Проектирование шлюза

Схема 1_1_1_6334.dwg

Схема 1.dwg

Продольный разрез по оси камеры шлюза
Кафедра водного хозяйства и морских портов

шлюзы Андрей.doc

Рациональное проектирование судоходных шлюзов и гидроэнергетических воднотранспортных и комплексных узлах сооружений а также на искусственных водных путях должно обеспечить нормальные условия их эксплуатации при наименьших объемах 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.
Состав данного курсового проекта:
Выбор при заданном напоре на гидроузле типа шлюза и определение полезных размеров его камеры в соответствии с заданным расчетным составом судов и грузооборотом;
Расположение судоходного сооружения в гидроузле с учетом топографических гидрологических и геологических условий;
Выбор рациональной системы питания шлюза типа стен и днища камеры схемы голов и их оборудования типа сооружений в подходах;
Основные (специфические для судоходных шлюзов) гидравлические и статические расчеты.
Установление расчётного 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.
За наинизший (расчётный) навигационный уровень нижнего бьефа (ННУНБ) принимаем отметку равную 13 м. За наивысший навигационный уровень верхнего бьефа принимаем отметку НПУ
Максимальный уровень УНБ=140м.
Максимальный напор на шлюз определяем как разность между отметкой НПУ и отметкой
Учитывая практику шлюзования при напоре на нескальных грунтах основания допускается строить однокамерный шлюз.
Габаритные размеры шлюза определяем в соответствии с заданным расчётным составом судов.
Полезная длина камеры определяется по формуле
– сумма длин шлюзуемых одновременно расчётных судов (один буксир и одна баржа из которых состоит расчётный воз) устанавливаемых в камере шлюза в кильватер;
п – число одновременно шлюзуемых судов устанавливаемых в камере шлюза в кильватер;
– запас по длине камеры с каждой стороны и между судами устанавливаемыми в камере шлюза в кильватер м:
Определяем полезную длину камеры
Полезная ширина камеры определяется по формуле
– сумма ширин используемых одновременно (рядом стоящих) расчётных судов п1;
– запас по ширине камеры с каждой стороны от группы шлюзующихся судов.
Принимаем что в шлюзе стоит один расчётный воз судов тогда полезная ширина камеры шлюза определяется при следовательно запас по ширине принимаем равным не менее 04 м как для шлюзов с шириной камеры от 10 до 18 м:
Глубина на порогах шлюза отсчитываемая от расчётного наинизшего судоходного уровня
s – статическая осадка расчётного судна в полном грузу; за расчётное судно принимаем баржу (sгр = 25 м); определяем глубину на порогах шлюза
Расчётные минимальные размеры камеры шлюза округляем до ближайших больших стандартных размеров камеры приведённых в таблице приложения 3 СНиП 2.06.07-87. Таким образом имеем следующие габаритные размеры камеры:
- полезная ширина камеры шлюза – 15 м;
- полезная длина камеры шлюза – 150 м;
- глубина на порогах шлюза – 35 м.
Для установления отметки порога верхней головы необходимо знать навигационную
сработку верхнего бьефа. Для водохранилищ гидроэнергетических гидроузлов сработка принимается равной 10 15 % от наибольшего напора Hd на них.
порога верхней головы;
порога нижней головы .
Отметку верха устоев верхней головы входящей в состав напорного фронта принимаем как на других сооружениях напорного фронта т.е. на 3 метра выше ФПУ:
устоев верхней головы .
Возвышение верха устоев нижней головы площадок расположенных вдоль стен камер шлюзов причальных и направляющих сооружений над расчётным наивысшим судоходным уровнем воды принимаем 1 метр (как для шлюзов на магистральных водных путях).
Расположение шлюза в гидроузле схемы верхового и низового подходов к шлюзу
Участки подходов сверху и снизу непосредственно примыкающие к шлюзу должны проектироваться прямолинейными длиной не менее величины определяемой по формуле
где – длина шлюза включая головы;
– длина верхнего (нижнего) участка подхода определяемая по обязательному приложению 5 СНиП 2.06.07-87;
– длина расчётного судна
Принимая предварительно длину верхней головы шлюза равной а длину нижней головы – определяем
Ось прямолинейного участка подходного канала должна сопрягаться с осью судового хода в реке по криволинейному очертанию с радиусом траектории центра тяжести судна равным не менее пяти длинам расчётного судна входящего в буксируемый состав. Принимаем
r = 5.ls = 5.85 = 425 M.
Для облегчения конструкции камеры шлюза выдвигаем нижнюю голову шлюза в нижний бьеф с включением в состав напорного фронта верхней головы. По гребню гидроузла проходит автомобильная дорога поэтому для обеспечения необходимого подмостового габарита размещаем автодорогу на нижней голове где надводный габарит должен обеспечиваться только над наивысшим уровнем нижнего бьефа. Подмостовой габарит на магистральных водных путях равен 115 13 метров.
Данные о скоростях течения воды в подходных каналах и в районе их сопряжения с рекой отсутствуют поэтому принимаем что на этом участке направление судового хода пересекает основное направление течения реки под углом
Принимаем без обоснования несимметричную схему подхода к шлюзу для которой необходимо определить длину и расположение относительно оси шлюза причальных линий в подходах сечения подходных каналов на расхождение двух типовых составов судов.
Ширину судового хода подходных участков на уровне расчётной глубины (hl = 35M) при расчётном наинизшем судоходном уровне т. е. на отметке
где и – ширины расходящихся расчётных судов.
Длина верхнего (нижнего) участка подхода в пределах которого предусматривается расхождение встречных судов должна быть не менее
где – длина участка равная ;
– длина участка равная ;
– длина участка на котором судно при встречном движении переходит с оси шлюза на ось судового хода в канале определяемая по формуле
здесь – длина расчётного судна;
r – радиус поворота судна r = 5.
с – смещение оси судового хода в канале относительно оси шлюза при выходе или входе судна. При несимметричном подходе величина смещения с определяется по формуле
где – ширина расчётного судна bs = 13M;
- участки подходов сверху и снизу.
Ширина судового хода на участках и при поочерёдном движении по кривой судов в двух направлениях должна приниматься равной
Переходный участок между уширенным и участком с прямолинейным движением судов (шириной ) должен иметь длину не менее . Принимаем
Причальные и направляющие сооружения
Причальную линию располагаем в пределах участков подходов к шлюзу длиной на продолжении лицевой грани устоев голов шлюза с правой стороны судового хода для входящих в шлюз судов. По концам причальных сооржений предусматриваем криволинейные участки с радиусом равным
сопрягающиеся с берегом канала а также пешеходные мостики по длине причала на расстоянии 200 м друг от друга.
Длина причальной линии шлюзов при двухстороннем движении
где – длина причальной линии принимается от верховой грани верхней головы или низовой грани нижней головы шлюза;
– коэффициент равный нулю при расположении причала на незащищённом от ветровой волны участке.
