Судоходный шлюз

Исходные данные 4
1 Определение габаритных размеров шлюза 6
1.1 Определение полезной длины камеры 6
1.2 Определение полезной ширины камеры 7
1.3 Определение глубины на порогах шлюза 7
1.4 Окончательные габаритные размеры шлюза 8
2 Выбор системы питания шлюза 9
3 Гидравлический расчет системы питания шлюза 10
4 Определение габаритов подходных каналов 18
5 Процесс шлюзования и составляющие его операции 22
6 Определение грузопропускной способности шлюза 26
7 Основные расчетные случаи для шлюза 29
7.1 Эксплуатационный случай 29
8 Основные расчетные случаи для днища 36
8.1 Эксплуатационный расчетный случай. Подсчет нагрузок на днище камеры 38
8.2 Контактное давление в упругом решении 40
8.3 Контактное давление в упругопластическом решении 41
8.4 Осадка камеры шлюза 44
8.5 Изгибающие моменты в днище от горизонтальных сил 44
8.6 Упругое решение 46
9 Расчёт железобетонных элементов па прочности и трещиностойкости 49
9.1 Расчёт армирования стен камеры шлюза 49
9.2 Расчет армирования днища камеры шлюза 52
10 Поверочный расчет камеры шлюза на ПЭВМ 55
10.1 Исходные данные для расчета шлюза по программе SCAD 55
10.2 Результаты расчета основных элементов камеры шлюза 57
Заключение 58
Список использованных источников 59
Приложение 1. Высотная разбивка камеры 60
Приложение 2. Схема проходного сечения канала 61
Приложение 3. График шлюзований через однокамерный шлюз при одностороннем движении 62
Приложение 4. График шлюзований через однокамерный шлюз при двустороннем движении 63
Приложение 5. Расчётная схема с действующими нагрузками для определения усилий 64
Приложение 6. Поперечное сечение шлюза 66
Приложение 7. Схема нагрузок на днище 67
Приложение 8. Эпюра реакции грунта 68

Все нагрузки, действующие на днище, приводятся к центральной оси днища, тогда изгибающий момент равен:где ΣМст – сумма моментов в эксплуатационном и ремонтном случаях, действующих на стену камеры шлюза;ΣРстгор,i – сумма горизонтальных сил в эксплуатационном и ремонтном случаях, действующих на стену камеры шлюза;bдн – толщина днища камеры шлюза, bдн = 6 м;ΔМЕ и ΔМW – моменты, действующие на днище со стороны грунта засыпки и грунтовых вод в эксплуатационном и ремонтном случаях, определяемые по формулам:где х1’, x2’ – плечо, относительно центральной оси.1. Эксплуатационный случай:8.6 Упругое решениеПостроим эпюру моментов методом сечений в днище камеры. Значения ординаты эпюры изгибающих моментов в сечении зависят от реакции грунта основания, действующего сосредоточенного момента относительно центральной оси днища, равномерно-распределённой нагрузки (q - q'), сосредоточенной силы (ΣPствepm+ Рф).Эпюра реакции грунта основания на участках длиной L/8 заменяетсяравнодействующей силой Ri=Σσi∙L/8 (площадь участка). Наибольший практическийинтерес представляет днище между внутренними участками стен.1. Эксплуатационный случай (Рф – отсутствует):Сечение 1-1 (относительно наружной стены) (см. приложение 6):Сечение 2-2 (относительно середины днища):8.7 Упругопластическое решение1. Эксплуатационный случай (Рф – отсутствует):Сечение 1-1 (относительно наружной стены) (см. приложение 9):Сечение 2-2 (относительно середины днища):Эпюра моментов в днище камеры шлюза для эксплуатационного случая представлена в приложении 10.9 Расчёт железобетонных элементов па прочности и трещиностойкости9.1 Расчёт армирования стен камеры шлюзаРасчёт прочности при расчётных нагрузках позволяет определить площадь поперечного сечения арматуры в лицевой и тыловой гранях стен камеры шлюза.Расчёт выполняется как для внецентренно сжатых элементов в соответствии со СНиП 2.06.08-87.Для прямоугольных сечений расчёт производится по формулам:Для расчетов принимаем:бетон марки В30 с расчетным сопротивлением сжатию Rb=17 МПа (173 кгс/см2=1730 т/м2), растяжению Rbt=1,2 МПа (12,2 кгс/см2=122 т/м2);арматуру класса А-III с расчетным сопротивлением стали сжатию Rsc=365 МПа (3750 кгс/см2=37500 т/м2), растяжению Rs=365 МПа (3750 кгс/см2=37500 т/м2);γlc – коэффициент сочетания нагрузок, γlc=1,15;γn – коэффициент надежности, γn=1,15;γc – коэффициент условия работы, γc=1,1;γb – коэффициент условия работы бетона, γb=1,17;γs – коэффициент условия работы арматуры, γs=1,1;N – равнодействующая нормальных сил, действующих в сечении;М – суммарный изгибающий момент в сечении;As – площадь сечения арматуры, расположенной в растянутой зоне;А’s– площадь сечения арматуры, расположенной в сжатой зоне;е - расстояние от точки приложения продольной силы до равнодействующейусилий варматуре;х– высота сжатой зоны (бетона);b – ширина прямоугольного сечения, b = 1м;а, а’ – толщина защитного слоя для растянутой и сжатой арматуры, а=а’=0,05 м;ho– рабочая высота сечения, h0= bст - а = 4,00 - 0.05 = 3,95 м;1 Эксплуатационный случайΣМэ=210,2 т∙мΣNэ=62,0 т.Применяем симметричное армирование As=A’s, тогдаОпределяем 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 ξ, и относительной высотой сжатой зоны бетонаξR, при которой предельное состояние наступает одновременно с достижением в растянутой арматуре напряжения, равному расчётному сопротивлениюRs с учётом соответствующих коэффициентов условий работы арматуры.