水闸泵站挡墙结构计算书.docx
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水闸泵站挡墙结构计算书
目录
1水闸配筋及裂缝计算1
1.1基本情况1
1.1.1主要计算依据规范1
1.1.2计算方法1
1.1.3主要参数的选取5
1.1.4计算软件6
1.1.5基本概况6
1.2闸室段荷载及内力计算6
1.2.1完建无水期6
1.2.2检修期10
1.3闸室段配筋计算及裂缝宽度验算14
1.3.1底板底层14
1.3.2底板面层17
1.3.3边墩19
1.3.4中墩21
1.4箱涵段荷载及内力计算22
1.4.1完建无水期22
1.4.2 检修期26
1.5箱涵段配筋计算及裂缝宽度验算26
1.5.1底板底层26
1.5.2底板面层29
1.5.3顶板面层31
1.5.4顶板底层34
1.5.5边墩外侧36
2箱涵配筋及裂缝计算40
2.1基本情况40
2.1.1主要计算依据规范40
2.1.2计算方法及计算软件40
2.1.3主要参数的选取40
2.1.4基本概况41
2.2荷载及内力计算41
2.2.1完建无水期42
2.2.2校核洪水期47
2.3配筋计算及裂缝宽度验算51
2.3.1底板51
2.3.2箱涵边墩55
2.3.3箱涵中墩58
2.3.4箱涵顶板58
3移动泵房配筋及裂缝计算63
3.1基本情况63
3.1.1主要计算依据规范63
3.1.2计算方法及计算软件63
3.1.3主要参数的选取63
3.1.4基本概况64
3.2荷载及内力计算64
3.2.1荷载计算65
3.2.2内力计算65
3.3配筋计算及抗裂验算67
3.3.1边墩67
3.3.2底板底层69
3.3.3底板面层71
4水闸扶壁式挡墙配筋及裂缝计算73
4.1基本情况73
4.1.1主要计算依据规范73
4.1.2计算方法及计算软件73
4.1.3主要参数的选取73
4.1.4基本概况74
4.2内力计算75
4.2.1内河扶壁挡墙75
4.2.2外河扶壁挡墙78
4.3配筋计算及裂缝宽度验算82
4.3.1内河扶壁挡墙82
4.3.2外河扶壁挡墙91
2.2.3渗流稳定计算119
1水闸配筋及裂缝计算
1.1基本情况
1.1.1主要计算依据规范
（1）《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）；
（2）《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997）；
（3）其他相关规程规范。
1.1.2计算方法
1.1.2.1荷载计算
结构构件的截面承载力设计值按下式计算：
式中：
K——承载力安全系数；
S——荷载效应组合设计值；
R——结构构件的截面承载力设计值。
荷载效应组合设计值按下式计算：
式中：
SG1k——自重、设备等永久荷载标准值产生的荷载效应；
SG2k——土压力、淤沙压力及围岩压力等永久荷载标准值产生的荷载效应；
SQ1k——一般可变荷载标准值产生的荷载效应；
SQ2k——可控制其不超出规定限值的可变荷载标准值产生的荷载效应。
1.1.2.2配筋计算
矩形截面或翼缘位于受拉边的倒T形截面受弯构件正截面受弯承载力按下式计算：
同时，受压区计算高度x应满足下列要求：
式中：
K——承载力安全系数；
M——弯矩设计值（N·mm）；
fc——混凝土轴心抗压强度设计值（N/mm2）；
As、As′——纵向受拉、受压钢筋的截面面积（mm2）；
fy——钢筋抗拉强度设计值（N/mm2）；
fy′——钢筋抗压强度设计值（N/mm2）；
h0——截面有效高度（mm），即纵向受拉钢筋合力点至截面受压边缘距离；
b——矩形截面的宽度或T形截面的腹板宽度（mm）；
as′——受压钢筋合力点至受压区边缘的距离（mm）；
ξb——相对界限受压区计算高度；
