U型渡槽结构计算书

一、基本资料1.1工程等别根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）、《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288－99）和《村镇供水工程技术规范》（SL687—2014）的规定，工程设计引水流量为3.9m³/s，供水对象为一般，确定本项目为Ⅳ等小（1）型工程。主要建筑物等级为4等，次要建筑物等级为5等，临时建筑物等级为5等。渡槽过水流量≤5m³/s，故渡槽等级均为5级。1.2设计流量及上下游渠道水力要素正常设计流量1.83m³/s，加大流量2.29m³/s。1.3渡槽长度槽身长725m，进出口总水头损失0.5m。1.4地震烈度工程区位于安陆市北部的洑水镇、接官乡和赵鹏镇三个乡镇，属构造剥蚀丘岗地貌。根据国家标准1：400万《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），工程区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s，相应的地震基本烈度小于Ⅵ度，建筑物不设防。1.5水文气象资料安陆市属亚热带季风气候区，春秋短，冬夏长，四季分明，兼有南北气候特点。年最高气温40.5℃,最低气温-15.3℃，多年平均气温15.9℃。年日照时数1920—2440h，日照率49%，居邻近各县（市）之冠。太阳总辐射年平均112千卡/cm2，年际变化不大，4-10月辐射量占全年的71.43%。10℃以上积温为4486—4908℃。多年平均无霜期246d。境内多年平均降雨量1117mm，年降雨量很不稳定，最多年份可达1772.6mm（1954年），最少年份只有652.9mm（1978年），降水量年内分配很不均匀，4-10月份平均降雨量占全年降雨量的85%以上，多年平均蒸发量1587.3mm，由于降水量年际和年内间变化大，导致洪涝旱灾发生频繁。二、水力计算2.1槽身水力计算槽身水力计算采用明渠均匀流公式：Q=AR2/3i1/2/n式中：Q——设计流量，m3/s；A——槽身过水断面面积，m2；R——水力半径，m；i——槽身纵坡；n——糙率系数，混凝土槽身一般采用n=0.013～0.014。2.2渡槽进出口高程计算（1）渡槽进口流态与淹没的开敞式水闸相似，一般按淹没式宽顶堰流量公式计算进口水面降落值：Z=Q2/(2gε2φ2A2)-V21/2g式中：Z——进口水面降落，m；ε——侧收缩系数，一般可采用0.95；φ——流速系数，一般可采用0.95；V1——上游渠道流速，m/s；设计水深时流速为0.52m/s，加大流量时流速为0.61m/s；g——重力加速度；(2)出口水面回升Z1值一般根据进口水面降落按下式计算：Z1=Z/3(3)槽身沿程损失Z2计算：Z2=iL式中：i——槽身纵坡；m2L——槽身长度。(4)槽身进出口总水头损失ΔZ按下式计算：ΔZ=Z-Z1+Z2计算得渡槽进出口总水头损失：设计水深ΔZ1=0.2657m加大流量ΔZ2=0.2654m进出口高程的确定：进口槽底高程：▽2=▽1+h1-Z-h进口槽底抬高：y1=▽2-▽1=h1-Z-h出口槽底高程：▽3=▽2-Z1=▽2-iL出口渠底降低：y3=h2-Z2-h出口渠底高程：▽4=▽2-y2=▽2+h+Z2-h2（5）渐变段长度L通常采用经验公式计算Li=C(B1-B2）式中C——系数，进口取C=1.5～2.0，出口取C=2.5～3.0B1、B2——渠道及渡槽槽身水面宽度计算得进口槽底高程：▽2=出口槽底高程：▽3=出口渠底高程：▽4=三、U型槽断面设计3.1槽身结构尺寸拟定根据渡槽设计过流量初步拟定渡槽结构尺寸如下：3.2基本设计资料1．依据规范及参考书目：《建筑结构荷载规范》（GB50009－2001）《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)，以下简称《规范》《水工钢筋混凝土结构学》(中国水利水电出版社)《渡槽》（中国水利水电出版社出版）《建筑结构静力计算手册》（第二版）2．