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《林家河渡槽设计与力学计算》开题报告学生：***指导教师：************学院1工程概况***水库灌区引水干渠经***时需要修建一座输水建筑物，经过填方渠道、倒虹吸和渡槽三种方案比较，决定修建渡槽。干渠控制灌区农田面积6.5万亩，根据工程情况和相关规程，确定工程为Ⅲ等工程，主要建筑为3级。1.1地形：林家沟顶宽约120m，沟深约10米。属狭长V型断面。沟内无常年流水，沟内种植有经济作物。耕作深度为1.0m。1.2地质：林家沟沟内为周口店期黄土层，干重度为13－14KN/m2，Φ＝210，C＝24KPa，地基承载力[R]＝290KPa，基础与地基摩擦系数f＝0.31。1.3上、下游渠道资料：上游渠底高程为8m，Q设计＝6.5m3/s，Q加大＝8.1m3/s，i＝1/3500，渡槽上、下游渠底宽2.5m，糙率n＝0.017。上、下游渠道的内、外边坡设计相同，分别为1:1和1:1.5，该渡槽允许水头损失为0.25m，具体的水力要素如表1。渡槽糙率为0.015。表1上、下游渠道过水断面水力要素流量（m3/s）纵坡i底宽b（m）流速v（m/s）堤高H（m）边坡糙率n水深h（m）超高△H（m）渠口宽b（m）Q设计＝6.51/35002.50.861.831:10.0171.330.56.16Q校核＝8.11/35002.50.122.001:10.0171.500.56.502本工程设计的目的和意义本次毕业设计的技术路线和研究方法主要是通过相关工程类比，大量的结构分析和配筋计算来完成，在完成结构设计以后，会结合结构力学求解器软件来对所得结构的应力进行相关的分析。使学生通过此次毕业设计会对渡槽的结构型式，水力学结算，结构力学中的应力计算，配筋计算及其强度校核都有深刻的认识，强化学生对工程的设计步骤及相关内容的了解。3设计的具体内容、步骤和成果首先阅读任务书，大致了解工程相关资料；然后查阅与有关渡槽设计的资料，阅读相关渡槽论文，查找有关渡槽类似的设计方案，列出设计相关步骤，按照林家河相关水文资料制定设计步骤，然后进行相关水力学和结构力学的计算：计算类型主要是手算，并且辅助工具是计算器和计算机；当确定了初步尺寸后，应该进行配筋计算，配筋计算结束后，要结合结构力学求解器对所设计的渡槽进行应力分析。设计相关步骤图如下图所示：3．1进行渡槽总体布置，包括槽身、支撑、基础等结构型式的选择阅读、分析任务书查阅林家河相关地质、水文资料确定渡槽的路线和基本形式结构力学计算水力学计算荷载计算确定各个结构尺寸根据荷载进行结构的配筋计算检验应力强度是否满足要求调整相关尺寸利用有限元进行强度校核3．2水力计算:3.2.1渡槽进出口总水头损失已定情况下的水力计算步骤(1)拟定槽身纵坡ｉ及相应的沿程水头损失Z3=iL，L为槽身长；(2)计算确定槽身宽度B(槽内水深h一般为给定值)；(3)根据槽身宽度B计算渡槽进口水面降落值Z1；(4)根据进口水面降落Z1确定出口水面回升值Z2；(5)计算渡槽进出口总水头损失ΔZ；(6)如ΔZ小于已定的总水头损失值，则加大槽身纵坡，反之则减小槽身纵坡，重复(1)～(5)步骤，直至ΔZ与已定总水头损失值相等时为止；(7)根据最后确定的槽身纵坡、过水断面及进出口水头损失，确定进出口槽底高程及相应的水面高程。3.2.2渡槽进出口总水头损失未限定情况下的水力计算步骤(1)给定槽身纵坡i及水深h(或给定槽身宽度B及水深h)，相应Z3=iL；(2)计算确定槽身宽度B(如给定槽身过水断面，则计算确定槽身纵坡i及相应的Z3=iL)；(3)根据槽身宽度B计算进口水面降落值Z1；(4)根据进口水面降落Z1确定出口水面回升值Z2；(5)计算渡槽进出口总水头损失ΔZ；(6)确定进出口槽底高程及相应水面高程。3.2.3槽身水力计算(1)在槽身水力计算中，槽内水深多为给定值，一般略小于上下游渠道水深，必要时也可等于或略大于上下游渠道水深。