渡槽設計任務書、指導書

《水工鋼筋混凝土結構學》課程設計任務書某鋼筋混凝土渡槽槽身結構設計指導老師：傅少君

武漢大學土木建筑工程學院2015年11月

1設計題目某灌區(qū)輸水渠道上裝配式鋼筋混凝土矩形渡槽2設計資料根據初步設計成果，基本資料及有關數據如下：該輸水渡槽跨越142m長的低洼地帶(如圖1所示)，需修建通過15m3/s設計流量及16m/s校核流量，渡槽無通航要求。經水力計算結果，槽身最大設計水深H=2.75m，校核水深為2.90m。支承結構采用剛架，槽身及剛架均采用整體吊裝的預制裝配結構，設計一節(jié)槽身V洼地長(M)20.00M渠道進口段渠道進口段5.00M渠道進口段圖1渡槽跨越洼地帶建筑物等級4級。建筑材料：混凝土強度等級，槽身架采用C25級；槽身架受力筋為HRB335,分布筋、箍筋HPB235。荷載鋼筋混凝土重力密度 25kN/m；人行道人群荷載 2.5kN/m；欄桿重 1.5kN/nf。使用要求槽身橫向計算迎水面裂縫寬度允許值[Wsmax]=0.25mm,[WLmax]=0.20mm；槽身縱向計算

底板有抗裂要求。槽身縱向允許撓度[f]=l/500,[f]=l/550。s0 L03設計要求在規(guī)定時間內，獨立完成下列成果：（1） 設計計算書及說明書，計算書包括：設計題目、設計資料，結構布置及尺寸簡圖；槽身過水能力計算、槽身、剛架的結構計算（附必要的計算草圖）；設計說明書包括對計算書中沒有表達完全部分的說明。（2） 施工詳圖，一號圖紙2張，包括：槽身結構布置圖（手繪）、槽身配筋圖（計算機繪制）、鋼筋表及必要說明；圖紙要求布局合理，線條粗細清晰，尺寸、符號標注齊全，符合制圖標準要求。附件：《水工鋼筋混凝土結構學》課程設計指導書附一渡槽設計大鋼1概述簡要說明：工程位置、設計規(guī)模等概況，前階段設計結論及審批意見，基本資料變動情況，專題研究結論，有關會議或協(xié)議情況，對本階段設計要求及注意的問題……等。渡槽是渠道跨越河流、溪谷、洼地和道路的明流輸水建筑物，是水利工程中應用最廣的交叉建筑物之一。渡槽由與渠道連接的進口段、出口段、槽身及下部支承結構等部分組成，進出口段的布置和設計、槽身的水力計算、進出口水流連接以及防沖、防滲等措施，可參考水工建筑物有關專著，本資料僅介紹渡槽槽身結構的結構設計。圖1-1渡槽縱剖面示意圖1—進口段；2一重力式槽臺；3一槽身；4一剛架式支墩；5—基礎；6—出口段；7一渠道；8—原地面線渡槽和一般橋梁相似，由上部結構（槽身）和下部結構（墩、臺或剛架）組成。確定渡槽的形式，應根據當地的地形、地質和施工、運行條件。如在寬而淺的渠道上，當渡槽的過水流量比較大時，槽身可用鋼筋混凝土建造，它可以支承在鋼筋混凝土剛架上；如渡槽跨越峽谷，而峽谷兩岸有比較堅硬的基巖時，槽身可以支承在拱上，拱可以用石料或混凝土建造；U形截面槽身具有過水時水力條件好及受力性能好等優(yōu)點，但施工較為復雜。鋼筋混凝土渡槽可以是現(xiàn)場整體澆注的，也可以是預制裝配式的，或者是裝配整體式的，這要由當地具體條件和施工情況確定。2參考資料和設計規(guī)范（1） 設計規(guī)范：水工混凝土結構設計規(guī)范（SL/T191-2008）；（2） 趙文華等，渡槽，水利電力出版社，1989年；（3） 華東水利學院等，水工鋼筋混凝土結構下冊，水利電力出版社，1975年；水工設計手冊(第八卷)，水利電力出版社，12014年；《建筑結構靜力計算手冊》編寫組，建筑結構靜力計算手冊，中國建筑工業(yè)出版社，1975年。3基本資料3.1工程等別及渡槽級別根據SL/T191-2008及規(guī)劃資料，本渡槽定為 等級建筑物。3.2設計流量及上下游渠道水力要素正常設計流量：m/s；加大流量： m/s。