Проектирование камеры шлюза

Курсовой проект - Водные пути и порты.doc

Глава 2. Установление расчетного напора выбор типа и определение габаритных размеров камеры и отметок поров голов.
Глава 3. Расположение шлюза в гидроузле схемы верхового и низового подходов к шлюзу.
2 Причальные и направляющие сооружения.
3 Грузопропускная способность шлюзов.
4 Выбор системы питания типов камер и голов.
5 Гидравлический расчет водопроводной системы шлюза.
6 Головная система питания – наполнение камеры шлюза.
Глава 4. Статические расчеты отдельных элементов шлюза.
1 Назначение предварительных размеров.
3 Общие положения расчета.
5 Расчет стен камеры шлюза по первой группе предельных состояний.
6 Расчет стен камеры по предельным состояниям 2-ой группы.
7 Расчет неразрезного днища камеры шлюза.
Глава 5. Расчет прочности сечения днища. Подбор арматуры.
1 Эксплуатационный случай.
3 Расчет днища на образование трещин.
4 Расчет днища на раскрытие трещин.
Список используемой литературы
Рациональное проектирование судоходных шлюзов в гидроэнергетических воднотранспортных и комплексных узлах сооружений а также на искусственных водных путях должно обеспечить нормальные условия их эксплуатации при наименьших объёмах капиталовложений. Это достигается главным образом правильным выбором типа шлюза и компоновки его в гидроузле системы его питания основных конструкций и схем оборудования наиболее отвечающих заданному напору на сооружение а также природным и производственным условиям.
Цель данного курсового проекта – научиться на конкретном примере:
-выбирать при заданном напоре на гидроузле тип шлюза и определять полезные размеры его камеры в соответствии с заданным расчётным составом судов и грузооборотом;
-располагать судоходные сооружения в гидроузле с учётом топографических гидрологических и геологических условий (задание курсового проекта по ГС);
-выбирать рациональные системы питания шлюза типы стен и днища камеры схемы голов и их оборудования типы сооружений в подходах;
-производить основные (специфические для судоходных шлюзов) гидравлические и статические расчёты.
Установление расчетного напора выбор типа и определение габаритных размеров камеры и отметок порогов голов
Расчётный напор на шлюзе устанавливается с учётом колебаний уровней верхнего и нижнего бьефов. Максимальный напор на шлюз определяется как разность между отметкой НПУ и отметкой НБмин.
Hd=НПУ-НБмин= 108-96=12 м
Наиболее целесообразным для эксплуатации является однокамерный шлюз который при сооружении гидроузла на судоходной реке облегчает пропуск судов во время судоходства. В практике шлюзостроения однокамерные шлюзы всегда возводились на нескальных грунтах основания при напорах от 18 до 20 м.
Габаритные размеры шлюзов определяются в соответствии с заданным расчетным составом судов.
Полезная длина камеры lсef определяется по формуле
где - сумма длин шлюзуемых одновременно расчетных судов установленных в камере шлюза в кильватер;
n – число одновременно шлюзуемых судов устанавливаемых в камере шлюза в кильватер;
Границы полезной длины камеры шлюза с верховой ее стороны при распределительной системе питания следует считать низовую грань стенки падения или шкафной части головы.
Границы полезной длины камеры шлюза с низовой ее стороны следует считать верховую грань шкафной части головы.
Полезная ширина камеры шлюза:
где - сумма ширин используемых одновременно (рядом стоящих) расчетных судов
Dbs – запас по ширине камеры с каждой стороны от группы шлюзующихся судов.
Dbs=04 – для шлюза с шириной от 10 до 18 метров
Глубина на порогах шлюза отсчитываемая от расчетного наинизшего судоходного уровня может быть определена по формуле:
где S – статическая осадка расчетного судна при полной загрузке.
Стандартный размер камеры шлюза: bcef=15 м; hl=35м.
порога верхней головы = НПУ–01Hd–hl=108–01×12–35=1032м
порога нижней головы = НБмин – hl = 96 – 35= 925м
Подмостовой габарит hbr= 115 м по ГОСТ 26775-85 при III классе водного пути.