Es——钢筋弹性模量（N/mm2）；
xb——界限受压区计算高度（mm）。
1.1.2.3抗裂验算
对于受弯构件，在荷载效应标准组合下，抗裂验算应符合：
式中：
Mk——按荷载标准值计算的弯矩值（N·mm）；
αct——混凝土拉应力限制系数，对荷载效应的标准组合，αct可取为0.85；
ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值（N/mm2）；
γm——截面抵抗矩塑性系数；
αE——钢筋弹性模量与混凝土弹性棤的比值，即αE＝Es/Ec；
W0——换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩（mm3）,W0=I0/（h-y0）；
y0——换算截面重心至受压边缘的距离（mm），参照《水工混凝土设计规范》式7.1.2-3，y0＝（0.5+0.425αEρ）h；
I0——换算截面对其重心轴的惯性矩（mm4），参照《水工混凝土设计规范》式7.1.2-4，I0＝（0.0833+0.19αEρ）bh3；
h——截面全高（mm）；
ρ——纵向受拉钢筋的配筋率，ρ＝As/bh0。
1.1.2.4裂缝宽度验算
配置带肋钢筋的矩形、T形及I形截面受拉、受弯和偏心受压钢筋砼构件在荷载效应标准组合下的最大裂缝宽度ωmax按下式计算：
式中：
α——考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数，对受弯和偏心受压构件，取α＝2.1；对偏心受拉构件，取α＝2.4；对轴心受拉构件，取α＝2.7。
c——最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区边缘的距离（mm），当c>65mm时，取c＝65mm。
d——钢筋直径（mm），当钢筋用不同直径时，式中的d改用换算直径4As/u，此处，u为纵向受拉钢筋截面总周长（mm）。
ρte——纵向受拉钢筋的有效配筋率，当ρte＝As/Ate，当ρte<0.03时，取ρte＝0.03。
Ate——有效受拉混凝土截面面积（mm2），对受弯、偏心受拉及大偏心受压构件，Ate取为其重心与受拉钢筋重心相一致的混凝土面积，即Ate＝2asb，其中as为As重心至截面受拉边缘的距离，b为矩形截面的宽度，对于有翼缘的倒T形及I形截面，b为受拉翼缘宽度；对轴心受拉构件，取Ate为＝2asls，但不大于构件全截面面积，其中as为一侧钢筋重心至截面近边纵的距离，ls为沿截面周边配置的受拉钢筋重心连线的总长度；
As——受拉区纵向钢筋截面面积（mm2），对受弯、偏心受拉及大偏心受压构件，As取受拉区纵向钢筋截面面积；对全截面受拉的偏心受拉构件，As取拉应力较大一侧的钢筋截面面积；对轴心受拉构件，As取全部纵向钢筋截面面积；
σsk——按荷载标准值计算的构件纵向受拉钢筋应力（N/mm2）。
按荷载标准值计算的构件纵向受拉钢筋应力按下式计算：
1轴心受拉构件
2受弯构件
3大偏心受压构件
当
时，可取
。
4偏心受拉构件（矩形截面）
对小偏心受拉构件，上式右边括号内取减号，对大偏心受拉构件，取加号。
式中：
——轴心拉力作用点至纵向受拉钢筋（对全截面受拉的偏心受拉构件，为拉应力较大一侧的钢筋）合力点的距离（mm）；
——轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离（mm）；
——纵向受拉钢筋合力点至受压区合力点的距离（mm）；
——使用阶段的偏心距增大系数；
——截面重心至纵向受拉钢筋合力点的距离（mm）；
——受压翼缘面积与腹板有效面积的比值，
，其中
、
分别为受压翼缘的宽度、高度（mm），当
时，取
。
1.1.3主要参数的选取
参照《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008），水闸闸室配筋计算各主要参数取值如下：