(2)槽身水力计算采用明渠均匀流公式：Q=AR2/3i1/2/n(3.1)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=0.013～0.0143.2.4总水头损失计算(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：Z1=Q2/(2gε2φ2A2)-V21/2g(3.2)式中：Z1——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；g——重力加速度。(2)出口水面回升Z2值一般根据进口水面降落按下式计算：Z2=Z1/3(3.3)(3)槽身沿程损失Z3计算：Z3=iL(3.4)式中：i——槽身纵坡；L——槽身长度。(4)槽身进出口总水头损失ΔZ按下式计算：ΔZ=Z1-Z2+Z3(3.5)3.3支撑结构设计3.3.1(1)排架柱截面顺槽方向边长b1可取排架总高H的1/20～1/30，一般采用b1=0.4～0.7m。排架柱截面横槽方向边长h1可取为(0.5～0.7)b1，一般采用h1=0.3m～0.5m。柱顶短悬臂梁(牛腿)悬臂长可取为c=0.5b1，梁高h3≥b1，倾角θ=30°～45°。(2)排架柱间距L主要由槽宽决定；横梁间距大约与排架柱间距相同，一般采用横梁间距为3m～5m。横梁高h2一般采用为(1/6～1/8)L，横梁宽b2可取为(0.5～0.7)h2，或采用与排架柱宽b1相等。(3)排架基础根据不同情况，可采用整体板式基础或钻孔桩基础。3.3.2计算参数(1)排架总高：m；(2)排架柱间距：m；(3)排架层数：；(4)底层横梁间距：m；底层以上各层横梁间距：m；(5)排架柱顺槽方向边长：m；排架柱横槽方向边长：m；(6)横梁高：m；横梁宽：m；(7)上部槽身作用于每一排架柱顶端的垂直荷载：仅计算槽身自重时：kN；自重、人群荷载及设计水深时：kN；自重、人群荷载及校核水深时：kN；(8)风荷计算资料：基本风压：kN/m2；风荷载体型系数：；风压高度变化系数；槽身长：m；槽身侧墙高：m；(9)排架混凝土标号：；(10)钢筋混凝土容重：kN/m3；(11)混凝土轴心抗拉设计强度：MPa；(12)混凝土弯曲抗压设计强度：MPa；(13)钢筋设计强度：kN/cm2；(14)混凝土弹性模量：kN/m2；(15)钢筋混凝土受弯安全系数：。3.3.3横向内力计算3.3.3.1杆端弯矩计算排架为对称结构，可将节点水平荷载T1、T2…等分解为T1/2、T2/2…的对称及反对称两组荷载。对称荷载不产生弯矩，反对称荷载可取结构的一半用无切力分配法列表进行弯矩分配计算，确定各杆端弯矩值。3.3.3.2排架柱轴向力计算(1)各柱段反弯点按下式计算：xi=LiM1/(M1+M2)(3.6)式中：xi——反弯点距柱段上端节点距离；M1及M2——分别为柱段上端及下端弯矩；Li——柱段长(横梁间距)，底层为L0，以上各层为L1。(2)各柱段由水平荷载产生的拉力(迎风侧排架柱)及压力(背风侧排架柱)N′i分别按下式计算：柱段12(自上而下第一层柱)：N′1=T1x1/L(3.7)式中：T1——作用于节点1(排架柱顶端节点)的水平荷载；x1——第一层柱反弯点距节点1的距离；L——排架柱间距。柱段23(第二层柱)：N′2=［T1(L1+x2)+T2x2］/L(3.8)式中：T2——作用于节点2的水平荷载；L1——第一层柱段长；x2——第二层柱反弯点距节点2的距离；其余符号同前。柱段34(第三层柱)：N′3=［T1(2L1+x3)+T2(L1+x3)+T3x3］/L(3.9)式中：T3——作用于节点3的水平荷载；L1——第一层柱段长及第二层柱段长(底层以上各柱段长相等)；x3——第三层柱反弯点距节点3的距离；其余符号同前。以下各层柱之N′i值依此类推计算。