Расположение шлюза в гидроузле схемы верхового и низового подходов к шлюзу
Участки подходов сверху и снизу непосредственно примыкающие к шлюзу проектируются прямолинейными длиной не менее величины
lst = 7×lk = 7×150 = 1050м
Ось прямолинейного участка подходного канала сопрягается с осью судоходного хода в реке по криволинейному очертанию с радиусом траектории центра тяжести судна равным при одиночном расчетном судне не менее пяти длин расчетного одиночного судна: r = 5×ls = 5×85 = 425м.
Размеры и очертания подходов к шлюзам в плане должны обеспечивать расхождение шлюзуемых судов при двусторонним движении. Ширину судового хода подходных участков однониточных шлюзов на уровне расчетной глубины при расчетном наинизшем судоходном уровне принимают не менее:
b = 13×(bs1 + bs2) где bs1 и bs2 – расчетные ширины расходящихся судов которые принимаются равными bs = 13м;
Расчетная глубина судового хода подходных каналов принимаются равной не менее 13 статической осадки расчетного судна в полном грузу:
Sk = 13×S = 13×25 = 325м;
Длина верхнего (нижнего) участка подхода в пределах которого предусматривается расхождение встречных судов должна быть не менее:
ld = l1 + l2 + l3 где
l2 – длина участка на котором судно при встречном движении переходит с оси шлюза на ось судоходного хода в канале
где r – радиус траектории центра тяжести судна = 425м; с – смещение оси судового хода в канале относительно оси шлюза при входе или при выходе.
с ³ 12×bs + 05×Db где Db = 035×
с = 12×13 + 05×595 = 186м;
Переходной участок l4 между уширенным bу участком с прямолинейным движением судов (шириной b) должен иметь длину не менее 20×Db = 20×595 = 119м.
2 Причальные и направляющие сооружения
При несимметричных подходных каналах причальную линию следует располагать на продолжении лицевой грани устоев голов шлюза. По концам причальных сооружений предусматривают криволинейные участки (с радиусом не менее 02×ls = 02×85 = 17м) сопрягающиеся с берегом канала.
Длина причальной линии шлюзов при двустороннем движении:
lm = 05×ls + l2 + – g×ls
где g – коэффициент принимаемый 02 при расположении причала на защищенном от ветровой волны участка подходного канала.
lm = 05×85 + 1962 + 103 – 02×85 = 3247м.
Для плавного перехода от ширины подходных каналов к ширине камеры предусматривают устройство направляющих пал длиной (0305)×ls = 05×85 = 40м.
3 Грузопропускная способность шлюзов
Эксплуатационная грузопропускная способность шлюза в навигацию определяется по формуле:
где m = 1 – число барж в составе;
N = 210– продолжительность навигации (сутки);
d = (06 08) – коэффициент полезного использования грузоподъемности судов равной отношению средней загрузки судов к их полной грузоподъемности (d = Рср ) принимается в курсовом проекте d = 075;
j = 15 – коэффициент неравномерности подходов грузовых составов к шлюзу;
nгр – суточное число грузовых шлюзований:
nгр = n – n0 = 46 – 12 = 34; где
n0 = 12 – число шлюзований в сутки пассажирских служебных и порожних судов;
n = = (23×60)3025 = 460 - расчетное число суточных шлюзований для однокамерных шлюзов;
tср = 025×tодн + 075×tдв = 025×34 + 075×29 = 3025 мин. – время использования шлюза в сутки;
За время шлюзования принимается время необходимое для разового пропуска через шлюз судна (или групп судов) определяемое продолжительностью следующих операций:
-наполнение и опорожнение камер t;
-открывание и закрывание ворот tв;
-ввод судна в шлюз и вывод из него tвв.tвд.;
-время учалки судна tуч;
Время шлюзования при одностороннем движении судов через однокамерный шлюз:
tодн = tвв. + 2×t + 4×tв + tвд + tуч = 2625 + 2×486 + 4×120 + 191 + 120 = 20255 сек = 34мин.
tв = 2 мин. ( при bcef = 15м.);
tвв = == 2625 сек. = 438 мин;
uвв=08 мс –скорость ввода судна в шлюз принимаем по СНиП 2.06.07-87.
