U型断面梁式渡槽设计

1、 摘 要11 设计基本资料21.1工程概况及简介21.1.1工程概况21.1.2地形地貌21.1.3地层岩性21.1.4数据分析32 渡槽总体布置42.1 槽址选择42.2 结构选型42.2.1槽身选择52.2.2支承选择52.3 平面总体布置53 水力计算53.1 槽身过水断面尺寸拟定53.1.1尺寸拟定53.1.2输水水头53.2 渡槽进出口的底部高程确定73.3 进出口渐变段84 槽身设计94.1 槽身断面尺寸拟定94.2 槽身纵向内力计算104.2.1槽身横截面参数拟定104.2.2槽身荷载计算124.2.3槽身纵向跨中弯矩134.2.4跨中圆弧段纵向正应力134.3 槽身横向内力计算

2、144.3.1设计水深时内力计算144.3.2 加深水深时内力计算294.3.3 槽身配筋计算224.3.4人行板配筋244.3.5拉杆配筋254.4 槽身纵向抗裂验算284.5 端肋内力计算304.5.1端肋底横梁荷载计算304.5.2拉杆轴力314.5.3端肋底横梁截面内力计算324.5.4端肋配筋计算324.6槽身吊装验算335排架计算345.1 排架布置345.2.1排架的高度拟定345.2.2排架高程拟定355.2.3 排架分组及尺寸拟定365.3 荷载计算375.3.1水平荷载375.3.2垂直荷载395.4 排架横向计算425.4.1排架弯矩计算425.4.2轴向力计算445.4

3、.3排架配筋计算485.4.4横梁配筋505.4.5 排架施工期验算515.4.6 排架吊装验算535.4.7牛腿设计计算546 排架基础计算566.1 基础结构尺寸拟定566.2 基础的荷载组合566.3 基础应力计算576.4 基础配筋计算576.4.1基础地板配筋576.4.2基础梁配筋计算587 稳定验算597.1 槽身稳定性验算597.1.1槽身抗滑稳定度安全验算597.1.2槽身抗倾覆稳定验算597.2 渡槽整体抗滑稳定性验算597.3 渡槽整体抗倾覆稳定性验算607.4 地基稳定性验算618 细部结构618.1 伸缩缝及止水618.2 支座628.3 两岸连接62参考文献63 U

4、型断面梁式渡槽设计1 设计基本资料1.1 工程概况及简介1.1.1 工程概况本设计资料来源于白银市某引黄灌溉的大型电力提灌工程。工程于上世纪70年代中期建成运行，80年代进行了工程的续建和改建，设五级泵站，总扬程232.6m，提水高度214.5m，设计灌溉面积30万亩。干渠总长27.85km，设计流量4.0m3/s，加大流量5.0 m3/s。按照灌区渠线规划，在输水干渠4+050处，渠道须跨越一洪水沟，经方案比较，决定修建渡槽。根据GB5028899灌溉与排水工程设计规范规定：主要建筑物按3级建筑物设计，次要建筑物按照4级设计，建筑物按7度抗震标准设防，其他均按有关标准及设计规范进行。渡槽进口

5、前渠底高程为1500.0m，出口前渠底高程为1498.0m。设计水深为1.30m，流速为0.84 m/s。加大水深为1.50 m，流速为1.2 m/s i1/3500。渡槽上、下游渠道，渠底宽2.5m，糙率n0.017。内、外边坡分别为1:10和1:1.5，该渡槽规划时允许水头损失=0.25m，水力要素如表11。 表1 -1上、下游渠道过水断面水力要素流量（m3/s）纵坡i底宽b（m）流速v（m/s）堤高H（m）边坡糙率n水深h（m）超高H（m）渠口宽b（m）Q设4.01/35002.50.841.831: 11:1.51：1.50.0171.300.56.10Q加大=5.01/35002.5