（1）结构所处环境类别：
本工程位于东江中下游的一级支流——沙河与其支流的汇合口处，水闸工作环境按长期处于淡水水位变化区考虑，属三类环境（表3.1.8）；
（2）建筑物级别：
3级，根据初步设计报告，本工程水闸主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级，水闸闸室属主要建筑物，因而按3级建筑物考虑；
（3）混凝土结构构件的承载力安全系数K：
基本组合K＝1.20，偶然组合K＝1.00（表3.2.4），当荷载效应组合由永久荷载控制时，安全系数K增加0.05，本工程水闸自重及设备重、垂直土压力等对结构作用明显，本计算书考虑将安全系数提高0.05，即基本组合K＝1.25，偶然组合K＝1.05；
（4）砼保护层厚度：
对于截面厚度不小于2.5m的底板及墩墙，三类环境下砼保护层最小厚度为50mm，而本工程水闸闸室底板及墩墙厚度均小于2.5m，但考虑到水闸闸室底板底直接与地基土接触，保护层厚度应适当加大，本计算书水闸闸室底板、墩墙砼保护层厚度统一按50mm计（表9.2.1）。
（5）受力钢筋最小配筋率（ρmin）（表9.5.1）：
对于受弯构件、偏心受拉构件的受拉钢筋：
梁为0.20％，板为0.15％；
对于偏心受压构件的受拉或受压钢筋：
墩墙为0.15％。
（6）钢筋砼结构构件最大裂缝宽度限值（ωlim）：
根据《水闸设计规范》（SL265-2001）第7.1.2条规定，处于三类环境条件下的混凝土最大裂缝宽度计算值不应超过0.15mm，此处的三类环境对应于《水工混凝土结构设计规范》（SL/T191-1996）中规定的属于水位变动区，或有侵蚀性地下水的地下环境，适用于本工程水闸的工作环境，因而，水闸闸室的最大裂缝宽度计算值不超过0.15mm计。
（7）除特别注明外，本工程结构砼强度为C25，C25砼轴心抗压强度设计值fc＝11.9N/mm2（表4.1.5），弹性模量Ec＝2.80×104N/mm2（表4.1.7）；
（8）普通热轧钢筋强度设计值（表4.2.3-1）：
HPB235（φ）：
fy=210N/mm2，fy′＝210N/mm2；
HRB335（Φ）：
fy=300N/mm2，fy′＝300N/mm2。
钢筋弹性模量Es（表4.2.4）：
HPB235（φ）：
Es=2.1×105N/mm2；
HRB335（Φ）：
Es=2.0×105N/mm2。
1.1.4计算软件
理正结构工具箱5.62版——平面刚桁架
1.1.5基本概况
本工程水闸为潜孔式，过水断面尺寸为4.5m×4.3m，共2孔，长11.50m，分为闸室段和箱涵段，其中闸室段主要承受荷载有自重、水重、侧向水平土压力、外水压力、内水压力、地基反力等，箱涵段除承受上述荷载外，还承受垂直土压力，本计算书分别对其进行计算，选取结构最不利工况进行配筋计算。
1.2闸室段荷载及内力计算
不同的水位组合下，水闸的地基反力各有不同，本计算书选取下述两种工况进行配筋计算：
工况一：
完建无水期——地下水位平底板底，即－0.30m；
工况二：
检修期——水闸单孔检修，对中墩不利，此时水位取水闸运行时自排最高控制水位3.50m。
1.2.1完建无水期
填土后，地下水位平底板底，此时地基反力最大，对底板及边墩不利（取单宽计算，下同）。
根据前述水闸稳定计算可知，基底应力最大值为117.27kN/m2、最小值为116.12kN/m2，本次计算根据不同的截面位置采用相应的基底应力。
本工程水闸闸室设有两道胸墙，且有工作桥连接，而外侧设有防渗刺墙，均固结于水闸闸墩上，承担了一部分内力，本次计算为偏安全考虑，选取工作桥面板位置处进行计算，桥面板与闸墩固结处视作铰支座，基底应力按最大值计，计算简图如下：
1.2.1.1荷载计算
1）侧向水平土压力标准值：
q1＝γHtg2（45°-φ/2）＝18.5×（5.4-0.1）/3＝32.68kN/m2
