水工钢筋混凝土结构设计

目录

一、目的........................................................................................................................................... 2 二、课程设计题目：刚架式钢筋混凝土渡槽设计 ....................................................................... 2 三、总体布置： ............................................................................................................................... 3 四、各部计算： ............................................................................................................................... 4 1、人行道板计算： ......................................................................................................................... 4

（1）计算简图： ..................................................................................................................... 4 （2）荷载计算： ..................................................................................................................... 4 （3）内力计算： ..................................................................................................................... 4 （4）截面设计： ..................................................................................................................... 5 2、侧墙计算： ................................................................................................................................. 6

(1)

计算简图： ................................................................................................................... 6

(2)荷载计算： .......................................................................................................................... 6 （3）设计时应考虑最不利荷载组合情况： ......................................................................... 7 （4）截面设计： ................................................................................................................... 10 (5)抗裂验算。 ........................................................................................................................ 10 3、底板计算 ................................................................................................................................... 11

（1）计算简图： ................................................................................................................... 11 （2）荷载计算： ................................................................................................................... 11 （3）内力计算： ................................................................................................................... 12 （4） 截面设计： ................................................................................................................. 12 （5）底板抗裂验算（跨中） ............................................................................................... 14 4、纵梁设计（按塑性理论） ....................................................................................................... 14

1）计算简图： ....................................................................................................................... 14 2）计算荷载： ....................................................................................................................... 15 3）内力计算： ....................................................................................................................... 15 4）截面设计： ....................................................................................................................... 16 5）裂缝宽度验算， ............................................................................................................... 19 6）绘制抵抗弯矩图 ............................................................................................................... 20

一、目的

1、 通过渡槽工程的设计，系统而连贯的运用所学的水工钢筋混凝

土基本构件的计算原理和构造知识，来解决实际问题，并巩固和加深所学的理论知识。 2、

通过设计计算和配筋布置，培养和锻炼学生工作的能力，

树立正确的设计思想——安全、经济、施工便利。

3、通过绘制施工图及估算部分材料表，训练学生制图、识图及估算材料的方法。

二、课程设计题目：刚架式钢筋混凝土渡槽设计

某渠道跨越一洼地，需建一交叉建筑物，根据地形基建筑物使用要求，经过方案比较，拟采用刚架式钢筋混凝土渡槽，渡槽的过水断面为矩形，断面尺寸需经水力计算确定。

结构布置图 渡槽横断面图 设计资料：

1、地点：石河子地区某灌区 2、建筑物级别：Ⅲ 级（K=1.2） 3、计算跨度L0 （7m） 4、槽内正常流量水深H1（2.8m） 5、槽内最大水深H2 （3m） 6、槽身净断面B×H （4.5m×3.5m） 7、洼地底部高程 33m 8、槽底高程 40m

9、风压力 0.4KN/m2 10、冰冻深度 1.2m

11、地基承载力 2.5 N/mm2 12、混凝土强度 C20

13、钢筋： HPB235级 HRB335级

三、总体布置：

1、刚架间距：（即纵梁支座中心至中心）

常用跨度：5—8米 使用跨度：4—10米， 本小组设计跨度L0=7m

2、伸缩缝间距：由（SL/T191-2008）规定，对水工钢筋混凝土渡槽槽身一般不宜超过25米。 3、各构件参考尺寸：

（1）人行道板：计算跨度取1m，自由端板厚60mm，固定端板厚80mm。

人行道板边缘距最危险截面的距离L人行道=900mm

（2）侧墙： 墙顶厚度：根据气温及施工条件不宜小于120mm，取150mm；

墙底厚度：取侧墙高度的1/8—1/14，侧墙高度取H=250mm。

（3）底板：厚度约为板跨的（1/12—1/20），双向板采用较小值。 （4）纵梁：梁高为纵梁跨度的1/8—1/12，梁宽约为梁高的1/2—1/3.5。

四、各部计算：

1、人行道板计算：

（1）计算简图：人行道板为一固结在侧墙上的一端自由的悬臂板。

Q G栏 q人 g自

（2）荷载计算：

永久荷载：自重：G自=25 KN/m3；l=900mm，h平均=70mm 栏杆（沿长度方向）：g栏=0.1KN/m,设栏杆高度l栏=1200mm 可变荷载：行人：G人=2.5 KN/m2； 行人对栏杆水平推力：q人推=0.75 KN/m

