (b) 430mm宽板

4.3横梁
1) 计算简图
横梁和纵梁整浇在一起，与纵梁的连接为半固定状态，计算内力时可按简支梁简化处理。横梁的跨中弯矩按简支梁跨中弯矩的0.7倍计算，支座弯矩按简支梁跨中弯矩的0.5倍计算。
横梁计算跨度，

横梁计算简图见图9。
2) 荷载
横梁自重设计值：
机墩重设计值：

地脚螺栓传来的力设计值：
按Q4计算。

图9 横梁计算简图

3）内力计算
取受荷载最大的一根横梁进行承载力计算，其它横梁都照此配筋。按图9计算简图，由内力计算得，在集中荷载作用点截面，正弯矩最大M=7.46kN•m。
横梁跨中弯矩，M跨中=0.7M=0.7×7.46=5.22kN•m。
横梁支座弯矩 M支座=0.5M=0.5×7.46=3.73kN•m。
4）配筋计算
K=1.2 C=35mm fy=300N/mm2 ρmin=0.20%
b=250mm，h=500mm，a=45mm（单层钢筋）
h0=h-a=500-45=455mm
按跨中弯矩确定梁底部纵筋数量，

按最小配筋率和满足构造要求 2 12（）。
按支座弯矩确定横梁顶部纵筋数量。横梁支座弯矩小于跨中弯矩，最小配筋率和满足构造要求2 12（）。
横梁抗剪承载力不必计算，按构造要求选配双肢箍筋 8@200。
横梁配筋图如图10所示。

图10 横梁配筋图

4.4纵梁
1) 计算简图
梁的净跨为，支座宽度a=800mm,

取 l0=7560mm。
纵梁计算简图见图11。

图11 纵梁计算简图
(a) 计算弯矩， (b)计算剪力
(a) (b)

2）荷载计算
纵梁自重标准值：
栏杆重标准值：
活动铺板重标准值：
均布恒载标准值：
均布恒载设计值：
人群荷载标准值：
人群荷载设计值：
横梁和机墩标准值：
横梁和机墩设计值
启闭机传给纵梁的荷载（启门力，启闭机重）：
位于一根纵梁的中心，到近端支座的距离为100mm。计算简图如图12所示。启闭机传给纵梁的荷载为支座A、B的反力。

图12启闭机传给纵梁的荷载计算简图
(a) Q4 (b) Q3

故取、作用的纵梁进行计算。
启闭机传给纵梁的集中力设计值为：

3）内力计算
计算简图如图11所示。
（1）集中荷载作用下的内力计算
弯矩计算公式，
集中荷载左侧，，集中荷载右侧，
剪力计算公式，
集中荷载左侧， 集中荷载右侧，
a为集中荷载到左支座的距离。
（2）分布荷载作用下的内力计算
弯矩计算公式， ， 剪力计算公式，
（3）内力计算结果见表1和表2；M图和V图见图13和图14.

表1 纵梁弯矩计算表
X(m)
M(kNm)
X(m)
M(kNm)
0.000
0.00
4.000
391.79
1.000
185.38
5.000
380.24
1.492
270.70
5.018
379.89
2.000
325.74
6.000
278.31
2.542
379.89
6.500
270.70
3.000
387.30
7.000
105.79
3.780
392.18
7.560
0.00

x（m）
V（kN）
x（m）
V（kN）
0.000
190.514
4.838
-19.8575
1.312
169.4695
4.838
-95.5675
1.312
112.4095
5.888
-112.41
2.362
95.56752
5.888
-169.47
2.362
19.85752
7.200
-190.514
3.600
0

表2 纵梁剪力计算表

图13 纵梁M图

图14 纵梁 V图

4）配筋计算
T形梁截面，
（1） 纵向钢筋计算
K=1.2 C=35mm fy=300N/mm2 ρmin=0.20%
受拉钢筋估计为双层钢筋，a=70mm， h0=h-a=800-70=730mm，
按T形独立梁考虑