表3.1渠道水力要素表項目上游渠道下游渠道底寬，m內邊坡正常水深，m加大水深，m渠底高程，m正常水位，m加大水位，m渠深，m4-S丁而擊左，m堤頂寬右，m正常流速，m/s3.3渡槽長度及進出口水頭損失根據地形及規(guī)劃資料確定：槽身長度： m；進出口總水頭損失： m。3.4地形資料1/500?1/2000地形圖。測繪范圍應滿足渡槽軸線的變更及施工場地布置要求。對于小型渡槽，如缺大比例尺地形圖，應測繪沿渡槽軸線的縱剖面圖及若干橫剖面圖，以及槽址處河谷縱橫剖面圖。3.5地質資料沿渡槽軸線及軸線兩側(距軸線50m左右)(2)地基的基本容許承載力； MPa地下水位高程： m(5)3.6地震烈度(1)TOC\o"1-5"\h\z根據國家地震部門提供資料，本渡槽所在地區(qū)的地震基本烈度為 度。（2）根據SL/T191-2008規(guī)定，本渡槽工程的設計烈度為 度。3.7水文氣象資料（1）設計洪水重現(xiàn)期：a；校核洪水重現(xiàn)期：a設計洪水流量：m/s；校核洪水流量：m/s。設計洪水位：m；校核洪水位： m設計洪水流速：m/s；校核洪水流速：m/s。（2）基本風壓：kN/m。（3）多年月平均氣溫及最高、最低氣溫:TOC\o"1-5"\h\z最低氣溫：（4）最大凍土深度： m3.8建筑材料提示：（1）砂料、石料及混凝土骨料的儲量、質量、產地及開采運輸條件；（2）鋼材、水泥、木材的供應情況。3.9交通要求提示：（1）槽上順槽身方向的交通要求及荷載標準；（2）槽上橫跨槽身（渡槽進出口）的交通要求及荷載標準；（3）槽下河道有無交通要求及要求的凈空高度。4水力計算4.1水力計算的基本步驟4.1.1渡槽進出口總水頭損失已定情況下的水力計算步驟（1） 擬定槽身縱坡i及相應的沿程水頭損失Z3=iL，L為槽身長；（2） 計算確定槽身寬度B（槽內水深h一般為給定值）；（3） 根據槽身寬度B計算渡槽進口水面降落值Z1；（4） 根據進口水面降落Z1確定出口水面回升值Z2；（5） 計算渡槽進出口總水頭損失^Z；（6） 如^Z小于已定的總水頭損失值，則加大槽身縱坡，反之則減小槽身縱坡，重復（1）?（5）步驟，直至△Z與已定總水頭損失值相等時為止；（7）根據最后確定的槽身縱坡、過水斷面及進出口水頭損失，確定進出口槽底高程及相應的水面高程。4.1.2渡槽進出口總水頭損失未限定情況下的水力計算步驟（1） 給定槽身縱坡i及水深h（或給定槽身寬度B及水深h），相應Z3=iL；（2） 計算確定槽身寬度B（如給定槽身過水斷面，則計算確定槽身縱坡i及相應的Z3=iL）；（3） 根據槽身寬度B計算進口水面降落值Z1；（4） 根據進口水面降落Z1確定出口水面回升值Z2；（5） 計算渡槽進出口總水頭損失^Z；（6） 確定進出口槽底高程及相應水面高程。槽身水力計算（1） 在槽身水力計算中，槽內水深多為給定值，一般略小于上下游渠道水深，必要時也可等于或略大于上下游渠道水深。（2） 槽身水力計算采用明渠均勻流公式：Q=AR1/2i/n （4.1）式中：Q—設計流量，m/s；A—槽身過水斷面面積，m；R—水力半徑，m；i一槽身縱坡；n一糙率系數，混凝土槽身一般采用n=0.013?0.014總水頭損失計算（1） 渡槽進口流態(tài)與淹沒的開敞式水閘相似，一般按淹沒式寬頂堰流量公式計算進口水面降落值：Z§Q/（2g￡2pA）-V2/2g （4.2）式中：Z]一進口水面降落，m；￡一側收縮系數，一般可采用0.95；p一流速系數，一般可采用0.95；V]—上游渠道流速，m/s；g-重力加速度。（2） 出口水面回升Z2值一般根據進口水面降落按下式計算：Z2=Z1/3 以①（3） 槽身沿程損失Z3計算：Z3=iL （44）式中：i—L—（4） 槽身進出口總水頭損失^Z按下式計算：AZ=Z-Z+Z (4.5)1 2 35鋼筋混凝土矩形斷面槽身設計5.1槽身結構布置及尺寸擬定槽身過水斷面深寬比，一般采用h/B=0.6?0.8。