结构尺寸：支承形式：简支槽身长度L=16.00m槽壁厚度t=0.15m槽壳内径Ro=1.0m直段高度f=0.70m外挑长度a=0.25m外挑直高b=0.15m外挑斜高c=0.15m槽底加厚to=0.15m加厚底宽do=0.50m加厚斜长So=0.498m拉杆净间距：3m拉杆高度h1=0.15m拉杆宽度b1=0.15m端肋尺寸：端肋厚度td=0.40m端肋直高f1=1.0m端肋斜高f2=1.40m端肋支座宽度bz=0.40m支座净距ln=1.25m支座坡角β=45.0度3．荷载信息：设计水深h1=1.24m；加大流量水深h2=1.44m人群荷载qr=2.0kN/m2；钢筋混凝土容重：25kN/m3；轴心抗压Ra=20.1MPa；轴心抗拉Ra=2.01MPa4．荷载系数：该渡槽级别为5级，结构安全级别为Ⅴ级水工建筑物，采用C30混凝土fc=20.1N/mm2，Ⅱ级钢筋fy=310N/mm2。结构重要系数rd=1.0（设计年限为50年），设计状况系数1.0，承载能力极限状态时的结构系数rd=1.15，永久荷载分项系数rG=1.05（槽身自重），可变荷载分项系数rQ1=1.2（一般可变荷载：水压力），可变荷载反向系数rQ2=1.1（一般可变荷载：人群荷载）。5．材料信息：混凝土强度等级：C30横向受力钢筋种类：HRB335纵向受力钢筋种类：HRB335构造钢筋种类：HPB235纵筋合力点至近边距离as=0.035m混凝土裂缝宽度限值[ωmax]=0.250mm3.3计算说明1．荷载组合承载力极限状态计算时，荷载效应组合设计值按下式计算：S＝γG1K×SG1K＋γG2k×SG2K＋γQ1k×SQ1K＋γQ2k×SQ2K，即：S＝1.05×SG1K＋1.20×SG2K＋1.20×SQ1K＋1.10×SQ2K，即：正常使用极限状态验算应按荷载效应的标准组合进行，并采用下列表达式：Sk（Gk，Qk，fk，αk）≤c2．横向计算（1）横向计算是将槽壳作为一次超静定的铰接曲杆框架结构，用力法求出横杆的多余未知力，然后利用静力平衡方程式计算各截面的弯矩及轴向力。（2）槽身横向各截面根据内力的不同，分别为偏心受压和偏心受拉构件。（3）以最大负弯矩和最大正弯矩截面作为控制截面，分别进行槽壁内侧及外侧配筋和抗裂计算。（4）横杆按偏心受拉构件进行配筋计算。（5）端肋按承受均布荷载的双悬臂梁计算。每个端肋承受的荷载包括半跨槽身荷载及端肋自重。3．纵向计算（1）计算荷载按均布荷载考虑。均布荷载q包括槽身自重、水重及人群荷载等。（2）纵向结构按简支梁进行内力计算。（3）槽身纵向按总拉力配筋，同时截面应满足抗裂要求。3.4槽身纵向计算渡槽槽身计算跨长l0=15m，渡槽槽身宽度D=2.0m，跨宽比l/D=7.5＞4，因此可以近似按梁理论计算的Ｕ形薄壳槽身。3.4.1槽壳截面要素计算槽壳截面重心轴位置及截面惯性矩按下列公式计算：y1=∑Aiyi/Ay2=H-y1K=y1-fI=∑Aiy2+∑Ii式中：y1——截面重心轴至槽顶距离；y2——截面重心轴至槽底距离；K——截面重心轴至槽壳园心轴距离；I——截面惯性矩；Ai——槽壳各分块面积；yi——各分块面积重心至槽顶距离；A——各分块面积总和；H——槽壳总高；f——槽壳直段高；y——各分块重心至截面重心轴距离，y=｜y1-yi｜；Ii——各分块面积对自身重心轴的惯性矩。分块号面积Ａi(m2)各分块面积的重心到槽顶距离yi(m)Aiyi分块重心至重心轴I-I的距离y=|y1-yi|∑Aiy2各分块面积对自身重心轴Ii(m4)10.075000000.075000000.005625001.015762980.077383080.0001406320.037500000.204230000.007658630.886532980.029472780.0000468830.210000000.350000000.073500000.740762980.115233260.0085750042.077647501.183000002