则水闸边墩荷载效应组合设计值：
q1设＝1.20×32.68＝39.22kN/m2
2）基底应力标准值：
q2＝117.27－25×0.8＝97.27kN/m2（由于基底应力最大值与最小值相差不大，本计算近拟取为最大值）
水闸底板荷载效应组合设计值：
q2设＝1.20×97.27＝116.72kN/m2
1.2.1.2内力计算
一、设计值
[计算条件]
[计算结果]
单位：
钢混构件宽（B）--------mm
钢混构件高（H）--------mm
钢材截面积（A）--------*10^2mm^2
弯矩--------kN-m
剪力--------kN
二、标准值
[计算条件]
[计算结果]
单位：
钢混构件宽（B）--------mm
钢混构件高（H）--------mm
钢材截面积（A）--------*10^2mm^2
弯矩--------kN-m
剪力--------kN
1.2.2检修期
水闸单孔检修时，水位取为水闸最高自排水位3.50m，此时，对中墩不利，基底应力最大值为80.30kN/m2、最小值为79.15kN/m2，计算时近似取最大应力值80.30kN/m2。
计算简图如下：
1.2.2.1荷载计算
1）侧向水平土压力标准值：
q1＝γH1tg2（45°-φ/2）＝18.5×（5.40-3.50）/3＝11.72kN/m2
q2＝q1＋γ'H2tg2（45°-φ/2）＝11.72＋9.0×（3.50－0.10）/3＝21.92kN/m2
则水闸边墩荷载效应组合设计值：
q1设＝1.20×11.72＝14.06kN/m2
q2设＝1.20×21.92＝26.30kN/m2
2）水平水压力（包括内水压力和外水压力）
外水压力：
标准值q'2＝γ水H2＝10.0×（3.50-0.10）＝34.0kN/m2
设计值q'2设＝1.20×34.0＝40.8kN/m2
内水压力：
标准值q5＝γ水H'2＝10.0×（3.50-0.50）＝30.0kN/m2
设计值q5设＝1.20×30.0＝36.0kN/m2
3）闸室内水重
标准值q4＝γ水H'2＝10.0×（3.50-0.50）＝30.0kN/m2
设计值q4设＝1.20×30.0＝36.0kN/m2
4）基底应力标准值：
q3＝80.30－25×0.8＝60.30kN/m2
水闸底板荷载效应组合设计值：
q3设＝1.20×60.30＝72.36kN/m2（检修工况下，引起基底应力的荷载既有永久荷载（自重、闸门、土压力等），又有可变荷载（水压力等），虽为永久荷载占主体，但偏安全考虑，水闸底板基底应力按一般可变荷载考虑。
）
补充：
对于水闸边墩外侧，高程7.50m～3.50m（水位以上）范围内主要承受水平土压力，3.50m高程处荷载标准值q1＝11.72kN/m2，设计值q1设＝14.06kN/m2；高程3.50～0.10m（水位以下至底板轴线）边墩外侧承受的荷载有水平土压力和水平水压力，底板轴线处合力标准值q2＋q'2＝21.92+34.0＝55.92kN/m2，设计值值q2设＋q'2设＝26.30+40.80＝67.10kN/m2。
1.2.2.2内力计算
一、设计值
[计算条件]
[计算结果]
单位：
钢混构件宽（B）--------mm
钢混构件高（H）--------mm
钢材截面积（A）--------*10^2mm^2
弯矩--------kN-m
剪力--------kN
二、标准值
[计算条件]
[计算结果]
单位：
钢混构件宽（B）--------mm
钢混构件高（H）--------mm
钢材截面积（A）--------*10^2mm^2
弯矩--------kN-m
剪力--------kN
1.3闸室段配筋计算及裂缝宽度验算
1.3.1底板底层