（3）内力计算：计算单元取单位宽度b=1000mm=1m的板带；求出固

定端弯矩设计值

g自= G自*h=25 KN/m3*0.07=1.75KN/m G栏= g栏*b=0.1*1=0.1KN q人= G人*b=2.5 *1=2.5 KN/m Q=q人推*b=0.75 *1=0.75 KN

M一=M人堆+γG（ G栏l+ g自l2/2）+γq1 q人l2/2 =0.75*1.2+1.05(0.1*0.9+1.75*0.92/2)+1.20*2.5*0.92/2 =2.95KN·m （4）截面设计： 已知

K=1.2,M=2.954KN·m ， b=1000mm ，h=70mm ，

fc=9.6KN/mm2,fy=300N/mm2 ,查附录1表1，露天环境条件下，环境类别属于二类，查附录4表1得混凝土保护层最小保护层c=25mm，保护层厚度a=c+10=25+10=35mm,h0=h-a=70-35=35mm

αs=

K·Mfc·b·h0

2

1.2×2.945×10=

9.6×1000×35

6

2

=0.301

ξ=1−√1−2αs =1−√1−2×0.301=0.369≤ξb=0.468 满足条件

fc·b·ξ·h09.6×1000×0.369×35𝐴𝑠===413.28mm2

fy300选配钢筋查附录3表2，选配Ф10@180（As=436mm2），单侧共计117根

受力钢筋配筋率应不小于附录4表3中最小配筋率要求，

ρmin=0.15%≤ρ=

Asbh

=

436

35×1000

=1.3%≤ρmax=6%

满足配筋率计算要求

分布钢筋选择Ф6@330 （As=86mm2），单侧共计3根。

2、侧墙计算：

(1) 计算简图：侧墙为一端固结在边纵梁及底板上的悬臂板，顶厚不小于120mm，取150mm，底厚取250mm。

M W Q (2)荷载计算：

永久荷载：人行道板传来的自重荷载

可变荷载：人行道板传来的人行荷载、正常水深压力；加大水深水压力、风压力按下式计算：W=K1×K2×W0（按离地面最高处风载计算，视为作用在侧墙上的均布线荷载）

W0—基本风压，石河子地区W0=0.4 KN/m2 K1—风荷载体型系数，参见下图

槽内有水，K1=0.8 槽内无水，K1=1.3

K2—风压高度变化系数，参见下表：

离地面高度（m） K2

≤2 0.52 5 0.78 10 1.00 15 1.15 20 1.25 30 1.41 （3）设计时应考虑最不利荷载组合情况： H正常=2.8m H加大=3.0m

1正常水深水压力+人行道荷载（包括行人） ○

M qw Q正常 W=0

M水正常=1/6*γ*H12=1/6*9.8*2.83=35.855KN·m

1=M一+ M水正常=2.95+35.855=38.805KN·m M○

2加大水深水压力+人行道荷载（包括行人） ○

M一 qw W=0

Q加大 M水加大=1/6*γ*H22=1/6*9.8*33=44.1KN·m

2= M一+ M水加大=2.954+44.1=46.694 KN·m M○

3正常水深水压力+人行道荷载（无行人）+风荷载 ○

M人行道=0.837KN·m

M水正常=1/6*γ*H12=1/6*9.8*2.83=35.855KN·m 迎风面

M人行道 qw Q正常 风荷载，K1=0.8，K2=1.02，W0=0.4 KN/m2 W= K1·K2·W0=0.8*1.02*0.4=0.32 KN/m2 qw= W/b=0.32/1=0.32 KN/m