6、1.22.001: 11:1.50.0171.500.56.401.1.2 地形地貌工程区在地貌单元上属强烈侵蚀堆积的黄土区，属陇西黄土高原的西北部分，黄土覆盖在起伏较小的第三系及白垩系红层之上，地势北高南低，地形较平缓，山坡坡角1525，地形破碎。地面平均高程约为1554m。梁峁顶高出沟谷底1030m，沿渠线沟口宽120m，沟谷纵坡为1015。黄土丘陵是本区最主要的地貌类型，高低起伏，植被稀少。1.1.3 地层岩性沟内表层覆盖沙砾石厚约23m，自然容重1.87吨/立米。下层土壤抗剪强度参数21。，C24Kpa。出露地层主要为下白垩系地层及第四系松散堆积物：分布及岩性如下（1）下白垩系地层(K

7、1hk)：岩性以红色砂砾岩、中粗粒砂岩为主。含钙质结核，较为致密，块状构造，内碎屑结构。岩石强度属中等，抗压强度为2550MPa，抗风化及抗水能力较差，遇水易崩解，表面风化强烈。强风化层厚约0.51.0m。厚度较大，是黄土丘陵下部基岩地层。（2）第四系地层：主要为冲洪积壤土层，风积黄土层及冲洪积砂砾石层、粉质壤土层。冲洪积黄土状土(Q31)：主要分布于工程区侧向支沟内下部，为黄土状粉质壤土，厚34m，较为致密，坚硬。风积黄土(Q32)：整体覆盖于工程区现代黄土丘陵上部，最大厚度不超过30m，呈淡黄色，干燥稍湿，具大孔隙（孔径13mm）和垂直节理，手捏易碎，偶有鼠洞，地表有较多植物根系。具高压缩

8、性和强湿陷性。干密度为1.42g/cm3，湿陷系数为0.079。第四系全统地层(Q4)：主要分布于工程区沟谷上部，岩性具双层结构形式，上部为第四系冲积黄土状土，较为松散，含砂土及少量砾石，不均质，具中等湿陷性及高压缩性，厚24m。其下部为第四系冲洪积砂砾石层，稍密状，较均质，厚3m左右。1.1.4 数据分析该地区的多年平均降雨量是在300毫米左右，年蒸发量在1600mm以上。降雨主要集中在夏秋季节，当有暴雨时沟内经常有洪水短期洪水通过。本地区风向多为西北风，最大风速17m/s。最大冻土深130cm。沟内无常年流水，仅在洪水期沟内有短期洪水通过。 （1）天然建筑材料当地出产天然优质砂石料砂砾料，

9、平均运距35km。工程距109国道越2km,县乡公路相通，交通方便。施工用水可提黄河水，对普通水泥无侵蚀性。 （2） 建筑物材料及安全系数 该工程主要的建筑材料为水泥、混凝土、钢筋等。混凝土重度rc=25kN/m3,温度膨胀系数dc=1.010-51/oC,混凝土的其他特性性能指标见表12。采用I和II级钢筋，I级钢筋强度计算值fy=210N/mm2.钢筋混凝土重度r=25kN/m3。构件裂缝宽度容许值，短期组合Wmax=0.3mm，长期组合Wmin=0.25mm。 表1-2 混凝土特性指标（单位N/mm2）混凝土强度等级 轴心 标准值fck抗压设计值fc 轴心标准值fck抗拉设计值fc 弹性

10、模量 Ec C2013.510.01.501.102.55104 C2517.012.51.751.302.8104 浆砌采用M15砂浆砌块石。 根据有关实验报告结果为：rc=16KN/m3；=20.8；C=23Kpa，修正后地基承载力特性值fa=290Kpa。基础与地基摩擦系数f=0.35，抗滑稳定安全系数K=1.5。根据水利水电工程等级划分及洪水标准规定，确定该渡槽为三级永久建筑物，结构安全等级为II级。机构重要安全系数r0=1，短暂设计状况系数=0.95，偶然状况系数=0.85，钢筋混凝土结构系数rd=1.2。人群荷载： 2.0kN/m2（人行桥上的活动荷载）基本荷载: 0.35kN/m

