河海大学《水工建筑物》第八章 渡槽.ppt

第八章渠系建筑物 渡槽aqueduct flume 1 调节建筑物 调节水位 分配流量 如节制闸 分水闸 2 交叉建筑物 输送渠水跨越沟谷 河流 道路等 如渡槽 涵洞 倒虹吸等 3 落差建筑物 连接差集中渠段 如跌水 陡坡等8 1 1渡槽的作用 类型及位置选择一 渡槽的作用 组成 类型渡槽 是输送渠水跨越山冲 谷口 河流 渠道及交通道路等的交叉建筑物作用 输水为主 兼排洪 导流 组成 槽身 支承结构 基础 进口 出口等部分 1 分类 二 渡槽的位置选择 轴线 中心线 起止点一般来说 在渠系规划设计时 已经从全局上初步确定了渡槽的位置 这对于中 小型渡槽 已无多大选择的余地 而对于大型渡槽 因工程量及投资大 将涉及到位置选择的方案比较问题 这些方面与地形和地质条件等因素密切相关 2 位置选择时 拟考察的主要因素 1 地形 地质条件 利用有利地形缩短槽身长度 选择良好的地质条件处 以减少基础的处理工程量 尽量使进出口落在挖方渠道上 2 渡槽轴线尽量布置成直线 避免进出口急转弯 3 跨越河流的渡槽 尽量与河流正交 并满足槽下净空要求 对于跨越公路 铁路的渡槽 亦是如此 4 为了对于大型渡槽及上 下游填方渠道发生事故时进行检修 在进口段之前适当位置 设置节制闸 5 尽量少占耕地 减少拆迁 选择有较宽敞的施工场地 并便于交通运输 3 8 1 2渡槽的水力设计 荷载及荷载组合 一 渡槽的水力设计任务 槽身断面选型 拟定断面尺寸 确定进出口高 具体包括 纵坡i 水深h 净宽b 起止点高程 基本步骤 按最大过流量Qmax 拟定槽身纵坡I 净宽b 净深h 按设计流量Q设 计算渡槽全长范围内的总水头损失 z 若 z等于或小于 z允许值 可最终确定I h b值 进而定出相关高程 4 1 水力设计的计算方法及总水头损失计算 渡槽长度L 15 20 H H槽中水深 称短渡槽过流量Q按淹没宽顶堰计算 长渡槽L 15 20 H 按明渠均匀流计算A 过水断面积 C 谢才系数 R 水力半径 I 纵坡 槽身 5 渠道水流 通过渡槽时的水面线变化过程 共可划分为三个阶段 1 进口段 槽内流速大于渠道内的流速 U 进口段形成水面跌落 其值记Z 影响范围L1 损失系数见表8 1 U1 渠内流速 6 2 渡槽段 明渠均匀流速 仅表现为沿程损失记Z1 i L 3 出口段 渠道内流速小于渡槽内流速U 出口段形成水面回升 其值记为Z2 影响范围l2 依表8 2查求注 表10 2是由模型实验总结的近似关系 总损失 z Z Z2 Z1 8 3 注意点 富裕高度 槽壁超高 通过设计流量时 z 允许水头损失 渠道规划设计时确定 检验由设计流量Q求得H 槽内水深 即求得 h 7 当 h h Hand Z Z h 槽深按Qmax拟定I b h 直至满足要求 2 槽底纵坡I 槽身净宽b和净深h的设计 1 底纵坡I 影响关系 底坡i大 工程量 U Z 灌溉面积 效益 底坡i小 结果相反综合比较拟定 2 净宽b 净深h 确定h b 影响关系 h b 纵向刚度 风力 稳定 h b 且i过大 水深小 进口槽底抬高值y1过大 流量大时 进口降水段过小 当引起渠道冲刷 故需作综合比较选择 经验取值 初拟 i 1 500 1 5000且i Jc 临界坡h b 0 6 1 0 8 3 进出口高程的确定当设计确定i b h计算设计流量Q设相应的H Z2各值后 依图10 2求出槽身起止点高程 1 2进一步计算进口槽底抬高y1 出口渠底降低y2 一般y1 y2均为正值H1 进口渠道水深H2 出口渠道水深 y2要求 0 1 9 二 渡槽的荷载及其组合1 荷载 注意 上述荷载 并不是任何渡槽都出现 应根据具体情况取舍 风压力 温度 砼收缩 徐变温度变化荷载 对拱结构渡槽 取决于封拱温度及可能出现的高温与低温 同拱坝部分 10 2 荷载组合 基本组合 设计条件 特殊组合 校核条件 11 8 1 3梁式渡槽一 槽身结构 一 槽身结构布置与构造1 槽身纵向支承形式和跨度梁式渡槽的槽身是搁置槽墩或槽架上的 它既起着输水作用又起着纵梁的作用 为了适应温度变化及地基的不均匀沉陷等原因而引起的变形 须用横向变形缝将槽身分为独立工作的若干节 变形缝之间的每一节槽身 沿纵向一般是两个支点 按支点的位置分 