Для плавного перехода от ширины подходных каналов к ширине камеры устраиваем направляющий пал длиной
Грузопропускная способность шлюза
Эксплуатационная грузопропускная способность шлюза в навигацию т должна быть больше либо равна расчётному годовому грузообороту т:
где – число грузовых судов которые одновременно шлюзуются в камере m = 1
– грузоподъёмность расчётного судна т;
– коэффициент полезного использования грузоподъёмности судов обычно ;
– коэффициент неравномерности подхода грузовых составов к шлюзу
– суточное число грузовых шлюзований;
– продолжительность навигации сут;
Грузоподъёмность расчётного судна определяем по формуле
где – коэффициент полноты водоизмещения ();
– соответственно длина и ширина расчётного судна;
– осадка расчётного судна при полной загрузке и порожнего.
Расчётное число суточных шлюзований для однокамерных шлюзов:
где – время использования шлюза в сутки;
– среднее время одного шлюзования равное
(т. е. принимаем для всех типов судов 25% односторонних и 75% двусторонних шлюзований).
Суточное число грузовых шлюзований
где – число шлюзований порожних пассажирских и служебных судов в сутки.
За время шлюзования принимается время необходимое на разовый пропуск через шлюз расчётного воза определяемое продолжительностью следующих операций:
- наполнение и опорожнение камер – ;
- открывание и закрывание ворот – ;
- ввод судна в шлюз и вывод из него – ;
- время учалки судна – .
Время шлюзования мин при одностороннем движении судов через однокамерный шлюз
Время открывания и закрывания ворот при принимаем равным 20 мин. Скорость ввода судна в камеру и скорость вывода судна из камеры определяем по СНиП 2.06.07-87 (табл. 1 прил.2). Время ввода судна в шлюз . Время вывода судна из шлюза . В курсовом проекте принимаем . Время учалки судна принимается . Для предварительных расчётов в соответствии со СНиП 2.06.07-87 время наполнения камеры принимается равным времени её опорожнения и вычисляется по формуле
где – коэффициент принимаемый для шлюзов с головной системой питания 0.27;
– расчётный напор на камеру м.
При двустороннем движении судов полное время шлюзования одного судна мин:
время наполнения время закрывания ворот и время учалки определяются также как при одностороннем шлюзовании.
Пользуясь приведёнными выше зависимостями принятыми и заданными значениями величин входящих в эти зависимости производим расчёт грузопропускной способности проектируемого шлюза:
Тогда эксплуатационная грузопропускная способность шлюза равна
Следовательно грузопропускной способности шлюза достаточно для того чтобы обеспечить расчётный грузооборот.
Выбор системы питания типов камер и голов
При выборе системы питания исходим из величины напора на шлюз а также габаритных размеров его камер. При значениях и а также следует принимать головную систему систему питания. Имеем:
Принимаем камеру докового типа со сплошным неразрезным днищем.
Нижнюю голову проектируем в виде устоев жёстко связанных с неразрезным днищем.
Гидравлический расчёт водопроводной системы шлюза
Цель гидравлического расчёта – установить основные размеры элементов водопроводной системы шлюза при которых будут обеспечены наполнение и опорожнение камер в течение определённого времени отвечающего пропуску через шлюз заданного грузооборота при удовлетворительных условиях отстоя и маневрирования шлюзующихся судов а также надёжной работе конструкций и оборудования.
Гидравлический расчёт производим отдельно для наполнения и опорожнения камер.
В курсовом проекте принимаем:
а) стены камер вертикальными;
б) среднюю площадь камеры равной
в) равномерное открывание водопроводных затворов в течение времени
– при головной системе питания; ;
– при опорожнении камер в нижние подходные каналы; .
При наполнении камеры время равномерного открывания водопроводных затворов проверяют по условиям отстоя судов.
Условия отстоя судов оцениваются допускаемыми продольными гидродинамическими усилиями действующими на судно водоизмещением D находящееся при наполнении и опорожнении камеры в неустановившемся потоке.
Вычисляем водоизмещение расчетного судна в полном грузу:
где: - плотность воды ;
- коэффициент полноты водоизмещения ;
– длина расчетного судна
– ширина расчетного судна
S – осадка расчетного судна в полном грузу S=25м.
g – ускорение свободного падения g=981.
Тогда D=1000*087*85*13*25=24034т.
По таблице получаем
Наполнение камеры шлюза.
Определяем скорость подъема водопроводных затворов при равномерном поднятии:
где: Ас – площадь живого сечения камеры шлюза при минимальном уровне бъефа
Аms – площадь смоченного миделя судна
где: - коэффициент миделевого сечения
Аms=099*13*25=32175;
Нin – наибольший напор на верхние ворота
- ширина водопроводного отверстия
- коэффициент расхода водопроводной системы
Площадь отверстия при заполнении из под щита:
- ширина камеры шлюза
Заканчивать открывание водопроводных затворов возможно после полного затопления отверстий т.е.
Для вычислений используются следующие формулы:
где: - напор соответствующий моменту затопления водопроводных отверстий
– напор на верхние ворота
Ггрузопропускную способность шлюза не проверяем.
Определяем объем камеры гашения при равномерном открывании затворов не затопленных в начале наполнения водопроводных отверстий:
где: А=0.2 – коэффициент зависящий от совершенства гасительных устройств.
Длина камеры гашения.
где - высота стенки падения
Длина успокоительного участка камеры при равномерном открывании затворов не затопленных в начале заполнения водопроводных отверстий:
где - коэффициент зависящий от качества работы гасительных устройств.
Опорожнение камеры шлюза.
При опорожнении камеры шлюза определяем площадь сечения водопроводных галерей или отверстий:
По условиям маневрирования судов в подходных каналах наибольшие скорости течения в них
не должны превышать 0.8-1.
Здесь: -площадь миделевого сечения двух составов ниже ватерлинии
-площадь поперечного сечения подходного канала
-максимальный расход в походном канале
-т.к. скорость больше 1 необходимо углубить канал до 375м.
Для одиночного однокамерного шлюза расчётная суточная потребность в воде определяется по зависимости:
где – наибольшее расчётное число шлюзований в сутки
– объём сливной призмы при наибольшем расчётном напоре на шлюз равный
Wmax = Ap.Hd = 25425*10 = 25425 м3.
Тогда суточная потребность в воде составляет
К этому количеству воды на шлюзование прибавляются потери на фильтрацию через затворы шлюза. Расчётные значения фильтрационных потерь лс принимаем равными
где – удельная фильтрационная потеря воды на 1 пог. м контура затворов которая принимается равной 4 5 лс для обычных эксплуатационных условий подвижных уплотнений шлюзов при Hd 15 м принимаем ;
– полная длина уплотнений по периметру ворот и затворов головы шлюза равная
Тогда среднесуточный расход воды на шлюзе м3с составляет
Статические расчёты отдельных элементов шлюза
1. Назначение предварительных размеров
Предварительно назначаем основные размеры элементов камер голов и причально-направляющих сооружений в соответствии с рекомендациями методического указания.
Отметку застенного дренажа для однокамерного шлюза выдвинутого в нижний бьеф принимаем на уровне высоких вод в нижнем бьефе гидроузла:
Отметку верха стен камеры шлюза принимаем на 1 м выше отметки
Тогда высота стен камеры шлюза равна
порога нижней головы = 24 – 95 = 145 м.