2

3迎风=- M水正常+ qw *H/2+ M人行道 M○

=35.855-0.32*3.52/2+0.837=34.7KN·m

背风面

M人行道 qw Q正常

风荷载，K1=0.5，K2=1.02，W0=0.4 KN/m2 W= K1·K2·W0=0.5*1.02*0.4=0.204 KN/m2 qw= W/b=0.204/1=0.204 KN/m

2

3背风= M水正常+ qw *H/2+ M人行道 M○

=35.855+0.204*3.52/2+0.837=37.942 KN·m

4空槽+风荷载（无行人） ○

M人行道=0.837KN·m

M人行道 qw

风荷载，K1=1.3，K2=1.02，W0=0.4 KN/m2 W= K1·K2·W0=1.3*1.02*0.4=0.5304 N/m2 qw= W/b=0.5304/1=0.5304 KN/m

2

4 = qw *H/2+ M人行道 M○

=0.5304*3.52/2+0.837=4.149 KN·m

以上四种情况依次计算，最不利的组合为○2加大水深水压力+人行道荷载（包括行人），M=46.694 KN·m进行截面设计。 （4）截面设计：

现已知K=1.2 ，M=46.694 KN·m， fc=9.6KN/mm2,fy=300N/mm2 h=350mm.b=1000mm,a=35mm,h0=350-35=315mm

αs=

K·Mfc·b·h0

2

1.2×46.496×10=

9.6×1000×315

6

2

=0.059

ξ=1−√1−2αs =1−√1−2×0.059=0.061≤ξb=0.468 fc·b·ξ·h09.6×1000×0.061×315𝐴𝑠===614.9mm2

fy300选配钢筋查附录3表2，受力钢筋宜选用8—12， 选配Ф10@125（As=628mm2），

受力钢筋配筋率应不小于附录4表3中最小配筋率要求， ρmin=0.15%≤ρ=

Asbh

=

628

1000∗315

=0.19%≤ρmax=6%

满足配筋率计算要求 分布钢筋要求在6—8， As分=15%As=15%*628=94.2mm2

选择Ф6@280（ As=101mm2），单侧共计13根， (5)抗裂验算。

在荷载效应标准组合下，act=0.85，Es=2*10^5，Ec=2.55*10^4 aE= Es/ Ec=2*10^5/2.55*10^4=7.84

As628

ρ===0.19%

bh01000∗3155

y0=（0.5+ 0.425*aE*ρ）h=（0.5+0.425*7.84*0.19%）*350 =177.30

I0=（0.0833+0.19 aEρ）bh3

=（0.0833+0.19 *7.84*0.0019）3503*1000=3.699*10^9

查附录五表4截面抵抗矩的塑形系数γm值表:γm=1.1*1.55=1.705 γm* act*ftk*(I0/(h-y0))= 1.705*0.85*1.54*（2.370*10^9/(350-177.3)） =48*106N·mm=48KN·m≥46.697 KN·m 满足抗裂验算。

3、底板计算

（1）计算简图：底板为支承在纵梁上的简支板。

M侧 q水 g M侧

（2）荷载计算：

g板=γbh=25*0.4*1=10 KN/m

侧墙传来：包括人行道板、栏杆、行人、行人水平推力及水压力对侧墙底部产生的弯矩。即M侧=M人行道板+M栏杆+M行人+M水平推力+M侧水其中：M侧水有两种情况： M1=2.954+M正常=2.954+22.326=25.280KN·m M2=2.954+M加大=2.945+52.92=55.874 KN·m