對于大流量的多縱梁式矩形槽，深寬比則不受經驗尺寸的限制。槽身跨徑及支承型式(簡支或雙懸臂)根據流量大小、地形地質及施工條件等因素確定。簡支梁式渡槽的跨徑一般為10m?15m；雙懸臂梁式渡槽每節(jié)槽身長度一般為20m?30m,可根據實際情況布置為等跨雙懸臂式、等彎矩雙懸臂式或不等跨不等彎矩雙懸臂式。槽身側墻及底板厚度，應滿足強度及抗裂要求，由應力分析確定。側墻一般兼作縱梁，還應滿足縱向穩(wěn)定要求。對于帶橫桿的矩形槽，側墻厚度t與墻高H之比值一般為t/H=1/12?1/16；對于無橫桿加肋式槽身，墻厚可適當減小，但一般不小于15cm；對于無橫桿無肋式槽身，側墻應適當加厚，一般采用變厚度，墻頂厚度一般不小于15cm。槽底板厚度一般采用與側墻底部厚度相同，對于多縱梁式槽身，底板厚度可小于側墻底部厚。側墻與底板交接處加設補角，補角寬及高一般為20cm?30cm。帶橫桿矩形槽的橫桿間距采用1.5cm?2.5m，截面邊長為20cm左右。槽身縱向在支承處一般加設橫肋，以改善支座處的受力情況，肋寬約等于側墻厚度，肋凈厚等于或略大于肋寬。無橫桿加肋式槽身的橫肋間距，應滿足側墻及槽底板成為雙向板的要求。側墻高H與肋距L1的比值H/L1及槽底板寬B與肋距L1的比值B/L1一般采用1.0?2.0。肋寬一般不小于側墻及槽底板厚，肋凈厚一般等于或略大于肋寬。如欲使側墻及槽底板均成為四邊固定支承板，側墻頂部及底部需局部加厚，并要求側墻頂部、底部及肋的剛度應大于8倍板的剛度。無橫桿矩形槽的側墻頂部一般設置外伸人行道懸臂板，板厚6cm?10cm，板寬70cm?100cm。帶橫桿的槽身人行道板一般擱置于橫桿上。箱形槽身的側墻、頂板及底板多采用等厚，厚度一般不小于30cm。側墻超高根據流量大小及總體規(guī)劃要求確定，一般等于或略小于上下游渠道超高。572290014501450300300MAA3000圖572290014501450300300MAA3000圖5-2B3000C MA底板計算簡圖5.2無橫桿無肋斷面槽身結構計算5.2.1TOC\o"1-5"\h\z（1） 支承型式（簡支或雙懸臂）： ；（2）每節(jié)槽身長： m；（3）中跨凈跨長： m；（4） 懸臂段長： m；（5） 槽身凈寬： m；（6）底板厚： m；（7）側墻高： m；（8） 側墻頂厚： m；（9） 側墻底厚： m；（10）人行道懸臂板寬： m；懸臂板平均厚： m；（11）槽內設計水深： m；槽內校核水深： m；（12）人群荷載： kN/m（13） 槽身混凝土標號：（14）鋼筋混凝土容重： kN/m(15)混凝土軸心抗壓設計強度： MPa(16)混凝土抗裂設計強度： MPa混凝土彎曲抗壓設計強度： MPa鋼筋設計強度： MPa截面抵抗矩的塑性系數： ；分項系數取值。5.2.2橫向計算側墻按底部為固端的懸臂板計算；底板按兩端以豎向支承鏈桿支承于側墻底部的板計算，除承5.2.2.1側墻底部最大彎矩MA按下式計算：MA=yh/6+M0 (5.1)式中：Y一水的容重；h—水深，設計情況時用設計水深，校核情況時用校核水深；M0—槽頂荷載(人行道板重及人群荷載等)對側墻底部中心產生的力矩。側墻鋼筋計算時可不計軸向力影響，近似按受彎構件計算配置受力筋。