渡槽课程设计计算书.doc

渡槽设计任务书
设计资料
1. 槽身为等跨简支矩形槽，跨长15m.
2. 槽内径尺寸：bh=3.02.5m.
3. 流量：Q=10m3/s,设计水深：hd=2.0m 加大水深： hc=2.5m
4. 槽顶外侧设1.0m宽人行道，人行道外侧设1.2m高栏杆
5. 排架为单层门型钢架，立柱高度本跨可按5.0m计算
6. 建筑材料参数值：本设计受力筋采用HRB400 （ ）箍筋采用HPB300（Φ），其中HRB400钢筋强度设计值=f=360N/mm2,弹性模量=2.0 N/mm2 .HRB300钢筋强度设计值=f=270N/mm2.
混凝土强度等级
轴心抗压
轴心抗拉
弹性模量Ec
标准值fck
设计值fc
标准值fck
设计值fc
C25
16.7
11.9
1.78
1.27
2.8×104
7. 使用规定：=0.25mm =l0/600
8. 采用水工混凝土结构设计规范SL-191-2023
9. 荷载 钢筋混凝土重度：25 KN/m3 人行道人群荷载：2.5 KN/m2
栏杆重：1.5 KN/m 施工荷载：4 KN/m2
基本风压：w0=0.4 KN/m2 地基承载力特性值：fak=200 KN/m2
基础埋深：1.5m 抗震设计基本烈度：6度

设计规定
设计计算书一份，涉及计算依据资料、计算简图、计算过程、计算的最终成果。图纸一份，涉及槽身（1#图，594mm）、排架和基础（2#图420mm）各一张

渡槽计算书
水力计算及尺寸拟定
渠道断面水力计算
由已知资料可知此渡槽设计流量Q设=10 m3/s渠道断面取m=1，n=0.014。按照明渠均匀流计算，根据公式

式中
Q——为渡槽的过水流量（m3/s）
A——过水断面面积（m2）
C——谢才系数
R——水力半径（m）
X——湿周（m）
i-为槽底比降
n-为槽身糙率，钢筋混凝土槽身可取n=0.014
A=bh=2=6m2
X=b+2h=3+22=7m
R===0.875m
C==69.6
I= ==1/1495取1/1200
设计水深的流速V==C=1.67m/s
对于混凝土；Q=1m/s~10m/s时，不冲刷流速V’=8 m/s
不淤积流速V′=0.3 m/s ~0.5 m/s
综上 V〞 V Vˊ
流速满足规定。
安全加高Δh=0.5m,则Q加大=VBHC=12.5 m3/s
加大流量系数为1.25符合规范，故满足设计规定。

槽身设计
参考已建工程，初定槽身结构尺寸如下所示，，每跨长度选定15m，支撑结构选取简支梁式，按简支梁结构进行计算。
本设计中槽身横断面采用的是矩形取侧墙厚度t上=200mm和t下350mm，侧墙高为H=2.5m，底板地面高于侧墙底缘，以减少底板的拉应力，底板厚度为30mm，侧墙和底板的连接处加设角度为的贴角。根据前面计算结果，槽内净宽B=3.0m，高H=2.5m。具体结构尺寸如图所示。

槽身横断面图

槽身纵断面图
槽身结构尺寸图（单位：mm）

荷载计算
该渡槽级别为2级，结构安全级别为Ⅱ级水工建筑物，采用C25混凝土。结构重要系数，设计状况系数，承载能力极限状态使得结构系数，永久荷载分项系数，可变荷载分项系数。
纵向计算中的荷载一般按均布荷载考虑，涉及槽身重力（拉杆等是少量集中荷载也换算为均布荷载）、槽中水体的重力及人群荷载，其中槽身自重为永久荷载，水重、人群荷载为可变荷载。

槽身荷载计算：（单位：G－KN；g－KN/m）
荷载类型
标准值
设计值
计算式
大小
大小
1、侧墙重(一侧)