Конструктивно толщину железобетонных стен камеры вверху принимаем равной 10 м высоту парапета – 12 м. Толщина стен в расчётном сечении их сопряжения с днищем назначается в пределах (0.18 0.22):
bст = 02.Hст = 02.145 = 29 м.
Принимаем bcт = 29м .
Толщину днища камеры принимаем
2. Статические расчёты стен камеры шлюза
Статические расчёты выполняются для уточнения выбранных габаритных размеров сооружения определения площади поперечных сечений и арматуры железобетонных элементов проверки трещиностойкости или величин раскрытия трещин в расчётных сечениях.
Статические расчёты производятся по предельным состояниям первой и второй групп.
К первой группе (по несущей способности или непригодности к эксплуатации) при принятой конструкции камеры и голов шлюза относятся расчёты:
- устойчивости против сдвига нижней головы против всплывания камеры шлюза;
- прочности всех основных элементов конструкции камеры шлюза.
Ко второй группе (по непригодности к нормальной эксплуатации) при принятой конструкции камеры и голов шлюза относятся расчёты:
- трещиностойкости лицевых граней стен и днищ камер;
- величины раскрытия трещин.
При намеченных размерах конструкций шлюза производим поверочный расчёт для двух расчётных случаев: 1-го эксплуатационного – с камерой наполненной до наивысшего судоходного уровня верхнего бьефа при минимальном уровне нижнего бьефа за камерой и ремонтного – с осушенной камерой и отметкой воды за камерой на уровне максимального нижнего бьефа.
В курсовом проекте расчёт выполняем в предположении независимой работы стен и передачи всех нагрузок на днище. Стены камеры шлюза рассчитываем как консольные балки заделанные в сплошное неразрезное днище камеры.
Расчёт внутренних усилий (момента вертикальной и горизонтальной сил) в расчётном сечении сопряжения стены с днищем целесообразно выполнять после составления расчётной схемы с действующими нагрузками снятыми с 1 метра длины камеры.
Данные о расчётных нагрузках для камеры шлюза докового типа принимаем в курсовом проекте в соответствии с информацией из табл. 5 методического указания по заданным нормативным значениям. Расчётные значения усилий определяем умножением их нормативных значений на коэффициент условий работы .
-ый эксплуатационный случай
Боковое давление грунта и нагрузи от навала судна при подходе его к стене камеры шлюза вычисляем по СНиП 2.06.07-87.
Боковое давление вычисляем принимая грунт в состоянии допредельного равновесия (в состоянии покоя):
где – принятый коэффициент бокового давления покоя грунта
– вертикальное давление кПа в грунте у расчётной плоскости (вертикальной) на глубине у
где и – соответственно удельный вес грунта (в случае насыщения грунта водой с учётом взвешивания) и высота i-го слоя грунта у расчётной плоскости
– временная нагрузка на поверхности засыпки кПа принимаем кПа.
Давление воды на стены камеры шлюза кПа на глубине у определяется по формуле
где – удельный вес воды.
Горизонтальные силы от давления грунта кН и силы от давления воды кН определяются построением эпюр давления и нахождением площадей этих эпюр.
Поперечная горизонтальная сила от навала судна принимается равной предельному значению нагрузки на бортовое перекрытие судна кН и определяется по формуле
где – длина наибольшего входящего в состав судна (lsmax = ls = 85 м).
Сосредоточенная горизонтальная нагрузка от навала судна приводится к нагрузке на 1 пог. м в расчётном сечении по формуле
Вертикальная сила от веса грунта находящегося между вертикальной расчётной плоскостью и тыловой гранью стены определяется:
а) для грунта выше уровня грунтовых вод по формуле
б) для грунта ниже уровня грунтовых вод по формуле
где и – удельный вес грунта засыпки соответственно выше и ниже уровня грунтовых вод принимаем
и – площадь грунта соответственно выше и ниже уровня грунтовых вод м2.
Определяя площадь поперечного сечения стены находим её вес
где – удельный вес железобетона принимаем
– площадь сечения стены м2.
В качестве внутренней силы действующей в расчётном сечении учитываем силу фильтрационного противодавления в шве (предполагаем что шов раскрыт)
Расчётная схема с действующими нагрузками для определения усилий показана на рис. 2 (эпюры давления грунта построены при нормативных значениях характеристик грунта).
При помощи расчётной схемы определяем значения действующих нагрузок и изгибающих моментов от них в расчётном сечении. Расчёт сводим в табличную форму:
Обозначение нагрузки
Площадь элемента или эпюры для вычисления нагрузки
Плотность материала g тм3 (10 кНм3)
Плечо относительно середины сечения или точки опрокидывания м
Изгибающий момент тс.м (10 кН.м)
–ый эксплуатационный случай
Вертикальные нагрузки
Фильтрационная сила – Pф
Горизонтальные нагрузки
Давление воды со стороны камеры шлюза – W1
Давление воды со стороны грунта засыпки – W2
Давление грунта выше УГВ – E1
Давление грунта ниже УГВ – E2
Боковое давление вычисляем принимая грунт в состоянии допредельного равновесия (в состоянии покоя). При вычислении бокового давления учитываем распределённую на поверхности засыпки временную нагрузку (принимаем:).
Расчётная схема с действующими нагрузками для определения усилий представлена на рис. 3 (эпюра давления грунта построена при нормативных значениях характеристик грунта временной нагрузки).
Вес грунта выше УГВ – T1
Вес грунта ниже УГВ – T2
Влияние реактивного давления грунта от температурных деформаций стен (при нагреве лицевой грани стены) в курсовом проекте учитываем путём увеличения суммарного изгибающего момента в расчётном сечении на 30% (при песчаном грунте обратной засыпки) суммарный момент относительно середины сечения в этом случае будет равен:
3. Статические расчёты днища камеры шлюза
Для камер докового типа на нескальных основаниях расчёт днища производится как симметрично нагруженной балки на упругом основании шириной 1 м вырезанной из плиты днища в поперечном направлении и находящейся в условиях плоской деформации.
Для расчёта реакции основания на действие приведенной системы нагрузок пользуемся эпюрами и таблицами реакций основания от единичных нагрузок составленными для схем работы балок на упругом сжимаемом слое (Михайлов А. В. «Судоходные шлюзы» изд-во «Транспорт» – 1966 г.). Такие таблицы составлены при разных показателях гибкости днища (от 0 до 50) и относительной мощности упругого слоя конечной толщины (от 0 до 2 и ).
Величину упругого сжимаемого слоя принимаем равной .
– для сплошного днища без галерей
где и – соответственно модуль общей деформации глины и модуль упругости железобетона (по табл.7 методического указания);
l=98м. – полудлина днища
hдн=bдн=22м. – толщина днища.
В результате получаем
Следовательно при расчёте эпюры реакции основания гибкостью днища можно пренебречь т. е. днище считаем абсолютно жёстким (). В этом случае при симметричной конструкции камеры для составления расчетной схемы достаточно определить значения интенсивностей контактных давлений для единичных значений равномерной нагрузки и боковых пригрузок (это и будет составлять приведённую систему сил при расчёте реакции основания) так как симметричные сосредоточенные нагрузки (сумма вертикальных сил полученная при расчёте стен) могут быть заменены равномерной а моменты приложенные по концам днища не влияют на реакцию основания под ним.