側墻臨水面均受拉，應滿足抗裂要求，按下式驗算抗裂：Mk<actymftkW0 (5.2)式中：M一計算彎矩；kW0一換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩；a一拉應力限制系數；ctY一塑性系數；mftk—5.2.2.2底板軸向拉力NA按下式計算：TOC\o"1-5"\h\zNA=yh/2 (5.3)距底板左端距離為x的截面彎矩Mx按下式計算：\o"CurrentDocument"Mx=qx(b-x)/2-MA-NAt3/2 (5.4)底板跨中彎距Mc按下式計算：\o"CurrentDocument"Mc=qb/8-MA-NAt3/2 (5.5)式中：b一底板計算跨度，b=B+t2,B為槽身凈寬；t2為側墻底厚；q—均布荷載，水重及底板自重之和，q=Yh+Yht3，t3為底板厚；Yh—底板跨中最大彎矩發(fā)生在槽內水深等于槽半寬即h=B/2時，因此式(5.5)中q的水重部分為YB/2，相應軸向力NA=yB78。底板鋼筋按偏心受拉構件計算配置。兩端以補角邊緣截面作為控制截面計算配置底板頂層受力筋。式（5.4）中q的水重部分及式（5.3）中的h,在設計情況時用設計水深，校核情況時用校核水深。底板底層受力筋以跨中截面作為控制條件進行計算。（6）按下式分別驗算底板兩端（頂面）及跨中（底面）抗裂要求：N＜（ayfAW）/（eA+yW） （5.6）Mct'mtk0 0 0 0'm0式中：n一軸向拉力；kA0—換算截面面積；e°一偏心距，e0=Mk/Nk其余符號同前。5.2.2.3人行道板一般為支承在側墻頂部的外伸懸臂板，按受彎構件計算配置面層受力筋。5.2.35.2.3.1（1） 計算荷載按均布荷載考慮。均布荷載q包括槽身自重、水重及人群荷載等。設計情況時水重按設計水深考慮，校核情況時水重按校核水深考慮。（2） 根據支承方式，縱向結構分為簡支梁式及三種雙懸臂梁式（等跨雙懸臂梁式、等彎矩雙懸臂梁式和不等跨不等彎矩雙懸臂梁式）。等跨雙懸臂及等彎矩雙懸臂的懸臂段計算長分別為0.5l及0.354l，l為中跨計算跨徑。（3） 根據槽身橫斷面布置型式，鋼筋計算及抗裂校核均近似采用工字形計算截面。計算截面的梁肋寬為2倍側墻厚，上翼緣及下翼緣的計算寬度按規(guī)范采用。如人行道懸臂板與底板相比寬度及厚度均較小時，計算截面可不考慮上翼緣作用，即按倒T形截面計算。（4） 縱向受力鋼筋按受彎構件計算配置。側墻較高時，需沿側墻高配置①9?①12的縱向構造筋，間距30cm左右。5.2.3.2內力計算（1）簡支梁式內力按下式計算：跨中彎矩支座剪力M=ql/8V=ql/2(5.7)(5.8)式中：q一均布荷載；l一計算跨徑，l=1.05l0，l0為凈跨。（2）等彎矩雙懸臂梁式內力按下式計算：跨中及支座彎矩M=0.0625ql2(5.9)支座兩側剪力V1=0.5ql(5.10)V2=0.354ql(5.11)式中：符號同前。（3）等跨雙懸臂梁式內力按下式計算：支座彎矩M=ql/8(4.12)支座兩側剪力V1=V2=0.5ql(4.13)（4）不等跨不等彎矩雙懸臂梁式內力按下式計算:跨中彎矩M=ql/8-qls/2(5.14)支座彎矩M=qls/2(5.15)支座兩側剪力V1=0.5ql（5.16）V2=qls(5.17)式中：ls—5.2.3.3正截面承載力計算5.2.3.4斜截面強度驗算2（1）計算截面應滿足如下要求：YdV<0.25fcbh0（5.18）Yd一斜截面受剪結構系數；f一混凝土軸心抗壓設計強度；cb一計算截面梁肋寬，即2倍側墻厚；h°一提示：如不能滿足式（5.18）要求，應增加側墻厚度或提高混凝土標號。（2）計算截面符合下列要求時不需驗算斜截面強度：YdV<W?。?.19）（3）不設彎起鋼筋時，斜截面抗剪強度應滿足下列要求：ydV<Vcs （5.20）V=0.7fbh+fAh/s （5.21）cs t0yvsv0式中：Vcs—斜截面上受壓區(qū)混凝土及側墻豎向鋼筋的抗剪強度；Asv-配置在同一截面內的箍筋面積。