tвд = = =191 сек. = 318 мин;
uвд=11 –скорость вывода судна из шлюза принимаем по СНиП 2.06.07-87.
a = 027 – коэффициент принимаемый для шлюзов с головной системой питания;
Время наполнения камеры шлюза принимается при предварительных расчетах равным времени ее опорожнения;
Время шлюзования при двустороннем движении судов через однокамерный шлюз:
tдв = tвв + t + 2×tв + tвд + tуч = 508 + 486 + 2×120 + 369 + 120 =1723 сек.=29 мин;
tв = 120сек.= 2 мин. ( при bcef 18м.)- открывание и закрывание ворот;
tуч.- время учалки судна (120сек.= 2 мин.)
Грузоподъемность расчетного судна:
= Kb×ls×bs×(S – S0) = 085×85×13×(25-03)= 206635 т.
где Kb = (085 09) – коэффициент полноты водоизмещения;
SS0 – осадка расчетного судна при полной загрузки и порожнего
Эксплуатационная грузопропускная способность шлюза во время навигации составляет:
Рэкспл = = (1×206635×34×210×075)15=73768695т.;
Полученную эксплутационную грузопропускную способность шлюза сопоставим с заданным расчетным грузооборотом:
Рэкспл = 73769 тыс.т. > Ррасч. = 5000 тыс.т.(годовой грузооборот);
Следовательно проектируемый однониточный шлюз справляется с годовым грузооборотом. В перспективе возможен рост грузооборота т.к. грузопропускная способность превышает расчетный грузооборот.
4 Выбор системы питания типов камер
Системы питания судоходных шлюзов должны отвечать следующим требованиям:
- продолжительность наполнения (опорожнения) камеры шлюза должна соответствовать заданной судопропускной способности шлюза;
- режимы наполнения (опорожнения) должны обеспечивать нормальные условия стоянки в камере и работы оборудования нормальные условия стоянки и маневрирования судов в подводных каналах;
- конструкции элементов системы питания должны быть доступны для осмотра и ремонта а также обеспечивать быстрое прекращение наполнения (опорожнения) камеры.
При выборе систем питания необходимо выполнение следующих условий:
Если все эти условия выполняются то следует принять распределительную систему питания. При меньших значениях следует принимать головную систему питания.
Проверяем выполнения этих условий:
Следовательно необходимо принять головную систему питания.
Проектируем тип камеры со сплошным железобетонным днищем жестко связанным с камерными стенами. Тип днища – неразрезной.
При неразрезных днищах докового типа проектируются тонкие камерные стены прямоугольного сечения без продольных галерей в них. На нижних головах используем двустворчатые ворота на верхних – подъемно-опускные.
5 Гидравлический расчет водопроводной системы шлюза
Цель гидравлического расчета – установить основные размеры элементов водопроводной системы шлюза при которых будут обеспечены наполнение и опорожнение камер в течение определенного времени отвечающего пропуску через шлюз заданного грузооборота при удовлетворительных условиях отстоя и маневрирования шлюзующихся судов а также надежной работе конструкций и оборудования.
Гидравлический расчет производится отдельно для наполнения и для опорожнения камеры шлюза.
стены камер – вертикальные;
среднюю площадь камеры – равной:
равномерное открывание водопроводных затворов в течении времени:
где kc = 07 08 - при головном наполнении камер;
kc = 06 07 - при опорожнении камер в нижние подходные каналы;
t – время наполнения (опорожнения) камеры шлюза;
tc = 07×81= 57мин = 342 сек.
Условия отстоя судов оцениваются допускаемыми продольными гидродинамическими усилиями действующими на судно водоизмещением D находящимся при наполнении и опорожнении камеры в неустановившемся потоке.
Водоизмещение расчетного судна в расчетном составе в полном грузу:
D = r×Kb×ls×bs×S = 10×085×85×13×25 = 2348125 кН.
Допускаемые значения продольных гидродинамических усилий (из табл. 3):
D = 2348125 кH; F 1nдоп = 1573.
