XX米高扶壁式计算手算与软件复核的结构设计.doc

XX米高扶壁式计算手算与软件复核的结构设计一、基本资料某电站尾水电站总装机3250KW（2000KW+1250KW），最大引水流量为40m3/s（循环尾水），根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000），本电站工程规模为小（2）型，工程等别为等，主要建筑物和次要建筑物工程级别均为5级。根据水工混凝土结构设计规范（DL/T 50571996），建筑物结构安全级别为级。根据中国地震动参数区划图（GB183062001），本区地震动峰值加速度小于0.05g，相当于地震烈度低于度，区域稳定。根据水工建筑物抗震设计规范（GB50771997）的规定，可不作抗震安全复核。二、工程布置 根据计算，本电站两台机组运行时需要调节水量8095m3，结合现场地形及上下游建筑物布置形式，前池总体呈梯形布置，上游接进口转换井，下游接厂房进水口及溢流孔，总长42.0m，进口宽10.0m，出口总宽27.0m（详见施工平面图）。前池底板高程20.5m，与溢流孔进口底板同高，边墙墙顶高程33.4m。正常运行时，池内正常水位31.8m，因故障突然停机时，池内最高水位32.77m。边墙外侧距墙外边缘10.0m范围内回填土地面高程28.0m（自然地面高程22.5023.50），然后以1：2边坡与自然地面衔接。三、结构形式及尺寸拟定：前池采用底板与边墙分离式钢筋混凝土结构，结构所处的环境类别为二类，素混凝土及回填部分采用C15混凝土，钢筋混凝土采用C25混凝土，钢筋采用级（fy=210Nmm2）、级（fy=310Nmm2）钢筋。底板厚度拟定为0.6m，边墙采用扶壁式挡土墙结构，墙面板厚度初定为0.6m，底板厚度初定为0.8m，扶壁厚度初定为0.4m，底板总宽度初定为8.0m，前趾板净挑底度初定为1.0m，扶壁间净距初定为4.0m。边墙断面尺寸如下图所示。四、结构稳定计算本工程前池为半埋式地下结构，边墙与底板之间设缝分开，稳定计算只计算边强的地基应力、抗倾、抗滑稳定及底板的抗浮稳定。计算荷载考虑基本组合和特殊组合两类，详见下表：荷载组合计算情况荷 载说 明自重水重静水压力扬压力土压力淤沙压力风压力浪压力冰压力土的冻胀力地震荷载其它基本组合完建工况正常运行特殊组合事故停机1、荷载统计素混凝土容重取24.0KN/m3，钢筋混凝土容重取25.0KN/m3，墙后回填土容重取20.0KN/m3，水重取10KN/m3。边墙计算取两个扶壁中心轴线间距单元体为计算单元（计算单元长度4.0+0.4=4.4，1#墙），进行稳定计算。（1）结构自重计算：A）底板：（h=800）：G1=258.04.40.8=704.0 KNB）墙面板：（h=600）G2=2512.94.40.6=851.4 KNC）扶壁：（h=400）G3=250.5(0.5+6.4)11.30.4=389.85 KND）踵板上土重：G4=204.46.47.5=4224.0 KNE）前趾上水重：正常运行期：G5=10.01.04.4(31.80-20.5) =497.2 KN溢流期： G5=10.01.04.4(32.77-20.5) =539.88 KN（2）墙后回填土侧向土压力计算：回填土容重取=20KN/m3，按静止土压力计算，采用水工荷载规范公式(11.1.3)静止土压力公式计算；作用于单位长度墙背的静止土压力标准值为：式中：FOK 静止土压力标准值(KN/m)K0 静止土压力系数； 墙后填土的有效内摩擦角。查水工建筑物荷载规范表F5，取K0=0.52，作用在计算单元墙背上的静止土压力为： （3）静水压力正常运行时，设计水位为31.80m； 事故停机溢流时，前池最高水位为32.77m； （4）扬压力 本工程前池段场区地面高程为23.023.6m，根据地质勘察报告ZK2313、ZK2328、ZK2329，钻孔稳定水位均为0.3m，初步确定前池场区地下水位按23.0m计。边墙底板底面高程为19.7m，作用在计算单元体底板上的扬压力为：F2=10.0(23.0-19.7)4.48.0=1161.6KN2、地基强度稳定计算分别对施工完建期、正常运行期和泄洪期三种工况进行地基承载力验算施工完建期(计算详见表一)表一 施工完建期计算表序号荷载名称竖向力水平力对底板中心线取矩对倾覆点A取矩力臂（m）力臂（m)1底板G1624.00.04.02496.02面板G2774.02.72089.981.31006.23扶壁G3389.850.25599.413.7451460.04土重G43840.00.83072.04.818432.05水重G500.006土压力Fok1576.22.774366.12.774366.17水压力F1008扬压力合计5627.851576.23072.06555.4923394.24366.15627.851576.23483.49由上表计算可知：N=5627.85 KN F=1576.2 KN-m M=3483.49 KN-m底板底面积为：A=8.04.4=35.2 m2 a) 地基应力计算： 200MPa地基应力不均匀系数： b) 抗滑稳定计算： 抗滑稳定按水闸设计规范（SL265-2001）公式（7.3.6-1）计算： c) 