Расчёт ординат эпюры реакции основания производим в табличной форме (для ряда характерных сечений на расстоянии 316; 516; 716; 916; 1116; 1316; 1516.
На днище передаются нагрузки действующие на стенку камеры шлюза (SPстгориз SPстверт SMст).
Равномерно распределённая нагрузка действующая на днище:
Максимальная ордината боковой нагрузки (треугольной):
Hзас – высота засыпки стен шлюза грунтом Hзас = 22.65 м;
gгр –удельный вес грунта:
Максимальные ординаты боковой нагрузки (треугольной):
Эксплуатационный случай
Здесь gв – удельный вес воды gв = 10 кНм2;
gb – удельный вес бетона gв = 24 кНм2;
bдн – толщина днища камеры шлюза bдн = 2.2 м.
bст – толщина железобетонных стен камеры шлюза bст = 2.9 м;
L – полуширина днища L = 9.8 м:
SPстверт – сумма вертикальных сил действующих на стену камеры шлюза.
Значения ординат эпюры реакции основания осредненных на участках длинной при tfl ~ 0 полученные по единичным значениям запишем в табличной форме:
Ординаты от единичных нагрузок
Ординаты расчетной эпюры Ssi от соответствующей нагрузки
Ординаты расчётной суммарной эпюры реакций от всех нагрузок Ssi
По полученным данным строим эпюру реакции грунта
После определения реакции основания необходимо произвести проверку условия равновесия:
Эксплуатационный случай:
492 = 37492 – условие выполняется.
367 = 143.67 – условие выполняется.
Следовательно ординаты расчётной суммарной эпюры реакции грунта основания определены верно.
Величина нормальной силы N определяется как алгебраическая сумма всех горизонтальных сил действующих на стену и днище по соответствующим формулам:
SPстгор – сумма горизонтальных сил в эксплуатационном и ремонтном случаях действующих на стену камеры шлюза;
DE2э и DE2р – силы действующие на днище со стороны грунта засыпки соответственно в эксплуатационном и ремонтном случаях. DE2э = 20.64 т DE2р = 21 т;
DW2э и DW2р – силы действующие на днище от грунтовых вод соответственно в эксплуатационном и ремонтном случаях. DW2э = 5.72 т DW2р = 1232 т.
Все нагрузки действующие на днище приводятся к центральной оси днища тогда изгибающий момент равен:
bдн – толщина днища камеры шлюза bдн = 22 м.
DMiE и DMiW – моменты действующие на днище со стороны грунта засыпки и грунтовых вод в эксплуатационном и ремонтном случаях определяемые по формулам:
xi1 xi2 – плечо относительно центральной оси
Построим эпюру моментов методом сечений в днище камеры. Значения ординаты эпюры моментов в каком либо сечении зависит от реакции грунта основания действующего момента относительно центральной оси M равномерно распределённой нагрузки (q – q) сосредоточенной силы (SPстверт + Pф). Эпюра строится от нагрузки P = SPстверт + Pф так как будет большее плечо чем у распределённой нагрузки q.
Эпюра реакции грунта основания на участках длинной L8 заменяется равнодействующей силой (площадь участка). Наибольший интерес представляет днище между внутренними участками стен.
Эпюра моментов в днище камеры шлюза для обоих рассмотренных случаев представлена на
4. Расчёт железобетонных элементов по прочности
Расчёт прочности железобетонных элементов производится по первой группе предельных состояний по найденным расчётным значениям нагрузок. Результатом этого расчёта является определение необходимой (по условиям прочности) площади поперечного сечения арматуры железобетонных элементов.
4.1. Армирование стен камеры шлюза
Рабочая арматура лицевой грани стены подбирается по усилиям полученным в результате статического расчёта стен в 1-ом эксплуатационном случае а рабочая арматура тыловой грани стены – по усилиям полученным в результате статического расчёта стен в ремонтном случае.
Расчёт стен выполняется как расчёт внецентренно-сжатых элементов в соответствии со СНиП 2.06.08–87.
Для прямоугольных сечений расчёт производится по формулам:
Для расчётов принимаем:
–бетон марки В30 с расчётным сопротивлением сжатию при расчёте по предельным состояниям первой группы равным: Rb = 17 МПа;
–арматуру класса A–III при расчёте по предельному состоянию первой группы с расчётным сопротивлением стали: сжатию – растяжению – ;
–gn – коэффициент надёжности gn = 1.25;
–gc – коэффициент условия работы gc = 1.1;
–gb – коэффициент условия работы бетона gb = 1.1;
–gs – коэффициент условия работы арматуры gs = 1.1;
–N – равнодействующая нормальных сил действующих в сечении;
–M – суммарный изгибающий момент в сечении;
–As – площадь сечения арматуры расположенной в растянутой зоне;
–As – площадь сечения арматуры расположенной в сжатой зоне;
–e – расстояние от точки приложения равнодействующей нормальных сил действующих в сечении до центра тяжести растянутой арматуры;
–b – ширина прямоугольного сечения b = 1 м;
–a и a – толщина защитного слоя соответственно растянутой и сжатой арматуры
–h0 – расчётная рабочая высота сечения стены .
В двух приведённых выше уравнениях три неизвестных () поэтому условно предполагаем в первом приближении что арматура устраивается симметрично т. е. рабочая арматура растянутой зоны такая же как арматура сжатой зоны (). В этом случае подбор рабочей арматуры начинаем с грани где действует меньший изгибающий момент. Сопоставляем значения моментов в расчётном сечении (сечение где стена сопрягается с днищем) для эксплуатационного и ремонтного случаев:
Следовательно армирование начинаем с лицевой грани стены.
Расчётные усилия следующие: M = 2689 кН.м N = 36828 кН
С учётом принятого в первом приближении симметричного армирования (As = As) уравнение (2) приобретает вид:
Определяем из полученного выражения высоту сжатой зоны бетона:
Расчёт сечений нормальных к продольной оси элемента когда внешняя сила действует в плоскости оси симметрии сечения и арматура сосредоточена у перпендикулярных к указанной плоскости граней элемента необходимо производить в зависимости от соотношения между относительной высотой сжатой зоны бетона x и относительной граничной высотой сжатой зоны бетона xR. При x = xR предельное состояние наступает одновременно с достижением в растянутой арматуре напряжения равного расчётному сопротивлению арматуры Rs (с учётом соответствующих коэффициентов условий работы арматуры) т.е. происходит мгновенное разрушение элемента. Чтобы этого не происходило изгибаемые элементы должны удовлетворять условию:
Для элементов симметричных относительно плоскости действия момента и нормальной силы армированных ненапрягаемой арматурой значения граничной высоты сжатой зоны принимаются по табл. 16 СНиП 2.06.08–87. При бетоне класса В30 и классе арматуры A–III принимаем xR = 0.6.
Относительная высота сжатой зоны определяется по формуле:
следовательно условие выполняется.