1 简支梁式 12 2 悬臂梁式 3 连续梁式 受力条件较好 但对地基不均匀沉陷敏感 采用较少 13 2 槽身横断面形式和构造 1 断面形式 分为 14 15 主要控制性尺寸 1 深宽比 h b 水力计算拟定2 侧墙厚高比 t h1 有拉杆矩形槽t h1 1 12 1 6 f 10 20cm U形槽主要控制性 图10 5 断面 半园 矩形 上部 1 R0 h0由水力计算拟定R0 内半径h0 上部矩形高2 经验尺寸 t 11 10 1 15 R0 h0 0 4 0 6 R0a 1 5 2 5 t b 1 2 t C 1 2 t d0 0 5 0 6 R0t0 1 0 1 5 t 16 二 槽身结构计算1 槽身结构计算方法简述根据支承形式 跨宽比及跨高比的大小以及槽身断面形式等的不同 槽身的应力状态与计算方法将有所不同 总体上讲 主要有弹性力学方法 结构力学方法以及板壳理论方法 随着计算机的普及 有限元方法将会成为一发展方向 在计算结构中 主要有二方向的内容 一是纵向计算 二是横向计算 这里将主要介绍横向计算 2 纵向计算1 计算工况 满槽水运行情况2 要点 用结构力学方法 根据支承情况 选择计算的力学模型 简图 如多跨连续梁 简支梁 悬臂梁等 计算出弯矩及剪力 17 矩形槽 a 侧墙 作纵梁考虑 计算内力及配筋 抗裂及开裂宽度验算 最后定出有关尺寸 b 由于底板相对较薄 刚度较小 不考虑底板的纵向作用 偏保守 3 横向计算槽身的横向结构计算的方法和原理 在结构力学课程中已全面细致地进行过讲解 没有必要重复 但是 要求同学们能抽出时间 对结构力学作必要的温习与回顾 在这里 将着重叙述矩陈与U形槽身横向计算的荷载 计算假定及计算简图的选择 18 原理 沿槽长方向取1 0m作为计算分析对象 图10 8 同时 考虑两截面上的剪力差值 Q Q1 Q2 然后按框架结构求解其横向内力 基本荷载 水重 自重 1米槽长 注 Q在截面沿高度上呈抛物线形分布 方向向上 绝大部分分布在两侧墙截面上 计算简图 a 不带拉杆 简化为矩形开口框架图8 8中去掉顶端水平链杆 19 20 假定 设拉杆处的横向内力与不设拉杆处的横向内力相同 将拉杆均匀化 且不计拉杆的抗弯作用与轴力对变位的影响 拉杆按铰接考虑 拉杆的实际拉力为计算拉力x1乘以拉杆间距 不计底板上截面上的剪力 侧墙截面上的剪力不影响侧墙的横向弯矩 将它集中置于侧墙底面 按链杆考虑 依对称性得 图8 10 21 22 2 有拉杆的U形槽身 原理 沿槽长方向取1米进行计算分析 其荷载与带拉杆的矩形槽身相同 基本假定 1 槽身薄壳断面上的剪力分布 2 t 成抛物线形 图8 11 2 剪力方向沿槽壳厚度中心线的切线方向 注意 二者方向相反 起抵消作用 23 2 拉杆作用 按均化法处理 方法同前 依对称性 取一半考虑获得图8 11 b 当获得计算简图和荷载后 内力计算方法详见结构力学教材 U形槽身的应力分布规律 上半部外侧受拉 下半部内侧受拉 配筋 双层布筋 按内外侧控制截面分别配筋 单层布筋 按弯矩图形将钢筋布置在受拉一侧 24 25 26 三 槽墩和槽架1 槽墩 27 2 槽架 1 槽架的形式和构造三种基本形式 28 29 单排架 由两根铅直立柱与横梁组成的单跨多层钢筋砼刚架结构 多用于高度 25m情形双排架 相当于由两个单排架组装而成 显著的特点是由四根立柱组成 其强度 性均较单排架作用强 适用高度大于25m的情况 A字形排架 多由两片A字形刚组成 即横槽方向和顺槽方向 一般只在某一方向上布置A字形 高度低 流量大 顺槽方向布置A形排架 高度大 流量小 横槽方向布置A形排架 注 相关构造尺寸 请同学自学 排架 基础连接方式 30 2 槽架结构计算着重讲解单排架的结构计算 1 计算条件荷载组合 2 荷载计算 图8 19 31 垂直 横向 应用反对称性 取一半计算 计算简图8 19 b c 32 3 计算方法和内容方法 a 结构力学 无切力分配法 力矩分配 b 杆系有限元法 内容 a 内力计算 b 配筋 c 立柱纵向弯曲稳定 按压杆稳定法 校核 d 施工吊装校核 三 基础结构 学生自学 33 8 1 4拱式渡槽支承结构 墩台 主拱圈 拱上结构传力特点 槽身荷载 拱上结构 主拱圈 墩台 34 一 拱上结构及槽身拱上结构是槽身与主拱圈的连接结构 