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矩形渡槽设计计算说明书
矩形渡槽设计计算说明书
工程名称:
哈密市五堡镇五堡大桥渡槽工程
设计阶段：
施工阶段
渡槽计算书
计算：
日期：
2015.09.01
哈密托实水利水电勘测设计有限责任公司
2015.09.01
1基本资料
五堡大桥渡槽定为4级建筑物，设计流量Q设=1.2m³/s，加大流量Qm=1.56m³/s。
，渡槽总长25.6m，进口与上游改建梯形现浇砼渠道连接，出口与下游改建矩形现浇砼渠道连接。
2渡槽选型与布置
2.1结构型式选择
梁式渡槽的槽身是直接搁置于槽墩或槽架之上的。
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，并将槽身与进出口建筑物分开。
变形缝之间的每一节槽身沿纵向是两个支点所以既起输水作用又起纵向梁作用。
根据支点位置的不同，梁式渡槽有简支梁式双悬臂梁式和单悬臂梁式三种型式。
单悬臂梁式一般只在双悬臂梁式向简支梁式过渡或与进出口建筑物连接时使用。
简支梁式槽身施工吊装方便，接缝止水构造简单，但跨中弯矩较大，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。
本设计采用简支梁式槽身，跨度取为12.8m。
梁式渡槽的槽身采用钢筋混凝土结构。
2.2总体布置
渡槽的位置选择是选定渡槽的中心线及槽身起止点的位置。
本设计的渡槽的中心线已选定。
具体选择时可以从以下几方面考虑：
（1）槽址应尽量选在地质良好、地形有利和便于施工的地方，以便缩短槽身长度、减少工程量、降低墩架高度；
（2）槽轴线最好成一直线，进口和出口避免急转弯，否则将恶化水流条件，影响正常输水；
（3）跨越河流的渡槽，槽轴线应与河道水流方向尽量成正交，槽址应位于河床及岸坡稳定、水流顺直的地段，避免位于河流转弯处；
2.3结构布置
根据渠系规划确定，选用钢筋混凝土简支梁式渡槽进行输水，槽身采用带拉杆的矩形槽，支承结构采用单排架型式，两立柱之间设横梁，基础采用整体板式基础支撑排架。
渡槽全长25.6m，采用等跨布置方案，一跨长度为12.8m。
进出口均用混凝土建造。
3水力计算
3.1计算依据、公式及参数选择
（1）渠道水力要素
渡槽上游渠道梯形断面，设计流量1.2m3/s，设计底宽1.2m，设计水深0.33m，设计渠高0.85m，渠道边坡1:
0.75，采用现浇砼形式。
渡槽下游渠道矩形断面，设计流量1.2m3/s，设计底宽1.2m，设计水深0.245m，设计渠高0.85m，采用现浇砼形式。
水力要素见表3-1
表3-1渠道水力要素表
渠段
底宽Ｂ
（m）
边坡
m
水深h
（m）
糙率
n
纵坡
I
流速v（m/s）
流量Ｑ
（m³/s）
备注
上游游
梯形渠道
1.2
0.75
0.33
0.015
1/100
2.51
1.2
设计
流量
下游游
梯形渠道
1.2
0
0.245
0.015
1/25
4.08
1.2
设计流量
（2）渡槽过水能力计算
由于，故根据明渠均匀流公式：
式中A——过水断面积（m2）；
R——水力半径（m）；
i——槽身纵坡；
n——槽身糙率（取n=0.015）。
初步拟定坡度，经试算底宽，通过设计流量时水深h=0.71m，流速，超高，则渡槽净深，取H=0.9m。
当渡槽加大流量时，经试算得水深，则渡槽净深，故取H=1.0。
水力要素见表3-2
表3-2渡槽水力要素表
渠段
底宽B
（m）
水深h（m）
糙率
n
纵坡
I
流速v
（m/s）
流量Ｑ
（m³/s）
备注
渡槽
1.2
0.71
0.015
1/500
1.408
1.2
设计流量
渡槽
1.2
0.87
0.015
1/500
1.149
1.56
加大流量
3.2水面衔接验算.