Эксцентриситет относительно середины расчётного сечения составит:
Тогда эксцентриситет относительно центра тяжести растянутой арматуры равен:
Из уравнения (1) выражаем площадь арматуры сжатой зоны (у тыловой грани) и приравниваем ее к арматуре растянутой зоны (у лицевой грани):
Принимаем по сортаменту: 6 28 A–III As = 3965 см2.
Расчётные усилия следующие: M = 50491 кН.м N = 72706 кН
Определяем площадь рабочей (растянутой) арматуры тыловой грани принимая в качестве арматуры сжатой зоны рабочую арматуру лицевой грани.
Из уравнения (1) выражаем высоту сжатой зоны бетона:
Тогда численное значение высоты сжатой зоны бетона равно:
Относительная высота сжатой зоны равна:
следовательно необходимое для изгибаемых элементов условие выполняется.
Выражение для определения площади растянутой арматуры получаем из уравнения (2):
Тогда площадь рабочей (растянутой) арматуры у тыловой грани стены равна:
Принимаем по сортаменту: 6 32 A–III As = 4825 см2.
4.2. Армирование днища камеры шлюза
Рабочая арматура лицевой грани днища подбирается по усилиям полученным в результате статического расчёта днища в 1-ом эксплуатационном случае а рабочая арматура тыловой грани днища – по усилиям полученным в результате статического расчёта днища в ремонтном случае.
При армировании днища действуем по той же схеме что и при армировании стен. В первом приближении предполагаем что арматура устраивается симметрично т. е. рабочая арматура растянутой зоны такая же как арматура сжатой зоны (). В этом случае подбор рабочей арматуры начинаем с грани где действует меньший изгибающий момент. Сопоставляем значения расчётных моментов (расчётный момент – наибольшее расчётное значение момента в днище) для эксплуатационного и ремонтного случаев:
Следовательно армирование начинаем с лицевой грани днища.
Нормальная сила N действующая в днище является растягивающей следовательно расчёт ведём как для внецентренно-растянутого элемента (продольная сила приложена за пределами расстояния между равнодействующими усилий в арматуре S и S) прямоугольного сечения по уравнениям (1) и (2) в которых:
h0 – рабочая высота сечения h0 = bдн – a = 22 – 005 = 215 м.
Расчётными усилиями являются усилия в сечении II-II днища .
Определяем высоту сжатой зоны бетона:
Относительная высота сжатой зоны бетона равна:
Эксцентриситет относительно середины расчётного сечения (расчётное сечение – в центральной части днища) составит:
.Из уравнения (1) выражаем площадь арматуры сжатой зоны (у тыловой грани) и приравниваем ее к арматуре растянутой зоны (у лицевой грани):
Принимаем по сортаменту: 9 32 A–III As = 7238 см2 .
Нормальная сила N действующая в днище является сжимающей следовательно расчёт ведём как для внецентренно-сжатого элемента прямоугольного сечения по уравнениям (1) и (2) в которых:
h0 – рабочая высота сечения h0 = bдн – a = 215 м.
Расчётными усилиями являются усилия в сечении I-I днища (cм. рис. 4 рис. 5): .
Определяем площадь рабочей (растянутой) арматуры тыловой грани принимая в качестве арматуры сжатой зоны рабочую арматуру лицевой грани с As = 5542 см2.
Тогда площадь рабочей (растянутой) арматуры у тыловой грани днища равна:
Принимаем по сортаменту: 9 32 A–III As = 7238 см2
5. Расчёт трещиностойкости железобетонных элементов камеры
Расчёт трещиностойкости необходимо произвести для лицевых граней стени и днища а для тыловых граней стен и днища допускается раскрытие трещин величина которых не превышает 025 мм. В курсовом проекте произведём расчёт только по трещиностойкости как для лицевых так и для тыловых граней элементов камеры.
5.1. Расчёт трещиностойкости в 1-ом эксплуатационном случае
Расчёт трещиностойкости лицевой грани стены производится для сечения в котором стена сопрягается с днищем. Расчёт трещиностойкости лицевой грани днища производится для сечения в которое попадает водопроводная галерея и в котором момент имеет максимальное значение. Расчёт (производится при нормативных значениях нагрузок) позволяет оценить правильность выбора высоты расчётного сечения.
Расчёт трещиностойкости стены
Расчётные усилия следующие:
где – сумма вертикальных нагрузок без учёта фильтрационного давления в предполагаемой трещине.
Для внецентренно сжатых элементов расчёт производится по условию:
где M и N – нормативный изгибающий момент и нагрузка;
Rbtser – расчётное сопротивление бетона растяжению для расчёта по предельным состояниям 2–ой группы; по сортаменту для бетона класса В30 принимаем: Rbtser = 18 МПа;
Ared и Wred – соответственно площадь и момент сопротивления приведённого сечения в которых учитывается наличие арматуры на характеристики сечения.
gc – коэффициент условия работы gc = 11;
gr – коэффициент учитывающий неупругую работу бетона растянутой зоны сечения и определяемый по формуле:
здесь c – параметр принимаемый для бетона класса В30 c = 55 см.
В курсовом проекте расчёт трещиностойкости производим по характеристикам сечения (A и W) в которых не учитывается наличие арматуры в сечении что даёт небольшое (порядка 5%) расхождении с расчётом по Ared и Wred и идёт в запас трещиностойкости. Тогда условие (5) примет следующий вид:
где A – площадь расчётного сечения равная
здесь т. к. расчёт ведётся на 1 м длины сооружения
W – момент сопротивления сечения определяемый по формуле
где J – момент инерции сечения определяемый по формуле
ht – расстояние от растянутой грани до центра тяжести сечения определяемое как
Значения приведённых выше величин следующие:
= 1 + (С +2aS)ht = 1 + (0055 + 2*005)145 = 1107
Проведём проверку условия (5.а):
Условие выполняется следовательно толщина стены в расчётном сечении подобранна верно.
Расчёт трещиностойкости днища
В качестве расчётных усилий принимаем нормативные значения усилий в сечении II-II центральной части днища: (растягивающее усилие равно сумме горизонтальных нагрузок без учёта фильтрационного давления ).
где: =1 – коэффициент сочетания нагрузок
- момент сопротивления приведенного сечения т.к. эффект приведения незначителен то считаем:
По этой же причине высота растянутой зоны
- площадь приведенного сечения
где - коэффициент приведения
=1 – коэффициент условий работы
– коэффициент учитывающий неупругую работу бетона растянутой зоны сечения
= 1 + (С +2aS)ht = 1 + (0055 + 2*005)11 = 114
- расчетное сопротивление бетона на осевое растяжение.
Условие не выполняется увеличиваем толщину до 4м.
Ared = 4 + 604*(7328+7328)*10-4 = 4089(м2)
= 1 + (С +2aS)ht = 1 + (0055 + 2*005)2 = 108
Условие выполняется принимаем njkobye 4м.
5.1. Расчёт трещиностойкости в ремонтном случае
Расчёт трещиностойкости тыловой грани стены производится для сечения в котором стена сопрягается с днищем. Расчёт трещиностойкости тыловой грани днища производится для сечения I-I (см рис. 5) в котором момент имеет максимальное значение. Расчёт (производится при нормативных значениях нагрузок) покажет будет ли происходить раскрытие трещин при работе камеры в ремонтном случае.