水自重压力：正常水深自重压力按水深是槽宽的一半计算（即H=B/2）；

加大水深自重压力按H2计算。

q水正常=1.2γHb=1.2*9.8*(4.5/2)*1=26.46KN/m q水加大=1.2γH2b=1.2*9.8*3*1=35.28KN/m

（3）内力计算：包括跨中和支座，跨中产生最大弯矩的荷载：按水深是槽宽的一半计算（即H=B/2）；支座产生最大弯矩按加大水深时计算。

正常正常 M中=（g板q水 （H=B/2） ）B2M侧18 = （1.05*10+26.46）*4.52-25.28=68.320 KN·m

加大M支=M侧=-55.87 KN·m

18

M=55.874KN·m 68.320KN·m

（4） 截面设计： 1○

跨中： 已知

K=1.2 ，M=65.427 KN·m，

fc=9.6KN/mm2,fy=300N/mm2

a=c+10=35mm，b=1000mm，h=400mm，h0=h-a=400-35=365mm

αs=

K·Mfc·b·h0

2

1.2×68.320×10=

9.6×1000×365

6

2

=0.0

ξ=1−√1−2αs =1−√1−2×0.0=0.066≤ξb=0.468 fc·b·ξ·h09.6×1000×0.066×365𝐴𝑠===771mm2

fy300选配钢筋查附录3表2，受力钢筋宜选用8—12， 选配Ф10@100（As=785mm2），

受力钢筋配筋率应不小于附录4表3中最小配筋率要求， ρmin=0.15%≤ρ=

Asbh

=

785

1000∗365

=0.22%≤ρmax=6%

满足配筋率计算要求 分布钢筋要求在6—8， As分=15%As=15%*785=117.75mm2

选择Ф6@240（ As=118mm2），单侧共计19根。 2支座：按支座边缘弯矩计算配筋量。 ○

已知K=1.2 ，M=55.874 KN·m， fc=9.6KN/mm2,fy=300N/mm2 a=c+10=35mm，b=1000mm，h=400mm，h0=h-a=400-60=365mm

αs=

K·Mfc·b·h0

2

1.2×55.874×10=

9.6×1000×365

6

2

=0.052

ξ=1−√1−2αs =1−√1−2×0.052=0.053≤ξb=0.468 fc·b·ξ·h09.6×1000×0.053×365

𝐴𝑠===619mm2

fy300选配钢筋查附录3表2，取Ф10@125（As=628mm2）,共计168根。 ρmin=0.15%≤ρ=

Asbh

=

628

1000∗365

=0.17%≤ρmax=6%

满足配筋率计算要求

分布钢筋要求在6—8， As分=15%As=15%*628=94.2mm2

选择Ф6@280（ As=101mm2）,共计17根。 （5）底板抗裂验算（跨中） 在荷载效应标准组合下，act=0.85，

Ec=2.55*104N/mm2 Es=2.0*105 N/mm2 ,ftk=1.45 N/mm2 aE= Es/ Ec=2.0*105/2.55*104=7.84

As628ρ===0.17%

bh01000∗365y0=（0.5+ 0.425*aE*ρ）h=（0.5+0.425*7.84*0.17%）*375 =202.7

I0=（0.0833+0.19 aEρ）bh3=（0.0833+0.19 *7.84*0.17%）3753*1000 =5.522*10^9

查附录五表4截面抵抗矩的塑形系数γm值表:γm=1.1*1.55=1.705 γm* act*ftk*(I0/(h-y0))= 1.705*0.85*1.54*（4.581*10^9/(400-202.7.)） =72.5KN·m≥68.3 KN·m (5) 板中一般不必进行斜截面承载力计算。

(6) 底板的配筋构造，可参考教材第九章，应注意底板配筋间距和侧墙配筋间距的协调，以便施工。

4、纵梁设计（按塑性理论）

1）计算简图：纵梁是以边墩和刚架为支承的多跨连续梁。

q水

Q自 2）计算荷载： 其中：永久荷载：

a、 梁自重（按初拟定尺寸计算）和底板自重，均布线荷载

g栏=0.1KN/m g人行道=1.575 KN/m g侧=25*0.25*3.5/2=21.88 g底板=25*0.4*4.5/2=22.5 g梁=25*b*h=25*0.45*0.9