6 Головная (сосредоточенная) система питания – наполнение камеры шлюза
Рассмотрим порядок расчета водопроводной системы.
Определяется скорость подъема водопроводных затворов при равномерном их поднятии (из условия допустимой величины продольной гидродинамической силы):
где: - площадь живого сечения камеры шлюза при минимальном уровне бьефа ();
- площадь смоченного миделя судна ; здесь - соответственно ширина и осадка расчетного судна при полной загрузке - коэффициент миделевого сечения ();
- наибольший напор на верхние ворота (разность отметок НПУ и порога верхней головы = 4.8 м);
- ширина водопроводного отверстия (принимаем равной ширине камеры);
- ускорение силы тяжести;
- коэффициент расхода водопроводной системы ().
Площадь отверстия при заполнении из-под щита
Заканчивать открывание водопроводных затворов возможно после полного затопления отверстий (наиболее часто встречающийся вариант) т.е.
Для последнего случая:
Полученное время меньше .
Объем камеры гашения при равномерном открывании затворов не затопленных в начале наполнения водопроводных отверстий
где: - измеряется в секундах.
Длина камеры гашения
где: - высота стенки падения.
- коэффициент зависящий от совершенства гасительных устройств.
Длина успокоительного участка камеры при равномерном открывании затворов не затопленных в начале заполнения водопроводных отверстий:
где: - коэффициент зависящий от качества работы гасительных устройств.
Статические расчеты отдельных элементов шлюза
1 Назначение предварительных размеров
В курсовом проекте можно принять отметку застенного дренажа открытого или закрытого типа для однокамерных шлюзов выдвинутых в нижний бьеф на уровне высоких нижнем бьефе гидроузла при котором предусматривается в случае необходимости откачка воды из камеры (102.4м). Этой же отметкой определяется высота ремонтных ворот нижней головы.
Конструктивная толщина железобетонных стен камеры шлюза вверху принимается равной 10 м.
Толщина железобетонных стен камер из монолитного бетона в расчетном сечении их сопряжения с днищем равна:
Толщину днища примем 015Hст = 3м.
Проводим расчёты в I II эксплуатационном и ремонтном расчётных случаях.
Для каждого расчётного случая выбираются наихудшие сочетания действующих нагрузок от давления грунта воды и удара судна. Поскольку камера шлюза находится в нижнем бьефе то уровень воды за стенами принимаем на отметке УНБ (макс. мин.).
В I эксплуатационном случае принимаем что камера наполнена до наивысшего судоходного уровня верхнего бьефа.
В II эксплуатационном случае принимаем что камера наполнена до наинизшего судоходного уровня нижнего бьефа.
В ремонтном случае – камера осушена.
Строительный случай как правило не определяет выбор железобетонных конструкций и площади арматуры. Результаты этого расчёта необходимы для выбора или уточнения той или иной технологии организации строительных работ.
3 Общие положения расчета
Статические расчеты производятся по предельным состояниям I и II группы.
Расчеты по I группе предельных состояний производятся на расчетные нагрузки при нормативных сопротивлениях материала. К ним относятся:
- расчет на устойчивость;
- расчет на прочность.
Расчеты по II группе производятся на нормативные нагрузки при нормативных сопротивлениях материала. К ним относятся:
- расчеты на трещиностойкость;
- расчеты на величины раскрытия трещин.
При расчетах в курсовом проекте учитываем влияние реактивного давления от температурных деформаций стен путем увеличения изгибающего момента в расчетном сечении от давления грунта при песчаной обратной засыпки для стен со сплошным днищем на 30%.
Нагрузки и характеристики для расчета судоходного шлюза.
I эксплуатационный случай
к-т неоднород. или к-т перегрузки
Удельный вес грунта обратной засыпки тсм3
Удельный вес железобетона тсм3
Угол внутреннего трения грунта град.
Коэффициент бокового давления покоя
Боковое давление грунта в целом на глубине
Временная нагрузка тсм2
Давление воды на глубине
Модуль упругости бетона *103 кгссм2
Модуль упругости арматуры *103 кгссм2
Модуль деформации грунта основания кгссм2
В курсовом проекте расчет выполняем в предположении независимой работы стен и передачи всех нагрузок от них на днище. Такую условную схему принято принимать на предварительных расчетах.