Расчёт производим как для внецентренно-сжатых элементов по условию (5.а) в котором расчётные характеристики сечения и коэффициенты те же что и при расчёте стены в эксплуатационном случае:
Условие не выполняется учтем арматуру:
Отношение модулей упругости арматуры к начальному модулю упругости бетона .
Приведенная площадь сечения.
Ared = A + AS = 29 + 604*4825*10-4 = 293(м2)
Приведенный статический момент относительно нижнего волокна сечения
Sred = S + ASaS = (292 *1)2+ 604*4825*10-4*005 =4206 (м3).
Положение центра тяжести приведенного сечения относительно нижнего волокна .
yred = SredAred = 4206293 =144(м).
Момент инерции приведенного сечения
Jred = J + AS(yred – aS)2
Jred = 203 + 604*4825*10-4*(144 – 005)2 =2086(м4).
Момент сопротивления сечения относительно нижнего волокна
Wred = Jredyred = 2086144 =145 (м3) .
Проведём проверку условия :
Условие при котором трещины не образуются не выполняется увеличиваем толчишу стены до 4м.
= 1 + (С +2aS)ht = 1 + (0055 + 2*005)2 = 108
Условие выполняется с запасом принимаем толщину стены 37м.
В качестве расчётных усилий принимаем нормативные значения усилий в сечении по водопроводной галерее которое ближе всего отстоит от стены:
где – cжимающее усилие равное сумме горизонтальных нагрузок без учёта фильтрационного давления ;
– изгибающий момент определяемый графически из эпюры моментов в днище (см. рис. 5).
Условие выполняется толщина днища – 4м.
Оборудование конструкции основные размеры и статические расчёты голов шлюза
1. Оборудование конструкции и основные размеры голов
Водопроводные устройства и механическое оборудование размещаются в головах судоходных шлюзов (подводящие галереи – в днище камеры при принятой распределительной системе питания) – верхней и нижней. Компоновка и конструкции голов принимаются в зависимости от места занимаемого головой в комплексе сооружений шлюза вида грунтов основания системы питания габаритов шлюза и напора на него типа механического оборудования и схемы его размещения наличия мостовых переходов. Компонуя совместно элементы системы питания конструкции и оборудования выбирается схемы их размещения в головах и основные минимально возможные размеры. При этом особое внимание должно быть обращено на взаимное положение водопроводных затворов и механизмов ворот дающее наименьшую длину и ширину голов. Учитывая вышесказанное принимаем компоновочные и конструктивные решения для верхней и нижней голов шлюза.
Верхняя голова принимается со стенкой падения что даёт пространство в которое опускается плоский рабочий затвор. Нижняя голова по условиям пропуска через неё судов стенки падения не имеет.
Головы шлюзов при нескальных грунтах основания в статическом отношении представляют собой неразрезную пространственную армированную бетонную конструкцию состоящую из фундаментной плиты (стенки падения) и жёстко связанных с ней устоев.
Верхняя голова шлюза имеет галереи размещаемые в устоях. При донном расположении галерей (в камере) осуществляется перевод галерей из-под устоев к середине камеры. Водопроводные затворы должны располагаться вместе с их ремонтными заграждениями на прямолинейных участках галерей в устоях.
Принимаем типовую при средних напорах компоновку нижней головы: основные двустворчатые ворота и водопроводные галереи в устоях. Ремонтные заграждения принимаем в виде двустворчатых ворот шкафные ниши которых размещаются в упорном массиве.
По известному напору и установленным габаритам шлюза могут быть определены размеры отдельных частей его голов – входной шкафной и упорной. Входную часть верхней головы используем для размещения аварийно-ремонтных заграждений входной части системы питания механизмов; в этом случае определяется при компоновке оборудования. Входная часть нижней головы служит лишь для сопряжения со стенами камеры. Для голов с двустворчатыми воротами створки ворот при открытом положении размещаются в углублениях устоев – шкафах длина которых . Упорную часть головы воспринимающую распор от ворот устраиваем длиной равной напору на камеру (Hd = 100м) для нижней головы и напору на пороге (hl = 35 м) для верхней.
При предварительной компоновке и конструировании голов принимаем следующие размеры необходимые для размещения оборудования:
при двустворчатых воротах угол наклона створок к прямой соединяющей оси вереяльных столбов принимаем равным ;
глубина шкафных ниш в устоях ;
глубина шкафной ниши в днище .
Расстояние от верховой грани верхней головы до паза аварийно-ремонтного подъёмно-опускного затвора принимает равным ширине пазов которую принимаем равной 30 м.
Для нижней головы с двустворчатыми основными и ремонтными воротами а также водопроводными галереями в устоях:
длина входной части по конструктивным соображениям (для возможности устройства водопроводных галерей);
ширина водопроводных галерей в устоях принимается равной
где Аоп = 98 м2 – необходимая при опорожнении камеры площадь водопроводных галерей
hоп = 25 м – принятая высота водопроводных галерей в устоях;
ширина водопроводных галерей на выходе при постоянной их высоте (hоп = 25 м) принимается равной
длина от шкафной части до конца выходных отверстий водопроводной галереи
длина от водопроводной галереи до конца головы равна
где – длина створки ремонтных ворот м равная
Ширину устоя в шкафной части назначаем равной
Тогда ширина устоя равна
by = b + d2 = 6+ 15 = 75 м.
2. Статический расчёт нижней головы шлюза
Выбранная схема нижней головы на нескальном грунте основания (супесь) проверяется на устойчивость в целом в нормальном эксплуатационном случае наполненной камеры в предположении скольжения подошвы днища по грунту.
Устойчивость головы обеспечивается при выполнении условия
где – коэффициент надёжности принимаемый как для сооружений I класса: ;
– коэффициент условий работы учитывающий возможность уплотнения грунта под подошвой головы а также наличие вертикальной составляющей бокового давления грунта на тыловые и торцевые грани головы увеличивающей её устойчивость но не учитываемой в расчёте; в курсовом проекте принимаем
– сумма расчётных значений всех сдвигающих сил кН;
– сумма расчётных значений всех удерживающих сил;
– суммарные значения гидростатического давления воды на ворота и торцы устоев и днища соответственно со стороны верхнего и нижнего бьефов;
– горизонтальная составляющая активного давления грунта на торцевую часть головы со стороны камеры;
– горизонтальная составляющая реактивного сопротивления грунта по торцовой части головы со стороны нижнего бьефа может быть вычислена при треугольной эпюре с коэффициентом бокового давления ;
– трение грунта на тыловых гранях устоев головы;
– суммарная горизонтальная составляющая бокового давления покоя грунта на участки устоев по длине головы отличающиеся отметками верха обратной засыпки;
– коэффициент трения грунта основания или обратной засыпки по контакту с бетоном головы; в курсовом проекте принимаем где – принимаемый угол внутреннего трения как для грунта основания так и для обратной засыпки;
– общий вес головы с находящимися на её конструкциях водой грунтом и оборудованием;
– полное противодавление (взвешивающее и фильтрационное) на расчётную плоскость подошвы головы.