(3)各柱段轴向力Ni计算(4)排架柱为偏心受压构件，空槽迎风侧排架柱轴向压力最小，为最不利情况，各柱段轴向力按下列公式计算：柱段12N1=P-P′+P1-N′1(3.10)柱段23N2=P-P′+P1+P2-N′2(3.11)柱段34N3=P-P′+P1+P2+P3-N′3(3.12)以下各柱段之轴向力依此类推计算。各式中：P——为空槽时上部槽身作用于排架柱顶的垂直荷载；P1、P2…——分别为作用于节点1、2…的排架自重，各为该节点相邻的上半柱、下半柱及半跨横梁重之和；其余符号同前。3.3.3.3横向钢筋计算(1)排架柱一般以弯矩最大及轴力最小的柱底截面作为全柱的配筋依据，按对称的偏心受压构件计算配筋。当排架较高时，也可分段计算配筋。计算中，当l0/h1＞8时，应考虑纵向弯曲影响，将轴向力Ni对截面重心的偏心距e0乘以偏心距增大系数η。式中h1为排架柱截面横槽向边长；l0为柱段计算长，按底层柱段计算时为L0，按底层以上各柱段计算时为L1。η值按SDJ20-78式(61)计算。(2)横梁轴向力很小，可按受弯构件计算配筋。3.3.3.4纵向钢筋计算(1)等间距排架，取校核水深情况的背风侧排架柱(轴向压力最大情况)，按轴心受压构件计算配筋。(2)排架间距不相等时，按偏心受压构件计算，并考虑槽身温度应力对排架柱顶产生的摩阻力影响。(3)如施工期间，可能出现仅一侧有槽身荷载作用于柱顶的较大偏心荷载情况，应按偏心受压构件验算配置钢筋。3.4基础设计3.4.1结构尺寸拟定(1)当排架柱作用的垂直荷载较小时，一般采用阶梯形实体基础板；当排架柱作用的垂直荷载较大时，为减少基础板厚，一般采用梁板式基础。(2)基础板面积应满足地基承栽力要求，边长可按下列经验公式初步确定：B≥3b1(3.13)L≥S+5h1(3.14)式中：B及L——分别为基础板顺槽向边长及横槽向边长；b1——排架柱截面顺槽向边长；h1——排架柱截面横槽向边长；S——排架柱净距。(3)基础板厚度由应力验算确定。梁板式基础的板厚h一般采用20cm～30cm；阶梯形基础板的最小厚度根据混凝土的冲切强度按下式确定：KAσt≤0.75Rlbph0(3.15)式中：σt——基底单位面积上的地基反力(可扣除基础自重及其上的土重)，当为偏心荷载时可取最大单位反力；A——考虑冲切荷载时取用的多边形面积；h0——基础冲切破坏锥体的有效高度；Rl——混凝土抗拉设计强度；K——冲切强度安全系数，1级建筑物K=2.3；2、3级建筑物K=2.2；4、5级建筑物K=2.1；bp——冲切破坏锥体斜截面上边长bs与下边长bx的平均值，bp=(bs+bx)/2；bs——冲切破坏锥体斜截面的上边长。当计算柱与基础交接处的冲切强度时，取柱宽；当计算基础变阶处的冲切强度时，取上阶宽；bx——冲切破坏锥体斜截面的下边长。当计算柱与基础交接处的冲切强度时，取柱宽加两倍基础有效高度；当计算基础变阶处的冲切强度时，取上阶宽加两倍该处的基础有效高度。3.4.2地基承载力验算(1)基底压应力按下式计算σmax=N0/(BL)+6M0/(BL2)+q(3.15)σmin=N0/(BL)-6M0/(BL2)+q(3.16)式中：B及L——基础板顺槽向及横槽向边长；q——基础板自重及板上土重之和，按均布荷载考虑；N0——两个排架柱作用于基础板的上部垂直荷载之和，即N0=N1+N2；M0——两个排架柱作用于基础板力矩之和，即M0=M1+M2+(N2-N1)a；N1及N2——分别为左右排架柱作用于基础板的垂直荷载；M1及M2——分别为左右排架柱作用于基础板的力矩，以顺时针旋转为正；a——排架柱距基础板中心距离，左右排架柱之a值相同。(2)基底压应力应小于地基容许承载力。3.4.3内力计算3.4.3.1阶梯形实体基础板横槽向弯矩按下列公式计算左边悬臂段(x≤c)弯矩：M=(σmin-q)Bx2/2+(σmax-σmin)Bx3/(6L)(3.17)跨中段(c≤x≤L-c)弯矩：M=(σmin-q)Bx2/2+(σmax-σmin)Bx3/(6L)+M1-N1(x-c)(3.18)右边悬臂段(x≥L-c)弯矩：M