抗倾覆稳定计算： 抗倾覆稳定按水闸设计规范（SL265-2001）公式（7.4.8）计算：正常运行期(计算详见表二)表二 正常运行期计算表序号荷载名称竖向力水平力对底板中心线取矩对倾覆点A取矩力臂（m）力臂（m)1底板G1624.00.04.524962面板G2774.02.72089.81.81006.23扶壁G3389.850.25599.414.5891460.0 4土重G43840.00.83072.05.55184325水重G5497.23.51740.20.75248.66土压力Fok1576.22.774366.72.774366.7 7水压力F12809.24.5712838.14.5712838.1 8扬压力合计6125.052809.21576.215910.18296.1136480.94366.76125.0512337613.99由上表计算可知：N=6125.05 KN F=280.22 KN-m M=1068.01 KN-m底板底面积为：A=8.04.4=35.2 m2 a) 地基应力计算： 地基应力不均匀系数： b) 抗滑稳定计算： 抗滑稳定按水闸设计规范（SL265-2001）公式（7.3.6-1）计算： c) 抗倾覆稳定计算： 抗倾覆稳定按水闸设计规范（SL265-2001）公式（7.4.8）计算：最高水位时(计算详见表三)表三 泄洪时计算表序号荷载名称竖向力水平力对底板中心线取矩对倾覆点A取矩力臂（m）力臂（m)1底板G1624.00.04.524962面板G2774.02.72089.81.81006.23扶壁G3389.850.25599.414.5891460.0 4土重G43840.00.83072.05.55184325水重G5539.883.51889.580.75269.946土压力Fok1576.22.774366.72.774366.7 7水压力F23312.24.8916196.74.8916196.7 8扬压力合计6167.733312.21576.219268.78445.4939860.844366.76167.73173610823.21由上表计算可知：N=6167.73 KN F=394.54 KN-m M=1681.96 KN-m底板底面积为：A=8.04.4=35.2 m2 a) 地基应力计算： 1.5，自面板起至离面板1.5l1=1.54.0=6.4m为止部分，按三边固定一边自由双向板计算；在此以外部分按单向连续板计算。 a）双向板部分结构计算（计算简图及荷载分布如下图）施工完建期： q1=169.35-0.9（250.8+150.0）=16.35 KN/m q2=165.08-0.9（250.8+150.0）=12.08 KN/m正常运行期： q1=168.39-0.9（250.8+150.0）=15.39 KN/m q2=204.23-0.9（250.8+150.0）=51.23 KN/m泄洪期： q1=161.41-0.9（250.8+150.0）=8.41 KN/m q2=217.85-0.9（250.8+150.0）=64.85 KN/m取泄洪期为最不利工况，荷载取q=64.85均布荷载（简化计算），查水工混凝土结构设计手册表18-1(j）计算板内力，:Mx=64.850.04024.02=41.72 KN-mMy=64.850.01134.02=11.73 KN-mMxo=64.850.0794.02=81.98 KN-mMyo=64.850.05694.02=59.04 KN-mb）连续板部分结构计算（计算简图及荷载分布如下图）施工完建期： q=165.08-0.9（250.8+150.0）=12.08 KN/m 正常运行期： q=206.61-0.9（250.8+150.0）=53.61 KN/m泄洪期： q=221.61-0.9（250.8+150.0）=68.61 KN/m按两跨连续梁计算内力，取泄洪期为最不利工况，荷载取q=1.268.61=82.33KN/m:MB =0.12582.334.42=199.25 KN-mMmax=0.0782.334.42=111.57 KN-mc) 配筋计算 按M=199.25 KN-m 进行配筋：正截面配筋计算见下表：M(KN-m)0dM(%)min(%)As(mm2)199.25239.10.0370.0380.1570.151129五、面板结构计算 面板荷载土压力和水压力等水平向外力。面板计算按两种情况考虑：a）踵板净宽l2与扶壁间净距l1的比值l2/l11.5时，按三边固定一边自由双向板计算；b）踵板净宽与扶壁间净距的比值l2/l11.5时，则自面板起至离面板1.5l1为止部分，按三边固定一边自由双向板计算；在此以外部分按单向连续板计算。