16.91
17.76
垂直方向

16.91
17.76
2、人行板重
（一侧）

2.5
2.63
垂直流方向
.5/0.8
3.13
3.27
沿水流方向

2.5
2.63
3、底板重

36.75
38.59
垂直流方向

12.75
12.86
沿水流方向

36.75
38.59
4、人群重
（一侧）

2.5
3
垂直流方向

3
3.6
沿水流方向

2.5
3
5、栏杆重 （一侧）

1.5
1.58
垂直流方向

1.5
1.58
沿水流方向

1.5
1.58
6、校核水重

73.5
80.85
垂直流方向

24.5
26.95
沿水流方向

73.5
80.85
7、设计水重

58.8
70.56
垂直流方向

19.6
23.52
沿水流方向

58.8
70.56
8、施工荷载

20
24
垂直流方向

4
4.8
沿水流方向

20
24
渡槽横向计算（单宽1m）
人行板计算
横向抗弯计算：
计算简图如下

施工状况为最不利工况，人行悬臂板当作一端固定悬臂梁，初估为单筋截面，c=25mm a=30mm h0=h-a=125-30=95mm

=0.44

ρ= 选配 8@150（）分布钢筋选用 Φ 8@200
横向受剪承载力计算：
V=G51+ l0=1.58+ 0.95=12.1KN
截面尺寸验算 h w=h0=95mm h w/b=0.0954.0
KV=1.212.10.25fcbho=0.2511.9100095=283KN 截面尺寸满足规定
截面抗剪腹筋计算：
VC=0.7ftbh0=0.71.27100095=84.5KN
故无需按计算拟定腹筋。
侧墙计算
将侧墙简化为一端固支悬臂梁，由于单宽截面风荷载较小，忽略不计，如图

校核水深时为最不利状况，初估为单筋截面c=25mm,a=30mm,h0=h-a=270-30=240mm

=0.44

ρ= 选配 12@200（）
沿墙方向配置Φ 8@200构造筋
抗裂验算：
受弯构件正截面在即将开裂的瞬间，受拉区边沿的应变达成混凝土的极限拉伸值，最大拉应力达成混凝土轴心抗拉强度。钢筋混凝土构件的抗裂验算公式如下：

式中
——由荷载标准值按荷载效应组合计算的弯矩值。
αct——混凝土拉应力限制系数，对标准荷载效应组合，αct取为0.85
——混凝土轴心抗拉强度标准值；钢筋ftk=1.78 N/mm2
——换算截面面积，，其中为刚弹性模量与混凝土弹性模量之比，既；为钢筋截面面积，由承载力计算拟定；为混凝土截面面积。
W0——换算截面对受拉边沿的弹性抵抗距；
——换算截面重心轴至受压边沿的距离；
——换算截面对其重心轴的惯性距；
混凝土的标号为,钢筋为HRB400，则，。

αE=Ec=2.02.8×104=7.14 ρ=AS/bh0= 作为单筋矩形截面采用近似计算：
y0=(0.5+0.425αEρ)h=(0.5+0.425×7.14×0.0024) ×270=137mm
I0=(0.0833+0.19αEρ)bh3
=(0.0833+0.19×7.14×0.0024)×1000× 2703=1704×106mm4
根据《水工混凝土结构设计规范》，选取值γm。
γm=1.55，在γm值附表中指出，根据h值的不同应对γm值进行修正。
修正系数取1.1, γm=1.71
MK=33.3KN.m

需进行槽身横向限裂验算。
标准荷载效应弯矩值MK=M/=33.3 kN.m
对于受弯构件钢筋应力：
===253.2N/
有效配筋率计算：
===0.0113＜0.03 取0.03
=30+c+0.07） 受弯构件其中取2.1，
=2.1（2530+0.07）=0.21mm＜0.25mm，故抗裂符合设计规定。
底板计算
底板配筋计算：
最不利工况为半槽水深时，a=a′=30mm
N=0.5
=0.51.2=16.07KN
M=q水2-0.5g21l02+(g31+1.2)B2/8
=(12.86+1.29.81.5)2/8-1.29.8(3.35/2)3/6
-0.53.270.82=32.52 KN.m
判断大小偏心
e0=M/N=32.52/16.07=2.02m>0.5h-a=0.12m
属于大偏压构件，e′=0.5h-a′+e0=0.15-0.03+2.02=2.14m
e=-0.5h+a+e0=-0.15+0.03+2.02=1.9m

