河海大学《水工建筑物》第八章渡槽.

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。•分类：•二、渡槽的位置选择•①轴线(中心线)•②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。悬吊及斜拉式等拱式、桁架式，组合式按结构形式分：梁式、梯形、椭园形、园形等形按槽身断面分：矩形预应力式预制装备式式按施工方法：现浇整体砼、铪等按材料分：木、砖石、(4)U(3)(2)(1)•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。•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：•①槽身断面选型；•②拟定断面尺寸；•③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：•①按最大过流量Qmax，拟定槽身纵坡I，净宽b，净深h。•②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。•1、水力设计的计算方法及总水头损失计算•①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•②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)。iRACQ•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：•ζ––损失系数见表8–1；•U1––渠内流速。)2U(1212gUz•(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：•①富裕高度(槽壁超高)––通过设计流量时；•②[△z]允许水头损失，渠道规划设计时确定；•③检验由设计流量Q求得H(槽内水深)，即求得△h。•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：•①h/b↑纵向刚度↑风力↑稳定↓•②h/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iJc––临界坡•h/b＝0.6～1.0•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)()(y22211HZHyHZHy2要求≥0.1•（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！•①风压力：•②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)动荷载等地震、人群、施工吊装温度、砼收缩、徐变、槽内飘浮物撞击力动水压力风压力土压力水重结构自重)('FZgPKK＝FP•2、荷载组合•①基本组合(设计条件)：•②特殊组合(校核条件)：运行期不定期作用荷载经常作用荷载(2)(1)施工、检修用荷载经常作用荷载＋偶然作(2)(1)•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：不利底板受拉，对抗裂防渗缺点：跨中弯矩较大，构造简单，工作可靠吊装方便，接缝止水优点：结构简单，施工•(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。以及渡槽进出口部位悬臂向简支式过渡，单悬臂梁式：多用于双裂缝；困难，支座附近易产生较大情况，施工吊装双悬臂梁式：适用跨度•2、槽身横断面形式和构造•(1)断面形式：•分为形矩形U常用不带拉杆无通航要求带拉杆•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)R0•a=(1.5～2.5)t；b=(1～2)t，•C=(1～2)t；d0=(0.5～0.6)R0•t0=(1.0～1.5)t•（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：•①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；•②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。•①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。•②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。•③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；•假定：①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。•②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)NMNMQQ，为弯矩，轴向力，水压力，自重产生的力，，轴向力剪力对槽壳产生的力为(2)有拉杆的U形槽身①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；②基本假定：1）槽身薄壳断面上的剪力分布(2τt)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•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：•①上半部外侧受拉；②下半部内侧受拉。•配筋：•①双层布筋：按内外侧控制截面分别配筋；•②单层布筋：按弯矩图形将钢筋布置在受拉一侧。•（三）、槽墩和槽架•1、槽墩15-8)(13-8图可节省材料空心墩：图浆砌石或砼重力式边槽墩重力式实体墩重力式槽墩•2、槽架•(1)、槽架的形式和构造•三种基本形式(c)(b)16(a)8A25m5m2，，－字形排架双排架高单排架高•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：18(b)818(a)8－图的杯口按铰接处理；铰接预置装配，装配后－浇，图固结排架与基础整体现•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施工吊装校核。空槽＋横向风荷载满槽水＋横向风荷载；(3)(2)(1)(2)荷载计算：(图8–19)•垂直：•横向：；载的垂直等效部分，槽身横向风荷排架自重等效节点荷载；上部传载G(2)G(1)，漂浮物撞击力等。动水压力，，节点荷载排架立柱横向风荷等效；＝效部分；槽身横向风荷载横向等dF2F1F1F1PPP(4)/2PP(3)应用反对称性，取一半计算；计算简图8–19(b)，(c)。•(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)•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•(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多用于较大跨度情况－图空腹式用料多，重量大选用小跨度－图实腹式22)8()(21)8(248228－图排架腹拱式－图立墙腹拱式•（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：曲拱。主拱圈－采用板拱和双槽身断面，多为矩形；拱顶部的腹腔为实体；；－图形成横墙腹拱式结构孔洞，地留出若干个城门洞形将实腹式拱上结构对称(4)(3)(2)22)8((1)主要：砼、浆砌石。，注意止水；以适应变形拱顶部位变形缝－槽墩，槽身及拱上结构，设置余部分为实腹；跨度内，布置腹孔，其距拱座(3))((2)1/3(1)•(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)(U形、矩形断面槽身－梁式结构下接拱圈上接槽身拱上结构－排架式主要材料：砼，钢筋砼槽身：按梁式槽身布置筋，型钢，钢板预留插杯口式；排架与主拱圈连接：倍拱宽大型～小型上，