b、 侧墙和人行道板重（含栏杆）：均布线荷载

可变荷载：水重（取加大水深时计算）：均布线荷载，由侧墙及底板产生传来的扭矩相互抵消所余部分很小，可忽略不计。 q水=66.15 q行人=2.25

c、行人荷载：均布线荷载q行人=2.25

3）内力计算：按附录（弯矩查附录9、剪力查附录6）列表方式进行。

截x/l 面 系数 α α1 α2 α1.05弯矩 最大与最小弯矩 glk20 α11.2kl02 α21.2qqlk20 最大 最小

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0.04 0.06 0.08 0.08 0.08 0.06 0.04 0.00 -0.05 -0.10 -0.06 -0.02 0.01 0.02 0.03 0.04 0.07 0.09 0.10 0.10 0.09 0.07 0.04 0.02 0.02 0.02 0.03 0.06 0.07 0.08 -0.01 -0.01 -0.02 -0.02 -0.03 -0.03 -0.04 -0.04 -0.07 -0.12 -0.07 -0.05 -0.05 -0.05 -0.05 101.19 173.46 216.83 231.28 216.83 173.46 101.19 0.00 -130.10 -2.10 -159.01 -57.82 14.46 57.82 72.28 160.88 281.53 361.97 402.19 402.19 361.97 281.53 161.68 82.05 67.17 60.73 120.66 221.21 281.53 301. -20.11 262.06 81.08 -40.22 454.99 133.24 -60.33 578.80 156.50 -80.44 633.47 150.84 -100.55 619.02 116.28 -120.66 535.43 52.80 -140.77 382.72 -39.58 -161.68 161.68 -161.68 -263.03 -48.05 -393.13 -469.36 -221.93 -758.46 -281.94 -98.27 -440.94 -201.10 62.84 -258.92 -201.10 235.66 -186. -201.10 339.35 -143.28 -201.10 373.92 -128.82

弯矩包络图 758.46 393.13 440.94 258.92 221.93 186. 161.68 143.28 128.82 98.27 48.05 39.58 3.5 4.2 4.9 5.6 6.3 7 7.7 8.4 9.1 9.8 10.5 0 0 0 0.7 1.4 2.1 2.8 -52.80 -62.84 -81.08 1.00-133.24 2.00-156.50 3.00-150.84 4.00-116.28 5.006.007.008.009.00-161.68 10.0011.0012.0013.0014.0015.0016.00-235.66 -262.06 -339.35 -373.92 -382.72 -454.99 -535.43 -578.80 -619.02 -633.47 系列2 系列3 4）截面设计： a、正截面设计： 跨中按T形截面计算

K=1.2，fc=9.6N/mm2,fy=300N/mm2,bf=900mm，h=900mm，hf=400,b=450,h0=h-a=900-700=830mm 第一跨跨中：M=633.4 KN·m。