按最小配筋率配，选配AS′为 12@200（565mm2）

说明按所选ASˊ进行计算就不需要混凝土承担任何内力了，这意味着事实上ASˊ的应力不会达成屈服强度，所以按x<2aˊ计算AS

<ρminbh0

故配筋 12@200（565mm2）
底板限裂计算：
标准荷载效应弯矩值MK=M/=27.1 kN.m
es=-0.5h+a+e0=-0.15+0.03+1.21=1.9m
对于偏拉构件钢筋应力：
= =16.07=213 N/
有效配筋率计算：
===0.009＜0.03 取0.03
=30+c+0.07） 偏拉构件其中取2.4，
=2.4（2530+0.07）=0.2mm＜0.25mm，故抗裂符合设计规定。
渡槽纵向
纵向承载力计算时可取矩形截面简支梁计算，取对称结构计算，荷载全取荷载的一半，满槽水时为最不利工况，如图所示

纵向横截面简化图 纵向纵截面简化图

L=15m,每边支座宽取50cm，Ln=15-2×0.5=14m,L0=1.05× Ln=14.7m
纵向抗弯计算：
a取70mm,则h0=h-a=2800-70=2730mm
M=（g1+g22+g底板/2+q42+g52+q62/2）l02/8
=(17.76+2.63+0.5×25×3.7×0.3×1.05+3+1.52+80.25/2)×14.72
=2150.4KN.m

=0.44

其中AS/4配给底板，3AS/4配给侧墙，底板配 8@250（802）
侧墙配4 20+2 25（）,构造钢筋配Φ8@200.
纵向受剪承载力计算：
V= （g1+g22+g底板/2+q42+g52+q62/2）ln=557KN
截面尺寸验算 h w=h0=2730mm h w/b=10.16.0
KV=1.25570.25fcbho=0.2511.92702730=1754.3KN 截面尺寸满足规定
截面抗剪腹筋计算：
VC=0.7ftbh0=0.71.272730270=655.3KN
故需按计算拟定腹筋。
由于KV- VC=ASbfy
即ASb=（KV- VC）/( fy)=46.7×1000/(360)=183mm2
为了改善抗剪，由纵筋弯起2 25（982mm2）满足设计第一排弯起钢筋的起弯点离支座边沿的距离为s1+h-a-a′,其中s1=100mm<smax,a′=35mm,a=70mm, s1+h-a-a′= 100+2800-70-35=2795mm
该截面上的剪力设计值V=557-79.6×2.795=334.5KN<(Vsb+VC)/K
=585KN 不需要弯起第二排。
纵向限裂计算：
标准荷载效应弯矩值MK=M/=2150.4kN.m
对于受弯构件钢筋应力：
===337.8N/
有效配筋率计算：
===0.124＜0.03 取0.03
=30+c+0.07） 受弯构件其中取2.1，
=2.1（2530+0.07）=0.2mm＜0.25mm，故抗裂符合设计规定。
构件变形计算：
抗弯刚度Bs=(0.025+0.28αeρ)Ecbh03 其中αE=Ec=2.02.8×104=7.14 ρ=AS/bh0=2680/(270×2730)
Bs=(0.025+0.287.140.0036)10427027303=4.95N.mm2
抗弯刚度：B=0.65 Bs=3.22N.mm2
挠度f= S为与荷载形式，支承条件有关系数，此处S取
l0为梁的计算跨度，带入数据得：
=15<flim=l0/600=24.5mm满足规定。

排架设计
排架形式及尺寸的选择
采用C25混凝土，H=5m，B=3.7m，排架短边=0.4m，长边=1.0m，h横梁梁高=0.4m，梁宽=0.3m，牛腿h=0.5m，牛腿处倾角θ=，牛腿长度c=0.25m。

排架布置图
排架荷载计算
4.2.3.1、槽壳自重
=17.76×2+2.63×2+0.5×25×3.7×0.3×1.05+3×2+1.58×2=64.5，=64.5×15=967.6
满槽水重
满槽水深时值水重设计值（h=2.5m） =1102.5×1.1=1212.8
排架自重
经计算排架的自重=（0.3×0.5×4.6×25×2+0.3×0.4×3.7×25+0.3×0.75×0.25×25×2）×1.05=50.8