计算宽度

以上两值均大于翼缘实有宽度900mm，故

故属于第一类T形梁。

选筋5 25（），配筋图如图13所示。

图15 纵梁跨中配筋图

（2）抗剪钢筋计算
按最大剪力计算，Vmax= 187.67kN
验算截面尺寸,

截面尺寸符合要求。

腹筋需经计算确定。
沿全长布置 8@200双肢箍筋，

混凝土和箍筋能承担的剪力最大值为：

故不需要配置弯起钢筋。
按理论不必弯起钢筋帮助抗剪，但按构造要求也弯起2 25（）弯起角45º下弯点距支座边缘为150mm，伸入梁顶再伸入支座。

4.5横梁与纵梁交界处附加箍筋计算

取m=6，在横梁两侧各布置3个双肢 8@220。 配筋图如图16所示。
图16 横纵梁交接处附加箍筋配筋图

4.6纵梁钢筋的布置设计（图）

图17纵梁钢筋布置图

先考虑跨中弯矩的MR图。跨中弯矩M=392.18kN•m，按正截面配筋计算跨中纵向受拉钢筋面积As=2228.2mm2，实配5 25（As=2454mm2），故实配钢筋能承担的弯矩为M=400.7 kN•m。在图上绘出最大承担的弯矩，并以此按各钢筋面积的比例划分出5 25钢筋各自能抵抗的弯矩值，确定出个钢筋的理论切断点和充分利用点。按预先布置，尽管按理论不必弯起钢筋帮助抗剪，但按构造要求两侧支座也弯起2 25（），弯起角45º，下弯点距支座边缘为150mm，伸入梁顶再伸入支座，考虑支座宽度350mm和钢筋保护层35mm，伸入支座长度350-35=315mm。绘制钢筋弯起后的MR图，见图17。由图17，弯起钢筋下弯点距梁跨中点距离为1260mm> =365mm，满足要求。其余钢筋不再弯起，直通伸入支座，伸入长度las≥12d=12×25=300mm，考虑支座宽度350mm和钢筋保护层35mm，伸入支座长度350-35=315mm。
纵梁净跨度ln=7200mm>6000mm, 架立钢筋选用2 12。由于梁高hw=800-120= 680mm>450mm，在梁肋设置腰筋，选用2 14（As=308mm2），钢筋面积>0.1%bh=0.1%×300×800=240mm2），满足要求。腰筋拉筋选用 14@200。

4.7裂缝开展宽度验算
4.7.1计算简图
纵梁裂缝开展宽度计算简图见图18。按4.4的计算，纵梁计算跨度l0=7560mm，荷载标准值，
图18 纵梁裂缝宽度计算简图

4.7.2 弯矩计算
简支梁跨中弯矩最大，按图18 纵梁裂缝宽度计算简图采用4.4的计算公式计算，标准荷载作用下纵梁跨中弯矩，
Mk = 320.72kN·m

4.7.2裂缝开展宽度验算
允许裂缝开展宽度，

故裂缝开展宽度要求。

4.8挠度验算
4.8.1 短期刚度Bs

4.8.2 均布荷载作用下的挠度

均布荷载作用下的挠度，

4.8.3 集中荷载作用下的挠度

集中荷载作用下的挠度：

4.8.4挠度验算
允许挠度[f]=l0/400。
最大挠度为，

故挠度满足要求。

5刚架计算与配筋
5.1 刚架计算简图
支撑工作桥的刚架属于3级建筑物，结构安全级别为Ⅱ级，结构尺寸如图4所示。混凝土强度等级C30，纵向受力钢筋HRB335，其它钢筋HPB235，fc=14.3 N/mm2，ft=1.43 N/mm2，fy=fy′=300N/mm2，fyv=210N/mm2 ，K=1.2。
由图4刚架结构布置图，刚架横向是固定于闸墩顶的刚架结构，其计算简图由立柱和横梁的轴线组成，立柱底部按固定端考虑。刚架计算简图如图24所示。

5.2横向计算
图24刚架计算简图
刚架受力的最不利情况为闸门开启到最高位置，工作桥上无
人群荷载。
5.2.1荷载计算
1）风荷载在上部结构的风压力为

设计值：
上部受风面积:
式中0.77为考虑实际受风面积的折减系数；H为纵梁底面到启闭机顶的高度；L为一跨身长度。
把作用于面积A上的风压力化作集中力T，则

作用于立柱上的风压力（闸门开到最高位置后靠于立柱上）；

将风压力化做节点荷载：

2）纵梁传来的压力（相邻两跨）为：
闸门重 200/2=100kN
启闭机 70/2=35kN
纵梁自重 7.8×8=62.4kN
栏杆重 1.5×8=12kN
活动铺板重 1.4×8=11.2kN
横梁自重和机墩重 4×4.53=18.12kN
纵梁所传来的压力标准值 100+35+62.4+12+11.2+18.12=238.8kN
纵梁所传来的压力设计值
G0=1.05×238.8=250.74kN
3）工作桥上风压力通过纵梁支座在立柱上形成的等量反向力P，作用于上部结构的风压力在刚架顶部产生的力矩为，

两柱轴线间距1.7m，则等量反向力设计值，

4）刚架自重设计值

5.2.3内力计算
如图25所示，将刚架水平荷载T1和T2（a）分为对称（b）和反对称（c）两组荷载。对称荷载只产生横梁轴力，而反对称荷载使刚架产生弯矩、剪力和轴力。分别按该两组荷载进行内力计算，而后将两者的计算结果进行叠加得到刚架的内力图。
T1/2= 16.97/2=8.485kN，T2/2= 16.57/2=8.285kN