Расчет выполняем после составления расчетных схем с действующими нагрузками снятыми с 1 м длины. Результаты расчета заносим в таблицу.
При подсчете вертикальных нагрузок от веса элемента грунта обратной засыпки временной нагрузки следует учитывать в качестве внутренней силы действующей в расчетном сечении фильтрационное противодавление в шве:
b – толщина жб элемента стены;
Н – напор воды со стороны растянутого волокна.
Сосредоточенная горизонтальная нагрузка от удара судна приводится к нагрузке на 1 м в расчетном сечении по формуле:
Нст – расстояние от точки приложения нагрузки до расчетного сечения.
По полученным усилиям (момент нормальные и горизонтальные силы) проводятся расчеты устойчивости отдельно стоящих стен а также расчеты прочности и трещиностойкости жб элементов.
Расчеты стен камер шлюза производятся в табличной форме для каждого расчетного случая:
Эксплуатационный случай
Обозначения нагрузки
Плотность материала тм3
Принимаем по СНиП 2.06.08-87:
- бетон марки с расчетным сопротивлением на сжатие и расчетным сопротивлением на растяжение ;
- арматуру класса А-III с расчетным сопротивлением арматуры на продольное растяжение и расчетным сопротивлением на сжатие ;
Эксплуатационный случай:
- - изгибающий момент
- - расчетная нагрузка
Выполняем расчет внецентренно сжатых элементов прямоугольного сечения.
где - коэффициент сочетания нагрузок равный 1;
- коэффициент надежности сооружения для первого класса равный 1.2;
- коэффициент условия работы равный 1;
- коэффициент условия работы бетона равный 1.1;
- коэффициент условия работы арматуры равный 1.1
Для ремонтного случая подбираем тыловую арматуру:
где - ширина сечения;
- толщина защитного слоя;
- эксцентриситет продольной силы относительно центра тяжести приведенного сечения;
- расстояние от точки приложения до равнодействующей усилий в арматуре;
- высота сжатой зоны сечения (бетона);
Задаем тыловую арматуру: :
Принимаем арматуру 7 ø 40 в один ряд с расчетной площадью
Для эксплуатационного случая подбираем лицевую арматуру:
Задаем лицевую арматуру: :
Принимаем арматуру 7ø18 расчетной площадью
Расчет по образованию трещин производим для лицевых граней элементов шлюза в пределах колебания уровня воды при нормативных нагрузках (расчет выполняется в соответствии с п. 6.2 СНиП 2.02.08-87).
Для внецентренно сжатых элементов расчет по образованию трещин нормальных к продольной оси элемента производим:
где (при однорядном армировании);
- площадь приведенного сечения:
Приведенный статический момент сечения:
- высота растянутой зоны приведенного сечения:
Приведенный момент инерции:
- момент сопротивления приведенного сечения:
- коэффициент учитывающий неупругую работу бетона растянутой зоны определяемый по формуле:
где (по табл. 14 СНиП 2.06.08-87)
- расчетное значение сопротивления бетона на осевое растяжение равное:
Проверяем выполнение условия образования трещин:
Условие выполнено – значит сечение трещиностойкое и в расчетном сечении образование трещин исключено соответственно расчет на раскрытие трещин не нужен.
Для расчета тыловых граней (ремонтный случай) проводим расчет на раскрытие трещин.
Проверяем расчетное сечение на глубину раскрытия трещин со стороны засыпки.
где - расчетная ширина раскрытия трещины мм;
- допустимая ширина раскрытия трещины;
- коэффициент условий работы.
Определяем расчетную ширину раскрытия трещины по формуле:
где - коэффициент принимаемый для внецентренно сжатых элементов равный 1;
- коэффициент учета временного действия нагрузки равный 1.1;
- коэффициент принимаемый при стержневой арматуре периодического профиля равный 1.0;
- напряжения в растянутой арматуре определяемое определенное без учета сопротивления бетона растянутой зоны сечения:
- начальное растягивающие напряжение в арматуре от набухания бетона. Для конструкций находящихся в воде ; для конструкций подверженных длительному высыханию в том числе во время строительства ;
- коэффициент армирования сечения определяемый по формуле:
- диаметр стержней арматуры равный .