风荷载计算
A、作用于槽身的横向风压力
作用于槽身的风荷载强度标准值按下列公式（4-4）计算：
= （4-4）
式中：W0--为基本风压值，根据资料取35kg/m2（即0.35kN/m2）；
μs--为风载体形系数，本渡槽为矩形槽身，H/B=2.79/4=0.7，根据《渡槽》①中的表1-6可查得空槽时取1.70，满槽时取1.74；
μz--为风压高度系数，由于槽身的迎风面距地面约5m，参考《渡槽》中的表1-5可近似取其值为1.0
μt--为地形、地理条件系数，此处取1.0,；
βz--为风振系数，其值由自振周期T1决定，T1由下式（4-5）计算：
=3.63 (4-5)
式中：H--为槽身重心至地面高度（m）
M--为搁置于排架顶部的槽身质量(空槽情况)或槽身及槽中满槽水的总质量（kg），此处βz取1.0
E--为排架材料的弹性模量（N/m2），近似取C25混凝土的弹性模量2.8×1010N/m2；
J--为排架横截面的惯性矩（m4）4；
A--为排架的横截面面积（m2）；
ρ--为排架材料的密度（kg/m3），取钢筋混凝土密度2.5×103kg/m3；由此可计算出自振周期：
将上述各参数的取值代入公式（4-4）可计算得：
=1.0×1.3×1.0×1.0×0.4=0.52 kN/m2
由于风荷载为活荷载，则槽身风荷载强度设计值：
==1.2×0.52=0.624kN/m2
已知槽身高2.5m，一节槽身长15m（涉及两端伸缩缝长度），则作用于槽身上的横向风压力设计值为：
=2.5×15×0.624=7.8 kN 可以近似的看作是通过摩阻作用传至立柱顶端的槽身横向风压P1
B、作用于排架的横向风压力可忽略不计
C、槽身在风荷载PZ的作用下传递给排架的铅直力P’忽略不计
作用排架节点上的荷载
计算工况的拟定
A、满槽水加横向风压力
B、空槽加横向风压力
内力计算
因铅直向节点荷载只使立柱产生轴向力，水平向节点荷载是反对称的，而结构是对称的，故可取一半按图4—2，用“无剪力分派法”计算排架的内力。

排架内力计算简图
排架的内力计算
满槽水加横向风压力
根据前面的荷载计算，可用结构力学求解器求得排架的各种内力。
对于立柱抗拉刚度EA1=2.8×1010×0.5×0.3=0.42×1010N；
抗弯刚度EI1=2.8×1010×0.5×0.33/12=3.15×107；
对于横梁有抗拉刚度EA2=2.8×1010×0.3×0.4=0.336×1010N；
抗弯刚度EI2=2.8×1010×0.3×0.43/12=4.48×107。
内力计算结果如下图所示：
单位（M:KN.M N:KN）

（1）排架弯矩图（满槽） （2）排架轴力图（满槽）

（3）排架剪力图（满槽）

排架内力计算图（满槽）

空槽加横向风压力
空槽加横向风压力时的内力计算同满槽时的计算方法同样，只是槽身传到立柱顶部的集中力减小，计算结果如下图所示：

（1）排架弯矩图（空槽） （2）排架剪力图（空槽）

（3）排架轴力图（空槽）

排架内力计算图（空槽）

排架配筋计算
立柱的配筋计算
正截面：立柱尺寸h=300mm，b=500mm，选用HRB400钢筋，ft=360N/mm2由于渡槽的环境类别为二类，可取混凝土保护层厚度c= c′=35mm，预估钢筋钢筋布置一排，所以受力钢筋合力作用点到梁受拉边沿的距离a=a′=40 mm；将立柱视为一端固定一端为不移动的铰接，则计算长度l0=0.7H=0.7×5=3.5m，计算高度=h-a=300-40=260mm
立柱顺槽向配筋
初始偏心距
=M/N=75.9/1790.71=0.042m>h0/30=0.09m 故按实际偏心距计算。
偏心距增大系数
由于l0 /h=3.5/0.3=11.7＞8，故应考虑纵向弯曲影响。
===0.415
=1.15-0.01/h=1.15-0.01×11.7=1.38>1 取=1.0
由此可计算得偏心距增大系数
η=1+
=1+×0.415×1.0=1.33
η=1.33×0.042=56mm<0.3=0.3×260=78mm
故按小偏心受压构件进行计算。
由于风荷载方向的不拟定性，立柱采用对称配筋即钢筋面积、
=0.518
e=η+-a=56+300/2-40=166mm
ξ=+=0.308+0.518=0.826
==
= =2042
选配4 16+ 4 20 钢筋（=2060），ρ===1.5％＞=0.20％，基本满足规定
斜截面：
验算截面尺寸：
（0.25b）=×（0.25×11.9×500×260）=322.3kN＞V=40.59 kN，截面尺寸满足规定。
由于立柱受压，故应配置箍筋，选配Φ8@250的箍筋。