分为 着重介绍空腹式1 实腹式拱上结构 1 砌背式 2 填背式 2 空腹式拱上结构 35 36 37 38 1 横墙 立墙 腹拱式拱上结构及槽身1 建筑特点 2 布置及构造 39 2 排架式拱上结构及槽身 图8 24 1 建筑特点2 布置及构造 40 二 主拱圈结构的形式 布置和构造1 主拱圈的结构形式和构造结构形式 41 5 拱铰的作用和构造拱式渡槽的主拱圈 按设铰数目的不同 分为 有铰拱 二铰拱 三铰拱 减小 消除支座变位影响 无铰拱 稳定性好 拱铰形式 弧形拱 钢筋砼铰 钢铰 42 2 主拱圈及拱式渡槽的特点1 受力特点 经拱座约束 将拱上荷载转变为轴力 弯矩较小 应力以压应力为主 能充分发挥砼 石材等抗压性能好 抗拉性能较差的特点 2 连拱效应及推力拱特点 对于多跨连拱渡槽 应设加强墩 3 结构布置的对称性 尽量使拱上荷载对称 且中部小 两侧大 3 主拱圈及拱式渡槽基本尺寸的选择主要名词 1 拱顶 2 拱轴线 3 跨度l 4 矢高 5 拱宽b 6 矢跨比 f l 7 宽跨比 b l 8 拱脚高程 基本尺寸 3 8 拱宽 b 一般与渡身总宽度b相同宽跨比 b l 影响到横向稳定b l大稳定 b l 稳定性 一般 b l 1 20 43 增稳措施 渡身断面 深度减小 宽度加大 自拱顶至拱脚逐渐加宽矢高 f 当拱脚高程一定 矢高可变余地较小 一般需满足净空要求 如航运 交通 拱脚高程 跨河渡槽 应高于最高洪水位逢跨比 f l 一般取 1 4 1 10 三 主拱圈结构设计主要内容 结构布置 结构计算 1 拱轴线的形式与选择 1 小跨度主拱圈 a 中心角 120o 130ob 半园拱 应力分布差 2 较大跨度排架拱 荷载近于均布 宜用二次抛物线原则 拱轴线接近于荷载压力线 各断面压力中心的连线 44 3 实腹式渡槽 图10 32 名词 拱轴系数m gk gS gk 拱脚荷载强度gs 拱顶荷载强度经推导 可得荷载压力线 即拱轴线 当 1 y1 f时 45 2 主拱圈的结构计算主要内容 内力计算 强度 稳定性验算 拱的稳定性问题 一般来说 只能对一些典型结构 在典型荷载作用下 这在一些力学书籍和专著中 有比较准确的解答 由于拱式渡槽的主拱圈 结构形式及荷载均较复杂 特别是难于合理考虑拱上结构对主拱稳定影响 目前 已有的计算方法是近似的 拱圈的内力计算方法 总体上讲 因结构的形式 拱轴线形式 设铰数目以及荷载形式的不同而各异 另外 渡槽横向荷载作用下的内力 准确计算也比较复杂 也常采用近似方法计算 拱圈的稳定问题及横槽向荷载作用下的内力计算问题等 可参考桥梁及渡槽工程的有关书籍和资料 此处主要介绍铅直荷载作用下无铰拱的内力计算等问题 鉴于拱式渡槽的主拱圈 因结构与荷载一般情况下多为对称 可取一半进行计算分析 如图 8 32 46 47 要点 由对称性知 在弹性中心 将只有对称的超静定未知力x1和x2 同时 仅作用有实腹拱的设计荷载 无论是实腹拱还是空腹拱 根据实际情况决定计算荷载均可 对于无铰拱 拱圈内的剪力及拱轴的曲率对弹性中心变位的影响很小 可忽略不计 只计算由内力弯矩M产生的弯曲变形和由轴力N产生的弹性压缩而引起的弹性中心的变位 也就是说 弹性中心变位 弯矩M引起的变位 轴力N引起的变位 在拱荷载作用下 基本结构任意截面的弯矩Mp 轴力NP 剪力QP 应用力法求解得 48 拱圈任意截面的内力 注意点 拱圈在自身重力作用下的内力 是否按无铰拱计算应根据施工方法决定 3 主拱圈强度及稳定验算 1 主拱圈强度验算在各种荷载作用下 计算主拱圈各截面的内力 求出各截面在各种荷载最不利组合情况下产生的内力 包络图 最后进行强度验算 荷载组合 1 基本组合 设计水深水重 自中 人群荷载 2 特殊荷载 a 满槽水重 自重 人群荷载 横向风载 温升 b 自重 横向风载 温降 混凝土收缩 检修 49 2 主拱圈稳定验算1 纵向稳定验算按轴向受压构件强度计算方法验算2 横向稳定验算 50 四 槽墩 拱座及槽台根据受力情况 槽墩分为 51 8 1 5渡槽的进 出口建筑物及总体布置 一 进 出口建筑物作用与要求 平顺衔接渠道与槽中水流 减小水头损失 连接槽跨结构与两岸渠道 避免漏水及由此引起的过大沉降与滑坡 满足适用交通 泄水等要求 主要尺寸 进 出口