11、2（风压） 2 渡槽总体布置2.1 槽址选择 渡槽是输送水渠跨越山冲、谷口、河流、渠道及交通道路的交叉建筑物，是渠系建筑物中应用最广泛的交叉建筑物之一。它的总体布置的主要内容包括坝址选择、形式选择、进水口布置、基础布置。渡槽总体布置基本要求：1、槽身长度短、基础低，降低功工程造价。 2、轴线短、顺直、进出口避免急转弯，布置在挖方处。 3、渡槽轴线尽量和河道正交。4、少占耕地、少拆民房。 在选择槽址时，除应满足以上总体布置的要求外，应选在河床稳定、水流顺直的地段，渡槽轴线尽量与水流流向相交，还应考虑槽址附近是否有宽敞、平坦的施工场地，同时应满足槽下的交通要求。综合考虑各方面因素，在平面图上确定槽

12、址位置。2.2 结构选型2.2.1 槽身选择槽身的横断面型式有矩形、U形、圆形和椭圆形，其中常用的是矩形和U形。在设计中Q设=4.0m3/s,属于中小流量，渡槽长度为中型渡槽。U形渡槽具有耐久性好的特点，施工方便，故选用U形渡槽。2.2.2 支撑选择梁式渡槽的槽身是直接搁置在槽墩或槽架之上的。为适应温度变化及地基不均匀沉陷等原因而引起的变形，必须设置变形缝将槽身分为独立工作的若干节，并将槽身与进水口建筑物分开。变形缝之间的每一节槽身沿纵向是两个支点所以既起输入作用又起纵向梁作用。根据指点位置的不同，梁式渡槽有简支梁式、双悬梁式、单悬臂梁式三种型式。简支梁式渡槽施工吊装方便，接缝止水构造简单，但

13、跨中弯矩较大，底板受拉对抗裂防渗不利。简支梁式槽身常用的跨度为8-15m。由于该渡槽槽身高度较大，跨度取为8m，渡槽地址处沟深约21m，跨度较大，宜用梁式渡槽。梁式渡槽的槽身采用钢筋混凝土结构。综合分析：选用简支梁型式，虽弯矩较大，但施工方便。2.3 平面总体布置 本设计布置等跨间距为8m的单排架共15跨，渡槽采用简支，上下游渐变段各8m与梯形混凝土渠首相连。渡槽全长136m，槽上根据交通要求设人行桥。拱坝台及排架基础墩均采用浆砌石护坡。总体布置图见附1所示。 3水力计算3.1 槽身过水断面尺寸拟定3.1.1尺寸拟定 选定纵坡i1/600，底宽B2.5m。糙率n0.017，Q设4.0 m3/s

14、，Q加5.0 m3/s。因槽长大于1520倍槽内水深，故按明渠均匀流计算。计算结果：Q设4.0m3/s时，h设1.3 m；Q加5.0 m3/s时，h加1.5 m。B/h分别为1.92和1.67，根据工程特殊情况，侧墙加厚，宽深比适当提高满足要求。3.1.2输水水头 通过渡槽的输水水头损失，包括进出口水头损失、槽身沿程水头损失与进出口水面回升三方面。详图见31所示。（1）进出口水头损失Z：水流过渠道渐变段进入槽身时，流速增大，水面发生降落。工程中常近似按淹没宽顶堰计算： （31） 式中 K1进口段按局部水头损失系数，与渐变段形式有关，扭曲面为0.1，八字面为0.2，圆弧直墙为0.2，急变形式为0

15、.4，K1=0.1； V、V0槽身与上下游渠道的流速，m/s； G重力加速度，取9.8m/s2. 具体计算见表31所示。（2）槽身沿程水头损失Z1：水流经过全槽后水面发生降落，按明渠均匀流计算： Z1=IL （32）L槽身长度，L120（m）;I槽身坡降，要经方案比较，使水头损失满足规划要求，并注意到前面已假定了i1/600，比较时可取1/500、1/700、1/800。详见表31。（3）出口水面回升：水流经槽身、渠道出口渐变段进入下游渠道因流速减少，部分动能转化为势能，水面回升： （33）K2出口局部水头损失系数，取0.2：V槽身流速，m/s：V1下游渠道流速，m/s。3.1.3 总水头损失

16、：Z=Z+Z1-Z2 (34) 规划中允许水头损失为0.25m，计算值应等于或略小于此值，具体计算见表31。 表3-1输水水头损失计算表计算情况ihA(m)X(m)R(m)Q(m3/s)V(m/s)Z(m)Z1(m)Z2(m)Z(m)设计1/5001.051.9533.5150.5544.02.010.1840.240.1370.287校核1/5001.232.4033.8650.6185.02.200.2320.240.1690.303设计1/6001.132.533.6850.5844.01.900.1630.200.1190.244校核1/6001.302.5784.0250.6415.