图25 刚架内力计算荷载划分图

1） 对称荷载刚架内力计算
对称荷载只产生横梁轴向压力，而不产生其它内力。
上部横梁，N1= T1/2=8.485kN；下部横梁，N2= T2/2=8.285kN
2） 反对称荷载刚架内力计算
取半边刚架采用无剪力弯矩分配法计算刚架弯矩。计算简图见图26。
（1） 分配系数的计算
横梁和立柱的弹性模量E相同，长度，lAB= lCD =0.85m，lAC=3.35m，lBE=3.2m
横梁线性刚度
图26 反对称荷载刚架弯矩计算简图

立柱线性刚度
，

各节点的分配系数
节点A: ，

节点C:
,

(2）固端弯矩的计算

(3)弯矩计算
取半边刚架采用无剪力弯矩分配法计算刚架弯 矩，计算过程和结果见图27。
(4) 剪力和轴力计算
按图27无剪力分配法弯矩计算结果，由各杆件的脱离体按平衡条件可计算其剪力和轴力。
横梁AB
剪力
轴力
图27 无剪力分配刚架弯矩计算图

横梁CD
剪力 ，轴力
立柱AC
剪力 ，轴力
立柱CE
剪力 ，轴力
3）刚架内力图
将上述对称荷载和反对称荷载下计算的内力以及刚架上端垂直荷载进行叠加，注意反对称荷载的弯矩和轴力反对称，剪力对称，得刚架内力图如图28所示。

(a) 弯矩图（kNm） (b)剪力图（kN） (c) 轴力图（kN）
图28 刚架内力图

5.2.4 立柱正截面承载力计算。
因水平风荷载可以从相反方向作用，立柱承受数值相近的正负弯矩，所以按对称配筋的偏心受压构件计算，全柱均以弯矩最大、轴力最小截面作为配筋计算依据。

1) 求偏心距增大系数：

h0=h-a=300-40=260mm
需考虑纵向弯曲的影响。

e0=188.52mm>h/30=300/30=10mm
取
取

2) 判别大小偏压

所以按大偏心受压构件计算。
3) 求配筋面积

故按最小配筋率配筋：

每侧实选2 16（As=402mm2）。

5.2.5立柱抗剪计算
取剪力最大、轴力最小截面作为计算截面。
1) 验算截面尺寸

截面尺寸符合要求。
2)配置箍筋
按构造要求，选用双肢箍筋 8@150， Asv= 101mm2

满足抗剪要求。配筋截面图如图29。

5.2.6刚架横梁配筋计算
忽略轴向力影响，横梁按受弯构件计算。下横梁弯矩较大，选其进行配筋计算。
图29立柱配筋图
1）正截面承载力计算

实选3 16（As=603mm2）。因为横梁受大小相近的正负弯矩，故上下部均布置3 16的纵筋。
2）抗剪承载力计算
，则有
故不需要加配腹筋，按构造配双肢 8@150箍筋，沿全梁布置，如图30所示。
图30横梁配筋图

5.3 纵向计算
5.3.1 闸门开启方式
纵向计算立柱可视为独立的柱，受到的荷载有立柱自重、横梁重和工作桥纵梁传来的压力（按三角形分布考虑）。对于中墩立柱，需要考虑相邻两孔闸门的开启方式， 包括两孔闸门同时开启、一孔闸门正在开启、另一孔未开，见图31。

图31 闸门开启方式
（a）两孔闸门同时开启，（b）一孔闸门正在开启、另一孔未开

5.3.2两孔闸门同时开启
此时按轴心受压构件。立柱控制截面(底面)所受的力为：
每跨纵梁传来的压力设计值
,
半边刚架自重设计值 。

原配筋4 16（As ′= 804mm2），全部作为受压钢筋时，其配筋率为
，满足要求。
5.3.3一孔闸门正在开启、另一孔未开
此时立柱控制截面（柱底截面）所受力为：
开启一孔的压力设计值,
半边钢架自重设计值。
关闭一孔的压力设计值。
此时按偏心受压构件计算，由于开启的一孔可能是左一孔也可能是右一孔，故采用对称配筋。

取

，按大偏压构件计算。

故原配筋2 16 （As ′= As =402mm2），满足要求。
参考文献
[1] 水利部长江水利委员会长江规划设计研究院. 水工钢筋混凝土结构设计规范（SL191- 2008）. 2008年，中国水利水电出版社，北京.
[2] 河海大学，武汉大学，大连理工大学，郑州大学. 水工钢筋混凝土结构学. 2010年，中国水利水电出版社，北京.
[3] 陈礼合.水工钢筋混凝土结构学习辅导与习题. 2010年，中国水利水电出版社，北京.