根据前述内力计算可知，闸室段底板底层最大弯矩值出现在完建无水期支座端，荷载为设计值时其值为344.5kN·m，相应剪力值为349.2kN，由于水闸中墩厚1000mm，则构件自身截面的内力折减后弯矩值＝344.5-349.2×1.0/2＝169.9kN·m。
荷载为标准值时，最大弯矩值为287.1kN·m，相应剪力值为291.0kN，则折减后弯矩值＝287.1-291.0×1.0/2＝141.6kN·m。
1.3.1.1配筋计算
水闸底板厚度为800mm，取单宽截面计算，根据前述主要参数的选取可知，混凝土保护层厚度为50mm，估计钢筋直径d＝16mm，排成一排，a＝c＋d/2＝50＋16/2＝58mm，则截面有效高度h0＝h－a＝800－58＝742mm，由上述计算可知，荷载为设计值时闸室段底板折减后最大弯矩值为169.9kN·m，先假设按单筋截面配筋，则受压区配筋As'＝0。
由
，有
1.25×169.9×106＝11.9×1000·x（742－x/2）
由
，有11.9×1000x＝300×As
且要求满足
联立求解得：
x＝24.46mm，As＝970.05mm2
因此，上述假定可满足要求，则配筋率
<
ρmin＝0.15％，为此，最小配筋面积不得小于0.15％×1000×742＝1113mm2，结合截面限裂要求，闸室段底板底层初选Φ16@100（As＝2011mm2）。
1.3.1.2抗裂验算
根据内力计算，荷载为标准值时闸室段底板底层最大弯矩值为141.6kN·m，初选配筋Φ16@100（As＝2011mm2），取单宽截面进行抗裂验算，则截面宽度为1000mm，高度为800mm，计算可知其纵向受拉钢筋实际配筋率
。
查《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）表4.1.7，对于C25砼结构，混凝土弹性模量Ec＝2.80×104N/mm2，查表4.2.4，HRB335级钢筋弹性模量Es＝2.0×105N/mm2，则αE＝Es/Ec＝2.0×105/2.80×104＝7.143，则换算截面重心至受压边缘的距离y0＝（0.5+0.425αEρ）h＝（0.5+0.425×7.143×0.27％）×800＝406.56mm，换算截面对其重心轴的惯性矩I0＝（0.0833+0.19αEρ）bh3＝（0.0833+0.19×7.143×0.27％）×1000×8003＝44,525,751,808.0（mm4），那么换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩W0=I0/（h-y0）＝44,525,751,808.0/（800－406.56）＝113,170,373.65（mm3）。
查附录C表C可知，闸室底板厚度h＝800mm，矩形截面修正系数0.7+300/h＝0.7+300/800＝1.075<1.1，取为1.075，因而，截面抵抗矩的塑性系数γm＝1.55×1.075＝1.666；查表4.1.4可知C25混凝土轴心抗拉强度标准值ftk＝1.78N/mm2，则
＝1.666×0.85×1.78×113,170,373.65＝285,263,807.6N·mm＝285.26kN·mm，而荷载为标准值时弯矩值Mk＝141.6kN·m，小于
，则截面及配筋满足抗裂要求。
但是，由于本水闸裂缝控制宽度参照《水闸设计规范》的要求为0.15mm，较《水工混凝土结构设计规范》中规定的三类环境下0.25mm的限制条件严格得多，为此，需再进行裂缝宽度验算。
1.3.1.3裂缝宽度验算
根据内力计算，荷载为标准值时闸室段底板底层最大弯矩值为141.6kN·m，由上述选配Φ16@100（As＝2011mm2）的钢筋，取单宽截面按受弯构件计算，则α＝2.1；砼保护层厚度为50mm，则最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区边缘的距离c＝50mm；受拉钢筋重心至截面受拉边缘的距离as＝50+16/2＝58mm，则