17、02.010.1870.200.1380.249设计1/7001.192.3033.8050.6054.01.800.1420.170.1040.209校核1/7001.362.7284.1450.6585.01.910.1650.170.1210.215设计1/8001.242.8534.2450.6154.01.700.1230.150.2140.183校核1/8001.412.9544.5250.6725.01.810.1440.150.2190.189 表31中已完成计算，通过计算，用允许水头损失作为一个重要指标，当i1/600，Z的值小于规划允许的水头损失0.25m。一般的工程中i值

18、大一些渡槽的工程量及总投资将减少，但是槽中的流速将增大，沿程损失和进口损失也将增大，自流灌溉面积将减小，影响灌溉效益，故本设计中取1/600。为了保证渡槽有足够的过水能力，并考虑渡槽水面可能出现波动等因素，需要求超高h=113/12+5=14.4cmh/2-a=30mm 故按大偏心受拉构件配筋：b（查表）设 查 ee0h/2+a=153-120/2+30=123mm =0选配 h/2-a=30mm故按大偏心受拉构件配筋b（查表）设 查 ee0h/2+a=612-120/2+30=582mm =0 选配 故按 计算 因为所以按配筋由水工钢筋混凝土结构附录三查的 配置8200 As As min2

19、51mm2根据计算数据对=0和=900时的截面配筋进行比较得，槽身的配筋选用=90时所配的钢筋。即选配6130和10100的钢筋在受拉压和受拉区。 图4-6槽身侧墙配筋图（3）：不利截面抗裂验算根据内力及钢筋布置，时截面为抗裂最不利截面，对该截面进行抗裂算.。钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比n 换算截面重心至受压边缘的距离 换算截面面子=W0换算截面A0对受拉边缘的弹性抗矩rm受弯构件塑性影响系数；=1.55计算抗裂安全系数为3建筑物钢筋混凝土大偏心受拉构件的允许抗裂安全系数为1.1,上述抗裂安全系数计算值1.13大于允许抗裂安全系数，表明抗裂满足要求。4.3.4人行板配筋按受弯构件配筋 Q=

20、7.787kN/m跨中弯矩：Mr0=10.951/87.7870.620.333kNm 按单排架单筋计算，取a25mm，b600mm，h100mm，rd1.05，h075mm。 0.065 0.013 0.0006h/2-a=30mm 故按大偏心受拉构件配筋：b（查表）设 查 e轴向拉力到合力之间的距离 ee0h/2+a=589-120/2+30=559mm =计算表明不需要配筋担任要按构造配筋要求配由水工钢筋混凝土结构附录三查的配置6140，As 202mm2 具体配筋见图4-10槽身配筋总图。图4-10槽身配筋总图（mm）4.6槽身吊装验算 设置四个吊点，吊点设在第二根拉杆出，因吊点产生负

21、弯矩，上部受拉，下部受压，故可按T形梁校核上不配筋。吊装计算时部分荷载计算侧墙重：kN沿水流方向kN/m设计值：kN/m拉杆重：G2k25（0.1220.12）=0.75kN 沿水流方向kN/m设计值kN/m支持板重：G4k25（2.50.120.320.320.1）=9.1kN沿水流方向：kN/m设计值：kN/m故吊装计算荷载为： kN/m考虑动力系数1.2，故q1.224.9729.964kN/m计算时忽略槽底突出部分的作用，断面尺寸取b300mm，h2350mm，bf2500mm，hf150mm的T形梁。按短暂状况设计：ro1，0.95计算弯距：M10.951/229.9692.5288.96