3.3.1渡槽总水头损失计算
⑴进口水面降落值
式中：
——渡槽进口渐变段损失系数，取0.1；
——渡槽流速，1.408m/s；
——渡槽上游梯形混凝土渠流速，2.51m/s；
可计算得，进口水面降落值为-0.242m。
⑵槽身段水面降落值
式中：
——渡槽槽底比降，取0.002；
——槽身长度，25.6m；
可计算得，槽身段水面降落值Z2=0.051m。
⑶出口段水面回升值
式中：
——渡槽出口渐变段损失系数，取0.3；
——渡槽流速，1.408m/s；
——渡槽下游矩形混凝土渠流速，4.08m/s；
可计算得，出口水面回升值为-0.524m。
因此，可计算得总水头损失为0.333m。
3.3.2渡槽进出口底部高程的确定
已知：
进口前渠底高程=465.461m
则渡槽进出口槽底高程确定如下：
进口槽底高程=465.258m；
出口槽底高程=465.207m；
3.3.3进口渐变段长度的确定
式中B1——进口前渠道水面宽度，1.695m；
B——槽身水面宽度，1.2m；
可计算得，选取3.0m。
进口选取3.0m的浆砌石扭面与上游混凝土梯形渠道相接。
4槽身结构计算
4.1槽身尺寸拟定
根据前面水力计算可知，水深h=0.71m，净深H=1.0m，宽度B=1.2m。
简支梁式渡槽的跨径一般为8m～15m，选取12.8m；侧墙高度选取1.4m，侧墙厚度一般为t=12～25cm，选取15cm；侧墙与底板交接处加设补角，补角宽及高选取10cm；矩形槽的拉杆间距采用1.9m，截面边长为10cm。
具体尺寸如图4-1所示。
图4-1槽身横断面图
4.2荷载与组合
4.2.1荷载
根据方案拟定，渡槽的设计标准为4级，所以渡槽的安全级别Ⅲ级，混凝土重度为γ=25kN/m3，荷载分项系数为：
永久荷载分项系数γG=1.05，可变荷载分项系数γQ=1.20，结构系数为γd=1.2。
沿槽身纵向取单位长度脱离体进行计算。
侧墙与底板为整体连接，交接处为刚性节点。
横杆与侧墙也是整体连接，但因横杆刚度远比侧墙刚度小，故可假设与侧墙铰接。
1．结构重力
侧墙
标准值
设计值
底板
标准值
设计值
拉杆
标准值
设计值
槽内水重
①满槽
标准值
设计值
②设计水深
标准值
设计值
一节槽身自重：
（13.65+3.94+2.625）×12.8=258.72KN
2．风压力
作用于一节槽身的横向风荷载标准值（见《水工建筑物荷载设计规范》DL5077-1997）
式中——风载体形系数,根据《渡槽设计和电算程序》规定，满槽时取1.3，空槽时取1.7；
——风压高度变化系数，根据《渡槽设计和电算程序》规定，渡槽离地面高度8m时取0.89；
——风振系数，取1.0；
——基本风压值，取0.25KN/m2；
可计算得：
满槽情况下风荷载强度KN/m2，因此，作用于槽身上的横向风压力标准值为，设计值为；
空槽情况下风荷载强度KN/m2，因此，作用于槽身上的横向风压力标准值为，设计值为；
因风荷载所引起的内力较侧向水压力引起的内力小得多，故这里忽略风荷载的影响。
4.2.2荷载组合
渡槽按承载能力极限状态设计时，应考虑两种荷载组合：
①基本组合（持久设计状况或短暂设计状况下永久荷载与可能出现的可变荷载的效应组合）
②偶然组合（设计状况下永久荷载、可变荷载与一种偶然荷载的效应组合）
表1渡槽按承载能力极限状态设计荷载组合
荷载组合
荷载
基本组合
持久状况
槽中为设计水深、有风工况下作用于槽身或支承结构的各种荷载
短暂状况
1
槽中无水、有风工况下作用于槽身或支承结构的各种荷载
2
槽中为满槽水、无风工况下作用于槽身或支承结构的各种荷载
偶然组合
1
槽中无水、有风、漂浮物撞击工况下作用于槽身或支承结构的各种荷载
4.3槽身横向及纵向结构计算
4.3.1槽身横向结构计算
1、满槽水、无风工况内力计算
1.