横梁的配筋计算
横梁按受弯构件进行配筋计算：
正截面：由于渡槽的环境类别为二类，可取混凝土保护层厚度c=35mm，预估钢筋布置一排，取a=40mm；因此截面的有效高度=400-40=360mm。
截面抵抗拒系数：
===0.197
ξ=1-=0.222＜0.85=0.440，不会发生超筋破坏。
纵向受力钢筋面积：
=ξb=0.222××300×360=793
配筋率： ρ===0.734％＞=0.2％，满足规定。
选配6 14（=923）
斜截面：支座边最大剪力设计值
=（0.7b）=×（0.7×1.27×300×360）=80.01 kN＞v=40.59 kN
故斜截面抗剪满足规定,只需按构造规定配置Φ8@200的箍筋。
排架的纵向计算
排架一端槽身已就位，另一端尚未吊装的情况（无水）
半节槽身重/2=967.6/2=483.8kN，考虑到施工荷载，取动力系数n=1.3，则该情况下的荷载N=1.3×483.8=628.9kN，偏心距e0=250mm。
偏心距增大系数
由于l0 /h=3.5/0.5=7<8
η=1.0
η=1.0×250=250mm＞0.3=0.3×460=138mm
故按大偏心受压构件进行计算。
配筋计算
由于施工顺序的不拟定性，立柱采用对称配筋，则截面受压高度：
x===211.4mm＜=0.518×460=238.3mm
故属于大偏心受压构件，且x=211.4mm>2a=2×40=80mm。
钢筋面积、
=0.518
e=η+-a=250+500/2-40=460mm
=
= ＜0
故按最小配筋率配筋，=0.2％×500×300=300
故原立柱的配筋能满足规定。
无水平风向荷载作用，仅渡槽最大垂直荷载作用下，立柱为轴心受压状态。
此时按轴心受压长住进行承载力复核，l0/b=7，根据《水工混凝土结构》中查得轴心受压柱稳定系数φ=1.0，则有：
=φ（+）=1.0（11.9500300+3602046）=2101 kN
最大垂直荷载N=1115.6 kN，故原配筋满足规定。

牛腿的抗剪复核：
545.1KN
取β=0.80，ftk=1.78
，
b=300mm，a=-500×1/3+250+20=103.33（mm），
h0=500-35=465（mm）
(1-0.5)
= (1-0.5) =274.23KN尺寸不符合。换成800,
(1-0.5×)
= (1-0.5×)=463.8尺寸符合规定。
=475 mm2
选3 14，As=461mm2。
排架基础的结构计算
排架基础尺寸的拟定
基础半的面积应满足地基承载力规定，横槽向的长度L和顺槽向的宽度B，可按以下经验公式初步拟定
B≥3b1，L≥s+5h1 式中：
s——两肢柱间的净距；
b1，h1——肢柱横截面长边和短边的边长。
s=2.36m，b1=0.5m，h1=0.4m，则
B≥3×0.5=1.5m，取B=4.0m。
L≥2.36+5×0.4=4.36m，取L=6.0m。
简图如下“

排架基础的荷载组合
荷载组合最不利情况为满槽加风荷载
N=1790.71KN
h=75.9+75.9+27.81=167.4
基底反力计算

得
=156.2

=142.3
在长边方向，可把基础当做以支柱为支座的倒双悬臂梁计算，作用的荷载为基底净反力。取c=35mm a=45mm b=4m
考虑最不利界面，q= b=156.24.0=624.8KN/m
M1=0.5ql2=0.5624.81.352=569.3
===0.016
ξ=1-=0.016＜0.85=0.440，不会发生超筋破坏。
纵向受力钢筋面积：
=ξb=0.016××4000×955=2023
配筋率： ρ===0.05％=0.2％，按最小配筋率配筋，即满足规定。
短边方向，看作固定在柱边悬臂梁计算，取单宽1m
P=
q=ph=149.34=597 KN/m M1=0.5ql2=0.55971.352=544
===0.06
ξ=1-=0.062＜0.85=0.440，不会发生超筋破坏。
纵向受力钢筋面积：
=ξb=0.062××1000×955=1957
ρ===0.2％=0.2％，满足规定。