底板荷载分布如下图所示：a）双向板部分结构计算（计算简图及荷载分布如下图）施工完建期： q1=201.50.52=15.6 KN/m q2=207.50.52=78.0 KN/m正常运行期： q1=201.50.52-105.3=-37.4 KN/m q2=207.50.52-1011.3=-35.0 KN/m泄洪期： q1=201.50.52-106.27=-47.1 KN/m q2=207.50.52-1012.27=-44.7 KN/m查水工混凝土结构设计手册表18-1(j）和表18-2（l）计算板内力，荷载分别取施工完建期和泄洪期分别计算:施工完建期：Mx=(15.60.0402+62.40.0184)4.02=11.52 KN-mMy=(15.60.0113+62.40.007)4.02=1.23 KN-mMxo=(15.60.0794+62.40.0387)4.02=47.86 KN-mMyo=(15.60.0569+62.40.0421)4.02=37.31 KN-m泄洪期(按q=46.8 KN/m均布荷载计算) ：Mx=47.10.04024.02=30.29 KN-mMy=47.10.01134.02=8.52 KN-mMxo=47.10.07944.02=59.84 KN-mMyo=47.10.05694.02=42.88 KN-mb）连续板部分结构计算（计算简图及荷载分布如下图）施工完建期： q=201.50.52=15.6 KN/m (26.5高程处)正常运行期： q= 103.8=38.0 KN/m (28.00高程处)泄洪期： q= 104.77=47.7 KN/m (28.00高程处)按两跨连续梁计算内力，分别取施工完建期（背面不利）和泄洪期（正面不利）工况进行计算:施工完建期：MB =0.125(1.215.6)4.42=45.31 KN-mMmax=0.07(1.215.6)4.42=25.37 KN-m泄洪期：MB =0.12547.74.42=115.44 KN-mMmax=0.0747.74.42=64.65 KN-mc) 配筋计算 按M=90.69 KN-m 进行配筋：正截面配筋计算见下表：M(KN-m)0dM(%)min(%)As(mm2)115.44138.530.0370.03730.1560.15856六、扶壁计算 1、内力计算沿扶壁高度分别在20.5m、24.5m和28.0m高程处取三个截面，分别计算各截面的内力。施工完建期，各截面处的弯矩分别为：作用扶壁各截面上的剪力分别为： 扶壁水平向与面板的拉力（20.50m高程）： T1=7.5200.523.9=304.2 KN扶壁垂直向与底板的拉力： T20配筋计算20.5m、24.5m和28.0m高程处三个截面尺寸如下图所示：截面1： M1=731.25 KN-m d M1=1.2731.25=877.5 KN-m fc bf hf (h0-hf/2) =1.254400600(6900-600/2) =2178 KN-m d M1 fc bf hf (h0-hf/2)所以属第一类情况的T形梁，按宽度为4400的矩形梁计算。配筋计算见下表：M(KN-m)0dMAs(mm2)731.25877.50.000340.00034433截面2： M2=74.32 KN-m d M2=1.274.32=89.19 KN-m fc bf hf (h0-hf/2) =1.254400600(4800-600/2) =1485 KN-m d M1 1.300(二) 倾覆稳定性验算 相对于墙趾点，墙身重力的力臂 Zw = 2.611 (m) 相对于墙趾点，墙踵上土重的力臂 Zw1 = 3.592 (m) 相对于墙趾点，Ey的力臂 Zx = 6.537 (m) 相对于墙趾点，Ex的力臂 Zy = 2.767 (m) 验算挡土墙绕墙趾的倾覆稳定性 倾覆力矩= 634.202(kN-m) 抗倾覆力矩= 5672.902(kN-m) 倾覆验算满足: K0 = 8.945 1.500(三) 地基应力及偏心距验算 基础为天然地基，验算墙底偏心距及压应力 作用于基础底的总竖向力 = 1369.962(kN) 总弯矩=5038.700(kN-m) 基础底面宽度 B = 8.000 (m) 偏心距 e = 0.322(m) 基础底面合力作用点距离基础趾点的距离 Zn = 3.678(m) 基底压应力: 趾部=212.603 踵部=129.888(kPa) 最大应力与最小应力之比 = 212.603 / 129.888 = 1.637 作用于基底的合力偏心距验算满足: e=0.322 200.000(kPa)(四) 墙趾板强度计算 基础底面宽度 B = 8.000 (m) 偏心距 e = 0.322(m) 基础底面合力作用点距离趾点的距离 Zn = 3.678(m) 基础底压应力(乘分项系数后): 趾点=255.123 踵点=155.865(kPa) 趾板根部 截面高度: H = 0.800(m) 截面剪力: Q = 228.920(kN) 截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋 截面弯矩: M = 115.494(kN-m) 抗弯受拉筋: As = 1600(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.06% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.045 (mm)。