图4-2槽身横向结构计算简图
简化后，图示结构为一次超静定，不计轴力及剪力对变位的影响，可求得赘余力X1为
式中——水的重度，10kN/m3；
——混凝土的重度，25kN/m3；
——底板厚度，0.15m；
——侧墙厚度，0.15m；
——侧墙的截面惯性矩；
——底板的截面惯性矩；
—槽顶荷载对侧墙中心所产生的力矩。
（1）侧墙内力计算
取计算截面距拉杆中心线为y，该处的侧墙弯矩My为
最大弯矩产生在y＝ym处，即，因此，。
此截面处的轴力
式中—作用于槽身横截面上的计算剪力；
—槽顶竖向荷载；
（2）底板计算
距侧墙中线x处的底板弯矩为
令，得底板端部弯矩；令，得底板跨中弯矩。
底板轴向拉力；对底板左边缘点取矩，可得底板剪力为。
（3）拉杆计算
图4-3拉杆计算简图
拉杆间距为1.9m，则一根拉杆的拉力为。
拉杆除承受轴向力外，还承受拉杆自重，则弯矩、剪力。
计算结果见表4-2所示。
表4-2槽身横向结构内力计算表（满槽水+无风工况）
部位
内力
设计值
基本参数
X1（KN）
0.627
侧墙
y（m）
1.125
弯矩M（KN.m）
-1.404
剪力（KN）
-5.137
轴力（KN）
11.119
底板
端部弯矩（KN.m）
-1.668
跨中弯矩（KN.m）
1.749
轴力（KN）
5.701
端部剪力（KN）
5.987
拉杆
跨中弯矩（KN.m）
0.598
轴力（KN）
1.191
剪力（KN）
1.772
2.槽中为设计水深、有风工况内力计算
计算结果见表4-3。
表4-3槽身横向结构内力计算表（设计水深+有风工况）
部位
内力
设计值
基本参数
X1（KN）
-0.372
侧墙
y（m）
1.125
弯矩M（KN.m）
-1.446
剪力（KN）
-3.788
轴力（KN）
9.919
底板
端部弯矩（KN.m）
-1.225
跨中弯矩（KN.m）
1.418
轴力（KN）
3.453
端部剪力（KN）
4.445
拉杆
跨中弯矩（KN.m）
0.598
轴力（KN）
-0.707
剪力（KN）
1.772
3.槽中无水、有风工况内力计算
计算结果如表4-4。
表4-4槽身横向结构内力计算表（槽中无水+有风工况）
部位
内力
设计值
基本参数
X1（KN）
-0.325
侧墙
y（m）
1.125
弯矩M（KN.m）
-0.366
剪力（KN）
-0.618
轴力Ny（KN）
6.319
底板
端部弯矩（KN.m）
-0.366
跨中弯矩（KN.m）
0.488
轴力（KN）
0.325
端部剪力（KN）
1.148
拉杆
跨中弯矩（KN.m）
0.598
轴力（KN）
-0.618
剪力（KN）
1.772
4.3.2槽身纵向结构计算
根据支承形式，跨宽比及跨高比的大小以及槽身横断面形式等的不同，槽身应力状态与计算方法也不同，对于梁式渡槽的槽身，跨宽比、跨高比一般都比较大，故按简支梁理论计算纵向弯矩和剪力。
图4-4槽身纵向结构计算简图
弯矩
剪力
式中，L为计算跨度。
由于此梁属于深受弯构件（），因此，计算跨度取和之中的较小值（和分别为支座中心线之间的距离、净跨），取12.4m。
表4-
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