Ate＝2asb＝2×58×1000＝116000mm2
ρte＝As/Ate＝2011/116000＝0.017<0.03，取为0.03，则
N/mm2
裂缝宽度
=0.134mm<ωlim＝0.15mm，满足要求。
因而，上述初选钢筋可满足裂缝宽度控制要求，即闸室段底板底层选配Φ16@100（As＝2011mm2），分布筋选配Φ12＠200（As＝565mm2），具体配筋详见水闸闸室钢筋图。
补充：
根据《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）第7.2.5条的规定，当验算裂缝宽度控制不满足要求时，可适当增加受拉区纵向钢筋截面面积，但增加的钢筋截面面积不宜超过承载力计算所需纵向钢筋截面面积的30％。
考虑到按照《水闸设计规范》（SL265-2001）第7.1.2条对裂缝宽度的规定较《水工混凝土结构设计规范》表3.2.7中的规定要严格得多，本计算书认为水闸配筋可不受此条限制。
1.3.2底板面层
1.3.2.1配筋计算
水闸底板厚度为800mm，取单宽截面计算，混凝土保护层厚度为50mm，荷载为设计值时闸室段底板面层最大弯矩值为171.9kN·m，配筋计算方法同前，先假设按单筋截面配筋，初选钢筋直径为16，则受压区配筋As'＝0，求得受压区计算高度x＝24.75mm，相对界限受压区计算高度ξb＝0.550，满足x（＝24.75mm）<0.85ξbh0（＝0.85×0.550×（800-50-16/2）＝346.89mm），且x>αs′＝0，因而前述假设成立，即闸室段底板面层按单筋截面配筋，详见下表：
闸室段底板面层配筋计算表
因此，上述假定可满足要求，则配筋率ρ＝0.13％<ρmin＝0.15％，为满足构造要求，闸室段底板面层配筋不得小于As＝0.15％×1000×742＝1113mm2，结合水闸限裂要求，初选Φ16@100（As＝2011mm2）。
1.3.2.2抗裂验算
根据内力计算，荷载为标准值时闸室段底板面层最大弯矩值为143.3kN·m，初选配筋Φ16@100（As＝2011mm2），取单宽截面进行抗裂验算，则
闸室段底板面层正常使用极限状态抗裂验算
编号
项目
符号
数值
备注
1
砼弹性模量（N/mm2）
Ec
28000
C25,表4.1.7
2
钢筋弹性模量（N/mm2）
Es
200000
表4.2.4
3
αE=Es/Ec
αE
7.143
4
受拉区实际配筋率
ρ
0.27%
5
换算截面重心至受压边缘的距离（mm）
y0
406.582
6
换算截面对其重心轴的惯性矩（mm4）
I0
44532831420.87
7
换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩（mm3）
W0
113194702.4
8
砼轴心抗拉强度标准值（N/mm2）
ftk
1.78
C25，表4.1.4
9
修正系数
0.7+300/h
1.075
附录C,表C
10
截面抵抗矩形塑性系数
γm
1.67
11
混凝土拉应力限制系数
αct
0.85
12
γm·αct·ftk·W0（N.mm）
285367948
13
标准弯矩（N.mm）
Mk
143300000
14
判别条件:
Mk≤γm·αct·ftk·W0
满足要求
1.3.2.3裂缝宽度验算
根据前述内力及配筋计算，取单宽截面按受弯构件进行最大裂缝宽度验算，计算方法同前，则
主要参数表
编号
项目
符号
数值
备注
1
最外层纵筋外边缘至受拉区边缘的距离（mm）
c
50
2
钢筋直径（mm）
d
16
3
标准弯矩（kN.m）
Mk
143.3
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