.45785699-0.092237020.017675930.192250775-1.571000001.12000000-1.75952000-0.02923702-0.00134290-0.1099200060.075000001.925000000.144375000.834237020.052196360.0001406370.074700001.850000000.138195000.759237020.043060130.00008869总计0.978847501.067690620.333678640.09123389截面重心轴I-I轴离槽顶的距离y1=∑Aiyi/A=1.091mI-轴至槽底的距离y2=H-y1=0.909m重心轴至槽壳圆心轴的距离K=y1-f=0.391m截面惯性矩I=∑Aiy2+∑Ii=0.425m43.4.2作用于槽身的均布荷载标准值计算槽壳自重qk1＝γh∑Ai＝25×0.9716＝24.29kN/m横杆重qk2＝0.15×0.15×2×25×5/15=0.375kN/m设计水深重qk3＝2.0508×9.81=20.12kN/m加大流量时水深重qk4＝2.4508×9.81=24.04kN/m人群荷载qkr1＝1.6kN/m3.4.3内力计算基本组合下槽身均布荷载q为：设计水深时：q1＝γG1K×（qk1+qk2）＋γQ2k×qk3＋γQ1k×qkr1＝1.05×（24.29+0.375）+1.2×20.12+1.1×1.6=51.80kN/m加大流量水深时：q2＝γG1K×（qk1+qk2）＋γQ2k×qk4＋γQ1k×qkr1＝1.05×（24.29+0.375）+1.2×24.04+1.1×1.6=56.506kN/m作用在渡槽上的最大分布荷载qk为：qk＝qk1+qk2+qk4+qkr1＝1.05×(24.29+0.375)+1.2×24.04+1.1×1.6=56.506kN/m计算跨径L＝max(1.05×lo,lo+td)＝15.75m跨中最大弯矩M＝q×L2/8＝56.506×15.752/8＝1752.127kN·m跨中弯矩设计值:q=24.29+0.375+24.04+1.6=50.305KN/mM=qL2/8=50.305×15.752/8=1559.848KN·m支座剪力Q＝q×L/2＝50.305×15.75/2＝396.15kN3.4.4配筋计算截面总拉力Z＝MS1/I（式中S1为重心轴以下面积对中心轴的面积矩）受拉区面积对截面形心轴的静面距Sl=2tR2(sinx-xcosx)+S6+S7其中：cosx=K/R=0.364sinx=(1-cosx2)1/2=0.932S6=todo(y2-to/2)=0.063S7=2*0.5toso(y2-to)=0.057则Sl=0.291Z＝1752.127×0.291/0.425＝1199.692kNAs＝γdZ/fy＝1.2×1199.692*103/300.00＝4798.768mm2钢筋计算面积As=4798.768mm2,实配As=5712mm23.4.5斜截面抗剪验算依据《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）中式6.5.3第3条进行验算K×V=1.15×396.15=455.57kN≤0.7ftbho=0.7×2.01×0.15×2×1.97×103=831.54kN故抗剪条件满足，斜截面无需配置附加横向钢筋抗剪！3.4.6斜截面抗裂验算支座截面处最大主拉应力σzl=QS/(2tI)=396.15×0.291/(2×0.150×0.425)=904.154kN/m2=0.9N/mm2γoσzl=1.15×0.9≤αctftk=0.85×2.01=1.7N/mm2故斜截面抗裂验算满足要求！3.5槽身横向设计3.5.1设计水深时的内力计算1、基本组合下多余未知力X1计算（1）、计算公式：X1=-Δ1P/δ11=-(Δ1集+Δ1弯+Δ1自+Δ1水+Δ1剪)/δ11δ11=R3(0.333A3+πA2