В курсовом проекте вместо активного давления и реактивного давления давление грунта рассчитываем как давление покоя что ухудшает условия работы сооружения.
Расчёт устойчивости нижней головы против сдвига производим по схеме на рис. 6 в табличной форме:
Площадь элемента или эпюры для вычисления нагрузки м2
длина м постоянной площади
Объём м3 (или 1м вод. ст.* м2)
Удельный вес материала кНм3 (или давление 1 м вод.ст. в кПа)
Плечо относительно середины основания м
Момент относительно середины основания кНм
Вес бетона до шкафной части
Вес бетона в шкафной части
Вес бетона1 в упорном массиве
Вес бетона2 в упорном массиве
Вес бетона1 в срезах углов
Вес бетона2 в срезах углов
Вес бетона1 в водопров. галерее
Вес бетона2 в водопров. галерее
Вес затворов (принимаем)
Вес воды1 в водопров. галерее
Вес воды2 в водопров. галерее
Cумма вертикальных нагрузок
Есдв=Ев1+Ев2-Ен+Еа.г
Eуд=(Р+W)*f+Ер.г+Етр
Cумма горизонтальных нагрузок
Суммарный момент М относительно середины днища головы: (Мгор+Мверт)=
Делаем проверку условия устойчивости головы против сдвига:
Условие выполняется следовательно нижняя голова устойчива против сдвига.
Расчёт напряжений под подошвой нижней головы производим по формуле внецентренного сжатия:
где и – соответственно площадь сечения подошвы головы и момент сопротивления подошвы головы относительно середины сечения равные:
F = B.H = 3325.295 = 98088 м2;
Ординаты эпюр напряжений в основании определяем при нормативных значениях суммарной вертикальной силы Р и суммарного момента М.
Максимальная ордината эпюры напряжения в основании равна
при таком напряжении суглинок находится в упругом состоянии т.е. напряжение имеет допустимое значение.
Минимальная ордината эпюры напряжения в основании равна
Эпюра напряжений в основании представлена на рис. 6.
т.е. такая неравномерность напряжений допустима для глинистых грунтов.
2. Статический расчёт упорного массива нижней головы шлюза
Произведём проверку устойчивости упорного массива против сдвига по формуле
где – коэффициент условий работы ;
– расчётное значение веса упорного массива за вычетом фильтрационного противодавления кН;
– коэффициент сдвига бетона по бетону (по строительному шву) принимаем:;
– суммарное расчётное сдвигающее усилие кН;
– продольная составляющая распора ворот (от разности давления воды со стороны верхнего и нижнего бьефов);
– разность между давлением воды в расчётном вертикальном шве перед упорным массивом и давлением на торцевую часть массива со стороны нижнего бьефа ().
Схема сил действующих на упорную часть устоев приведена на рис. 7.
По данной схеме определяем значения сил действующих на упорный массив.
Фильтрационное противодавление воды по подошве упорного массива давление воды в расчётном вертикальном шве а также давление воды и грунта на торцевую часть массива со стороны нижнего бьефа определяем умножением объёма соответствующей эпюры на удельный вес воды.
Эпюру противодавления представляем в виде двух пирамид. Объём пирамиды определяется по формуле:
где – площадь основания пирамиды
Определяя и из чертежа находим объём эпюры фильтрационного противодавления:
тогда сила фильтрационного противодавления равна:
Объём эпюры давления в расчётном шве определяем как объём усечённой пирамиды:
где и – площади оснований пирамиды
– высота пирамиды тогда объём эпюры равен
тогда сила давления воды в расчётном шве равна:
Объём эпюры давления воды на торцевую часть массива определяем как объём призмы:
тогда сила давления воды на торцевую часть массива равна:
Объём эпюры давления грунта на торцевую часть массива определяем как объём призмы:
тогда сила давления грунта на торцевую часть массива равна:
Продольная составляющая распора ворот равна разности гидростатического давления воды на створки ворот со стороны камеры и нижнего бьефа:
где – длина створки ворот равная
тогда продольная составляющая распора ворот равна:
Вес упорного массива без учета фильтрационного противодавления равен:
Тогда расчётное значение суммарного сдвигающего усилия равно:
Расчётное значение удерживающего усилия равно:
Производим проверку условия устойчивости упорного массива против сдвига:
Условие выполняется следовательно массив устойчив против сдвига и не требуется устройство арматуры связывающей упорный массив с остальной частью устоя.
1. Выбор схемы ворот и расчёт их ригеля
На нижних головах шлюзов обычно применяются двустворчатые рабочие ворота. Механизм открывающий и закрывающий ворота – гидравлический привод. Ремонтные заграждения представляют собой плоские ворота.
Выбранная схема нижних голов на нескальных грунтах устои которых всегда жёстко связаны с днищем проверяется на устойчивость в целом при нормальном эксплуатационном расчётном случае наполненной камеры в предположении скольжения подошвы днища по грунту.
Определим габаритные размеры нижних двустворчатых ворот.
q – угол наклона ворот q = 18° 20°. Принимаем q = 20°;
bcef– полезная ширина камеры шлюза bcef = 15 м;
Толщина створки ворот:
Глубина шкафной части шлюза: .
Так как то наиболее целесообразно применить ригельные ворота получившие наибольшее распространение. Давление воды передается от обшивки на горизонтальные ригели (работают как плоские элементы трех шарнирной арки на продольное внецентренное сжатие и поперечный изгиб) каждый из которых передается на устои.
Высота створки ворот (между верхней и нижней ее кромками):
aн – заглубление оси нижнего ригеля по отношению к верху шлюза т.е. возвышение оси ригеля над порогом aн = – (0.2 0.3) м. Принимаем aн = – 0.2 м;
aв – возвышение оси верхнего ригеля над наивысшим уровнем воды принимают в зависимости от схемы привода створки и запаса на волнение aв = 0.5 1.0 м. Принимаем aн = 0.8 м;
Hд – максимальный напор на шлюз Hд = 145 м;
hL – глубина на порогах шлюза hL = 35 м.
Высота створки ворот:
Нв = - 02 + 35 + 145 + 08 = 186 м
Число и месторасположения ригелей определяется из условий их равнонагруженности. В результате ригели получаются однотипными а их прогибы – одинаковыми.
Распределим ригели по высоте с помощью интегральной кривой давления воды (собственный вес ригеля не учитывается). Сжимающее усилие в ригеле N0 находим рассматривая два смежных ригеля как трех шарнирную арку. Из треугольника сил получаем:
P – давление воды на полосу створки ворот определяемое по формуле:
bp – расстояние между ригелями по уровнем нижнего бьефа bp = 1000 1200 мм. Принимаем bp = 1000 мм.
Сжимающее усилие в ригеле N0:
К сжимающему усилию N0 следует прибавить продольное усилие от давления воды на торцы ригеля:
Полное сжимающее усилие в ригеле:
N = N0 + N1 = 180 + 17 = 197 т.