側墻橫向計算配置的橫向受力筋不能兼做承受主拉應力的鋼筋，因此Asv應為在所需截面配置在側墻內外側或墻內的附加豎筋；s一順槽向附加豎筋的間距；f—箍筋設計強度；（4）配置彎起鋼筋時，斜截面抗剪強度應滿足下列要求：YdQ<Vcs+fyAsbsina （5.22）式中：A.一配置在同一彎起平面內的彎起鋼筋截面面積；sba—其余符號同前。5.2.3.4抗裂驗算（1）正截面抗裂按式（5.2）驗算。5.3無橫桿加橫肋斷面槽身結構計算5.3.1計算參數（1）肋凈距:肋寬：mTOC\o"1-5"\h\z底肋凈厚： m；側肋頂凈厚： m；側肋底凈厚： m；墻頂加厚段(頂梁)高：m；其余計算所需參數與無橫桿無肋斷面相同(見5.2.1)5.3.2橫向計算5.3.2.1側墻彎距計算根據墻頂局部加厚段的結構尺寸，側墻可按底和兩端三邊固定、頂邊自由，或三邊固定、頂邊簡支，或四邊固定的雙向板計算。在確定橫肋間距時，一計算跨徑確定如下：橫向 bv0.1l時，l=l+b] (5.25)0 1 0 "b>0-1l0時，l1=1-1l0豎向 (t3+d)/2W0.1(H-d/2)時，rf=H+(t3-d)/2 (5.26)(t’+d)/2>0.1(H-d/2)時’H1=L1H-0.55d 3式中：L一橫向計算跨徑；l0一橫肋凈距；b一肋寬；頭一豎向計算跨徑；t3一底板厚；d—計算荷載按滿槽三角形水壓力考慮：q1=yH1 (4.27)(5)根據板的支承情況，分別查《建筑結構靜力計算手冊》表4-26(三邊固定頂邊自由)，或表4-21(三邊固定頂邊簡支)，或表4-22(四邊固定)，計算各控制點(見各表附圖)彎距。泊桑比采用以=1/6。5.3.2.2底板彎矩計算底板按四邊固定板計算。計算跨徑豎向 t2V0.1B時，l2=B+t2 (5.28)t2>0.1B時，l2=1.1B式中：B一槽身凈寬； 2 2t2—計算均布荷載為：q2=yh+yht3 (5.29)式中：h—水深;（3）各控制點彎距查《建筑結構靜力計算手冊》表4-45.3.2.3橫肋內力計算（1） 橫肋為一矩形敞口框架結構，框架立柱截面為側肋與側墻組成的T形截面，框架底梁截面為底肋與底板組成的T形截面。T形截面的翼緣寬度按《水工鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》表15規(guī)定確定。（2）（3） 框架承受橫肋間距11范圍內的荷載，其值為：q3=yh1i （5.30）q4=（Yh+Yht3）1i （5.31）式中：q3—q4—（4） 彎矩計算與無橫桿無肋斷面的橫向計算相同（見5.2.2）。計算底梁彎距時，跨中最大彎距同樣應按水深為半槽時的水深（h=B/2）計算。（5） 底梁軸向力NA按下式計算：NA=yhf1/2 （5.32）5.3.2.4鋼筋計算（1）（2） 側肋鋼筋按翼緣位于受拉區(qū)的T形截面受彎構件計算。所需受力筋布置在翼緣計算寬度范圍內的側墻內側。（3） 底肋鋼筋按T形截面偏心受拉構件計算。兩端所需受拉鋼筋布置在翼緣計算寬度范圍內的底板頂層，跨中所需鋼筋集中布置在肋的底層。5.3.2.5抗裂驗算（1） 側墻與底板均按受彎構件驗算抗裂，計算公式同式（5.2）（2） 側肋按受彎構件式（5.2）驗算抗裂。底肋按偏心受拉構件式（5.6）驗算抗裂。式中A0及W0均按相應的T5.3.3縱向計算縱向計算與無橫桿無肋斷面相同，見5.2.35.4多縱梁斷面槽身結構計算5.4.1結構布置（1） 多縱梁斷面適用于大流量的寬淺式槽身。一般不帶橫桿，可加橫肋或不加橫肋。（2） 縱梁間距一般為1.5m?3m，梁高及梁寬不小于底板厚。（3） 其余結構尺寸的擬定見5.1。5.4.2計算參數縱梁凈高： m縱梁寬：m縱梁凈距： m其余計算所需參數見5.2.1及5.5.15.4.35.4.3.1無橫肋時，側墻計算與無橫桿無橫肋