Находим значение величины :
Допустимое значение раскрытия трещин . Условие выполняется.
Для камер докового типа на нескальном основании после расчёта стен производится расчёт неразрезного днища как симметрично нагруженной балки на упругом основании шириной вырезанной из плиты днища в поперечном направлении и находящейся в условиях плоской деформации.
Неразрезные днища камер часто имеют показатели гибкости обычно близкие поэтому гибкостью днища можно пренебречь (т.е. балку принимаем абсолютно жёсткой). Тогда расчёт реакции основания заключается в определении значений интенсивностей контактных давлений для единичных значений равномерной нагрузки и боковых пригрузок т.к. симметричные сосредоточенные нагрузки могут быть заменены равномерной а моменты приложенные по концам днища не влияют на реакцию основания под ним.
Предварительно определяем показатель гибкости :
где - модуль деформации грунта основания для песка - ;
- модуль упругости бетона равный ;
- полудлина основания днища равная ;
- толщина днища равная .
Т.к. - гибкостью можно пренебречь следовательно расчет ведем как для жесткого днища.
Действующие нагрузки на днище камеры
Равномерно распределенные нагрузки
Боковая пригрузка от грунта
Ординаты от единичных нагрузок
Ординаты расчетной эпюры от q
Ординаты расчетной эпюры от qпр
Ординаты расчетной суммарной эпюры реакций от всех нагрузок
Сила реакции основания
Проверяем условие равновесия балки:
Эксплуатационный случай: - - (выполняется)
Ремонтный случай: - - (выполняется)
После определения реакций основания и проверки условия равновесия при фактически действующих нагрузках (без учета боковых пригрузок строим для всех расчетных случаев эпюры изгибающих моментов).
Расчет прочности сечения днища. Подбор арматуры.
Расчет прочности ведем по известным изгибающим моментам и нормативной силе . Величина определяется как алгебраическая сумма всех горизонтальных сил действующих на стену и днище и растягивающих усилий от полного фильтрационного противодавления в шве где - напор воды со стороны растянутой грани - толщина днища. Расчет прочности позволяет определить площадь поперечного сечения верхней (эксплуатационной) и нижней (ремонтной) арматуры.
Расчет усилий для сечения II-II:
Расчет внецентренно растянутых элементов следует производить в зависимости от положения продольной силы по формулам для прямоугольных сечений:
- коэффициент сочетания нагрузок равный 1;
Определим расстояние от точки приложения силы до равнодействую-щей усилий в арматуре:
Определим высоту сжатой зоны :
(задаем тыловую арматуру: ø )
Принимаем арматуру øв 2 ряда расчетной площадью
Расчет усилий для сечения I-I:
Определим расстояние от точки приложения силы до равнодействующей усилий арматуре:
(задаем лицевую арматуру ø )
Принимаем двойное армирование (арматуру располагаем в два ряда): ø расчетной площадью
Расчет выполняется в соответствии с п. 6.2 СНиП 2.02.08-87.
Для Внецентренно сжатых элементов расчет по образованию трещин нормальных к продольной оси элемента производим:
Условие не выполнено – значит сечение не трещиностойкое и в расчетном сечении образование трещин не исключено соответственно расчет на раскрытие трещин нужен.
Допустимое значение раскрытия трещин . Условие не выполняется.
СНиП 2.06.08-87. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений. М.:ЦИТП Госстроя СССР 1987.
СниП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования. М.: 1989.
Методические указания к выполнению курсового проекта.
Михайлов А.В. Левачев С.Н. Колесников Ю.М. Статические расчеты камер судоходных шлюзов: Учеб. пособие. М.:МИСИ 1989.

1.dwg

РАЗРЕЗ ПО ОСИ ШЛЮЗА 1-1
РАЗРЕЗ ПО ОСИ ШЛЮЗА 1-1 М 1:250
ПЛАН И РАЗРЕЗ 2-2 М 1:250