fc·bf·hf·（h0- hf/2）=9.6*900*400*(830-400/2)=2177.3KN·m＞ KM=1.2*633.4 KN·m第一类T形计算

αs=

K·Mfc·bf·h0

2

1.2×633.4 ×10=

9.6×900×830

6

2

=0.128

ξ=1−√1−2αs =1−√1−2×0.128=0.137≤ξb=0.468 fc·bf·ξ·h09.6×900×0.137×830𝐴𝑠===3275mm2

fy300选配钢筋查附录3表2，取6Ф@25+4Ф@12（As=3397mm2） ρmin=0.15%≤ρ=

Asbh

=

3397900∗900

=0.4%≤ρmax=6%

满足配筋率计算要求

h=900mm，截面长边应放置4Ф12的构造钢筋，并相应放置Ф8@600的拉筋

第二跨跨中：Mmax=373.2KN·m Mmin=-128.82KN·m

αs=

K·Mfc·bf·h0

2

1.2×373.2 ×10=

9.6×900×830

6

2

=0.075

ξ=1−√1−2αs =1−√1−2×0.128=0.078≤ξb=0.468 fc·bf·ξ·h09.6×900×0.078×830𝐴𝑠===18.5mm2

fy300选配钢筋查附录3表2，取4Ф@25（As=19mm2） ρmin=0.15%≤ρ=

Asbh

=

19900∗900

=0.2%≤ρmax=6%

满足配筋率计算要求 支座B：MBmin=-221.93KN·m 同为梁和支座整体连接： MB=ⅠMBminⅠ-0.025lnⅠVBrⅠ

=221.93-0.025*6.6*510.53=137.69KN·m

支座为倒T形，翼缘在受拉区，故b*h=450*900,按矩形计算取a=80mm，

αs=

K·Mfc·bf·h0

2

1.2×137.69 ×10=

9.6×450×820

2

6

=0.057

ξ=1−√1−2αs =1−√1−2×0.057=0.059≤ξb=0.468 fc·bf·ξ·h09.6×450×0.059×820

𝐴𝑠===697mm2

fy300由第一跨弯起2Ф@25（As=982mm2） ρmin=0.15%≤ρ=

Asbh

=

982

450∗820

=0.2%≤ρmax=6%

b、斜截面设计：由计算确定箍筋和弯起筋数量，并由材料抵抗弯矩图确定弯起筋的位置。i

系数 剪力 β β1 β2 VA VBl VBr 0.400 -0.600 0.500 155.760 -233.0 194.700

0.450 -0.550 0.000 -0.050 -0.050 0.500 0.383 -0.617 0.583 最大剪力设计值 最小剪力设计值 B支座左侧 VBl =260.73KN·m

243.778 -297.950 0.000 -27.086 -27.086 270.8 207.482 -334.246 315.827 399.538 -260.726 510.527 128.674 -567.886 194.700 hw/b=(h-70)/b=(900-70)/450=1.8＜4

0.25fc·b·h0=0.25*9.6*450*830=6.4KN＞K·V

截面尺寸符合要求；

计算抗剪试早全梁配置双股Ф12@250，s=250≤smax=250 ρsv=0.25%＞ρsv.min=0.15%

Vc+Vsv=0.7ft·b·h0+1.25fsv·h0·Asv/s

=0.7*1.1*450*830+1.25*210*839*113.1*2/250=484.7KN＞K·VBl=312.9KN

所以B支座左侧无需配置弯起筋，考虑到安全，第一跨弯起1Ф12支梁顶伸入支座 B支座右侧

lB

=1.2*260.73=312.9KN

K ·V

Asb1

r

B

=1.2*510.52=612.＞Vc+Vsv=484.7KN，所以需要配置弯起筋，

𝑟KV𝐵−(𝑉𝐶+𝑉𝑆𝑉)(612.−484.7)×106===603𝑚𝑚2

fysina300×sin45第一跨弯起2Ф25，上弯点在距支座B250mm处， 下弯点在距支座h-2*80+250=990mm

下弯点V2=398.34KN，K·V2=478.0＜Vc+Vsv，无需配置第二排弯起筋； 支座A：

K·VA=1.2*380.78=456、94＜Vc+Vsv，无需配置弯起筋，考虑安全，实际中将跨

中2Ф25弯起至梁顶再伸入支座。

5）裂缝宽度验算，最大裂缝宽度限值参见附录5表1。 第一跨跨中：查附录5表1最大裂缝宽度限值， 二类环境，wmax=0.3mm

ρte=As/Ate=3397/(2*70*450)=0.054

δsk=Mk/(0.87·h0·As)=555.42*10^6/(0.87*830*3397)=226.43N/mm2 𝑤𝑚𝑎𝑥

𝛿𝑠𝑘𝑑=α(30+c+0.07)

𝐸𝑆𝜌𝑡𝑒

226.4318.5

=2.1(30+25+0.07×)=0.19

2×1050.054≤wmax=0.3mm满足钢筋混凝土构件最大裂缝要求。 6）绘制抵抗弯矩图。（见附图）