(五) 墙踵板强度计算 基础底面宽度 B = 8.000 (m) 偏心距 e = 0.322(m) 基础底面合力作用点距离趾点的距离 Zn = 3.678(m) 基础底压应力(乘分项系数后): 趾点=255.123 踵点=155.865(kPa) 截面高度: H = 0.800(m) 踵板边缘的法向应力 = 11.806(kPa) 踵板与肋结合处剪力: Q = 23.612(kN/m) 截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋 跨中弯矩: M = 9.445(kN-m/m) 抗弯受拉筋: As = 1600(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.01% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.004 (mm)。 支座弯矩: M = 15.741(kN-m/m) 抗弯受拉筋: As = 1600(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.01% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.006 (mm)。(六) 墙面板强度计算 截面厚度: H = 0.600(m) 替代土压力图形中，面板的设计法向应力 = 22.734(kPa) 水平向强度验算 支座处剪力: Q = 45.467(kN/m) 截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋 跨中弯矩: M = 18.187(kN-m/m) 抗弯受拉筋: As = 1200(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.02% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.013 (mm)。 支座弯矩: M = 30.311(kN-m/m) 抗弯受拉筋: As = 1200(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.03% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.021 (mm)。 竖向强度验算 最大正弯矩: M = 15.413(kN-m/m) 抗弯受拉筋: As = 1200(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.02% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.011 (mm)。 最大负弯矩: M = 61.653(kN-m/m) 抗弯受拉筋: As = 1200(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.06% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.044 (mm)。(七) 肋板截面强度验算 距离墙顶 2.825(m)处 截面宽度 B = 0.400(m) 截面高度 H = 2.200(m) 翼缘宽度 BT = 1.400(m) 翼缘高度 HT = 0.600(m) 截面剪力 Q = 65.974(kN) 截面弯矩 M = 62.125(kN-m) 截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋 抗弯受拉筋: As = 1760(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.01% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.007 (mm)。 距离墙顶 5.650(m)处 截面宽度 B = 0.400(m) 截面高度 H = 3.800(m) 翼缘宽度 BT = 2.400(m) 翼缘高度 HT = 0.600(m) 截面剪力 Q = 263.895(kN) 截面弯矩 M = 497.002(kN-m) 截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋 抗弯受拉筋: As = 3040(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.03% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.020 (mm)。 距离墙顶 8.475(m)处 截面宽度 B = 0.400(m) 截面高度 H = 5.400(m) 翼缘宽度 BT = 3.400(m) 翼缘高度 HT = 0.600(m) 截面剪力 Q = 593.764(kN) 截面弯矩 M = 1677.382(kN-m) 截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋 抗弯受拉筋: As = 4320(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.05% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.033 (mm)。 