Так как линии действия сил N1 и N0 не совпадают линии действия силы N несколько сместиться от N0 в сторону обшивки. Вследствие внецентренного приложения силы N в сечении ригеля возникает изгибающий момент по знаку обратный моменту от поперечной нагрузки q разгружающий ригель.
Далее необходимо определить положение центра тяжести сечения ригеля.
При изгибе ригеля в работу вовлекается не только его сечение но и прилегающие участи обшивки а также ближайшие стрингеры. За расчетное принимается сечение ригеля состоящее собственно из ригеля участка обшивки на дне равной расстоянию между стрингерами и по половине сечения выше и ниже расположенных стрингеров.
Определим предварительную толщину ригеля:
Принимаем толщину стенки .
Расчётная площадь сечения Fр:
Статический момент относительно оси О – О Sо–о:
Смещение центра тяжести сечения относительно геометрического центра yc:
Момент инерции сечения Jx–x:
Момент сопротивления сечения W:
Эксцентриситет приложения силы N0:
t1 = (0.15 0.2)hp принимаем .
Зная yc определим эксцентриситет сжимающей силы e:
Разгружающий момент от поперченной силы:
Максимальный момент от поперечной нагрузки:
здесь q – нагрузка на один ригель q = 145 тм.
Расчетный момент соответственно:
Наибольшее нормальное напряжение в крайнем волокне обшивки:
Выбор схемы двустворчатых ворот и расчёт их ригеля
В курсовом проекте должны быть определены габаритные размеры двустворчатых нижних ворот. Длина створки ворот () и глубина шкафной части ворот () были определены 10-ой главе.
Толщину створки ворот принимаем равной
По условиям статической работы плоские ворота бывают двух типов – стоечные и ригельные. При высоте ворот принимаем ригельные ворота при которых давление воды передаётся от обшивки на горизонтальные ригели (работают как плоские элементы трёхшарнирной арки на продольное внецентренное сжатие и поперечный изгиб) каждый из которых передаёт его на устои.
Высота створки ворот считая между верхней и нижней её кромками
где – заглубление оси нижнего ригеля по отношению к верху порога шлюза т.е. возвышение оси ригеля над порогом принимаем:
– возвышение оси верхнего ригеля над наивысшим уровнем воды принимается в зависимости от схемы привода створки и запаса на волнение принимаем: ; тогда высота створки ворот равна
Число и места расположения ригелей определяются из условий их равнонагруженности и следовательно они получаются однотипными а прогибы – одинаковыми.
Распределяются ригели по высоте с помощью интегральной кривой давления воды. Основная нагрузка на ригель – давление воды; собственный вес ригеля в расчёте не учитывается. Сжимающее усилие в ригеле находят рассматривая два смежных ригеля как трёхшарнирную арку. Из треугольника сил построенного для одной из створок получаем формулу для определения реакции в опорном шарнире
где P – сила давления воды на полосу створки ворот;
где – расстояние между ригелями под уровнем нижнего бьефа принимаем: .
Конструкция ригеля в торцах такая что линия действия силы отстоит от безнапорной грани ригеля на расстоянии t0 (). Принимаем:
К сжимающему усилию необходимо добавить продольное усилие от давления воды на торцы ригеля
Полное сжимающее усилие в ригеле составит
Найдём расстояние на которое отстоит линия действия силы от тыловой грани ригеля:
Вследствие внецентренного приложения силы в сечении ригеля возникает изгибающий момент по знаку обратный моменту от поперечной нагрузки q который будет разгружать ригель.
Для последующего расчёта ригеля необходимо определить положение центра тяжести сечения ригеля.
При работе ригеля в работу вовлекается не только его сечение но и прилегающие участки обшивки а также ближайшие стрингеры. За расчётное сечение принимается сечение ригеля состоящее из собственно ригеля участка обшивки по длине равной расстоянию между ригелями под уровнем нижнего бьефа () а также по половине сечения выше и ниже расположенных стрингеров.
Толщину стенки ригеля предварительно определяем по формуле
В качестве стрингера принимаем два равнобоких уголка L140. Площадь каждого уголка: ; расстояние от лицевых граней до центра тяжести сечения: .
Расчётное сечение ригеля представлено на рис. 8. «К расчёту ригеля ворот шлюза».
Определим характеристики сечения ригеля.
Площадь сечения расчётного складывается из площадей следующих элементов: уголков у напорной грани () уголков у безнапорной грани () листа обшивки напорной грани () листа обшивки безнапорной грани () а также стенки ригеля ().
Статический момент расчётного сечения относительно оси х-х совпадающей с безнапорной гранью ригеля складывается из статических моментов следующих элементов: уголков у напорной грани () уголков у безнапорной грани () листа обшивки напорной грани () листа обшивки безнапорной грани () а также стенки ригеля ().
Координату у0 (расстояние от оси х-х до параллельной ей оси 0-0 проходящей через центр тяжести расчётного сечения) центра тяжести расчётного сечения относительно оси х-х определяем при помощи схемы расчётного сечения ригеля на рис. 8. по формуле:
Таким образом центр тяжести расчётного сечения отстоит на 949 мм от безнапорной грани ригеля в которой будет возникать наибольшее нормальное напряжение. Определим смещение центра тяжести сечения относительно геометрического центра сечения
Зная определим эксцентриситет сжимающей силы относительно оси 0-0:
Тогда разгружающий момент будет равен
Максимальный момент от поперечной нагрузки ( ) равен
Расчётный момент будет равен
Для нахождения напряжений в ригеле необходимо найти момент инерции сечения относительно центральной оси 0-0. Момент инерции каждого из элементов сечения относительно 0-0 определяется по формуле:
где – момент инерции элемента относительно собственной центральной оси;
– расстояние от собственной центральной оси элемента до оси 0-0;
– номер элемента соответственно уголков у напорной грани (1) уголков у безнапорной грани (2) листа обшивки напорной грани (3) листа обшивки безнапорной грани (4) а также стенки ригеля (5).
Тогда момент инерции всего сечения определяется по формуле:
Момент инерции элемента прямоугольного сечения относительно собственной центральной оси определяется по формуле:
где – ширина элемента (параллельна оси 0-0);
– высота элемента (перпендикулярна оси 0-0).
Момент инерции относительно собственной центральной оси для уголка L140 определяем по сортаменту: .
С учётом приведённых выше формул и определённых значений а также при помощи схемы расчётного сечения ригеля на рис. 8. определяем значение момента инерции всего сечения ригеля относительно оси 0-0:
С учётом определённых усилий в сечении (N и M ) и характеристик сечения (и y0) находим наибольшее нормальное растягивающее напряжение в крайнем волокне обшивки
т.е. возникающие напряжения находятся за пределами упругой работы стали следовательно необходимо изменять расчётное сечение ригеля. Новое принятое сечение представлено на рис. 8.
Произведём расчёт в соответствии с вновь принятым сечением:
Тогда расчётный момент будет равен
При помощи схемы расчётного сечения ригеля на рис. 8. определяем значение момента инерции всего сечения ригеля относительно оси 0-0:
т.е. возникающие напряжения находятся в пределах упругой работы стали следовательно оставляем принятое сечение ригеля.