距离墙顶 11.300(m)处 截面宽度 B = 0.400(m) 截面高度 H = 7.000(m) 翼缘宽度 BT = 4.400(m) 翼缘高度 HT = 0.600(m) 截面剪力 Q = 1055.579(kN) 截面弯矩 M = 3976.016(kN-m) 截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋 抗弯受拉筋: As = 5600(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.07% 1.300(二) 倾覆稳定性验算 相对于墙趾点，墙身重力的力臂 Zw = 2.565 (m) 相对于墙趾点，墙踵上土重的力臂 Zw1 = 3.601 (m) 相对于墙趾点，Ey的力臂 Zx = 6.495 (m) 相对于墙趾点，Ex的力臂 Zy = 3.033 (m) 验算挡土墙绕墙趾的倾覆稳定性 倾覆力矩= 624.872(kN-m) 抗倾覆力矩= 4850.598(kN-m) 倾覆验算满足: K0 = 7.763 1.500(三) 地基应力及偏心距验算 基础为天然地基，验算墙底偏心距及压应力 作用于基础底的总竖向力 = 1196.188(kN) 总弯矩=4225.726(kN-m) 基础底面宽度 B = 8.000 (m) 偏心距 e = 0.467(m) 基础底面合力作用点距离基础趾点的距离 Zn = 3.533(m) 基底压应力: 趾部=201.932 踵部=97.115(kPa) 最大应力与最小应力之比 = 201.932 / 97.115 = 2.079 作用于基底的合力偏心距验算满足: e=0.467 200.000(kPa)(四) 墙趾板强度计算 基础底面宽度 B = 8.000 (m) 偏心距 e = 0.467(m) 基础底面合力作用点距离趾点的距离 Zn = 3.533(m) 基础底压应力(乘分项系数后): 趾点=242.319 踵点=116.538(kPa) 趾板根部 截面高度: H = 0.800(m) 截面剪力: Q = 214.457(kN) 截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋 截面弯矩: M = 108.539(kN-m) 抗弯受拉筋: As = 1600(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.06% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.045 (mm)。(五) 墙踵板强度计算 基础底面宽度 B = 8.000 (m) 偏心距 e = 0.467(m) 基础底面合力作用点距离趾点的距离 Zn = 3.533(m) 基础底压应力(乘分项系数后): 趾点=242.319 踵点=116.538(kPa) 截面高度: H = 0.800(m) 踵板边缘的法向应力 = 30.037(kPa) 踵板与肋结合处剪力: Q = 63.078(kN/m) 截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋 跨中弯矩: M = 26.493(kN-m/m) 抗弯受拉筋: As = 1600(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.01% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.011 (mm)。 支座弯矩: M = 44.154(kN-m/m) 抗弯受拉筋: As = 1600(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.02% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.018 (mm)。(六) 墙面板强度计算 截面厚度: H = 0.600(m) 替代土压力图形中，面板的设计法向应力 = 19.163(kPa) 水平向强度验算 支座处剪力: Q = 40.242(kN/m) 截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋 跨中弯矩: M = 16.902(kN-m/m) 抗弯受拉筋: As = 1200(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.02% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.013 (mm)。 支座弯矩: M = 28.170(kN-m/m) 抗弯受拉筋: As = 1200(mm2) 抗弯拉筋构造配筋: 配筋率Us=0.03% Us_min=0.20% 最大裂缝宽度为: 0.021 (mm)。 竖向强度验算 最大正弯矩: M = 14.608(kN-m/m) 抗弯受拉筋: As = 1200(m