Относительная высота сжатой зоны:Изгибаемые элементы должны удовлетворять условию:Для элементов, симметричных относительно плоскости действия момента и нормальной силы, нормированных ненапрягаемой арматурой, граничные значения принимают по таблице 16 (СНиП 2.06.08-87). Для бетона класса В30 и арматуры А-III принимаем ξR = 0,6. Условие выполняется.Эксцентриситет относительно середины стенки составит:Отсюда расчетный эксцентриситет:Определяем площадь сжатой арматуры в лицевой грани по формуле:Принимаем по сортаменту следующее армирование:6 Ø12 А-III, A’s=6,786 см2 в два ряда с шагом 200 мм.9.2 Расчет армирования днища камеры шлюзаРасчёт прочности позволяет определить прочность поперечного сечения в лицевой и тыловой гранях днища. Арматуры лицевой грани подбирается по эксплуатационному случаю, а тыловая - по расчётному.Находим площадь растянутой арматуры лицевой грани. 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') по формуле для прямоугольных сечений:где h0 – рабочая высота сечения, h0=bдн-а=6-0,05=5,95 м.ΣМ2э=263,95 т∙мΣN2э=34,7 т.Применяем симметричное армирование As=A’s, тогдаОпределяем высоту сжатой зоны бетона:Относительная высота сжатой зоны:Условие выполняется.Эксцентриситет относительно середины стенки составит:Отсюда расчетный эксцентриситет:Определяем площадь сжатой арматуры в лицевой грани по формуле:Принимаем по сортаменту следующее армирование:8 Ø12 А-III, A’s=9,048см2 в два ряда с шагом 200 мм.Рисунок 4 – Схема армирования камеры шлюза10 Поверочный расчет камеры шлюза на ПЭВМ10.1 Исходные данные для расчета шлюза по программе SCADРасчетная схема камеры шлюза представляет собой плоскую стержневую раму переменной жесткости, связанную с упругим основанием в виде модели Винклера с переменным коэффициентом постели.В расчетных случаях используется переменная жесткость стены - EIi постоянная на каждом участке стержневой системы (Ii = l(b)3/12 – момент инерции 1пог. м по ширинесечения стены, где b - осредненная толщина участка стержневой системы; Е – модульдеформации бетона).1 Эксплуатационный случайНагрузка принимается в биде результирующей эпюры боковых воздействий от давления воды в камере и засыпки песка Σqр а также сосредоточенной вертикальной силы от веса стены, полученных выше.Коэффициент постели (боковой) для стены камеры шлюза в отличие от нормированного (вертикального) коэффициента постели зависит от глубины рассматриваемой точки на стенке и различных свойств грунта по взаимно перпендикулярным направлениям (анизотропность):гдеКа – коэффициент, учитывающий анизотропию грунта (в несвязных и илистых грунтах он равен 1,0, в суглинках и глинах - 0,7); Е = 10 МПа;у - глубина рассматриваемой точки. При у ≥ h1 принимаем Кп = const.h1= (σп* - qλn)/γλп –базовая глубина, определяемая из предельного бокового давления грунта. Она отвечает значению пассивного давления σп*=0,3 МПа, при котором составлены табличные нормативные значения Е;q – распределенная нагрузка на поверхности грунта;λп – коэффициент пассивного давления при δ = φ;μ = 0,33 – коэффициент Пуассона;φ – угол внутреннего трения грунта засыпки и основания.В курсовом проекте принимаем: φ=24°, Е = 1000 тс/м2, μ = 0,33,Ка = 1, q = 0.Днище. Результирующая вертикальная нагрузка от действия воды в камере, веса днища и взвешивающего давления воды на днище представляется в виде прямоугольной эпюры qв. Жесткость 1 пог. м днища EIi с учетом галерей принята постоянной, в виде эквивалентной балки толщиной bдн = 0,6hдн. Момент инерции балки:Коэффициент постели Кп=50 МПа, λn=5,67.В процессе расчета по программе определяется напряженно-деформированное состояние камеры шлюза.Общие положения для рассматриваемых случаев:- Марка бетона В30;- Моменты инерции элементов рассматриваемой расчетной схемы автоматически высчитываются в программе StructureCADпри занесении данных марки бетона и размеров сечений.После занесения всех данных в программу, проводим экспресс контроль исходной схемы. После чего переходим в экран управления проектом, где выбираем линейный расчет. Когда программа закончит расчет схемы, при условие что все было задано верно можно перейти во вкладку Результаты (Графический анализ), где выбрав наши загружения для эксплуатационного и ремонтного случая программа выдаст эпюры. В Bar фильтры отображения нажимаем оцифровка изополей/изолиней. После чего на эпюрах будут отображены цифровые величины моментов.10.2 Результаты расчета основных элементов камеры шлюзаЭпюры изгибающих моментов камеры, вычисленные на ЭВМ, в отдельных случаях, могут не совпадать с эпюрами, показанными и полученными для абсолютно жесткого днища и равномерного распределения нагрузок. Однако, как показывает практика, значительная часть несовпадений возникает от допущенных алгебраических ошибок ручного счета.Результатов расчета стен и днища в упругой постановке в ручном и электронном вариантах представлены в табл. 10.Таблица 10 используется в дальнейшем при подборе арматуры в стенах и днище камеры бетонного судоходного шлюза неразрезной конструкции.Таблица 10 – Сводная таблица максимальных изгибающих моментов в камереРасчетные случаиМаксимальный расчетный изгибающий момент М, кН∙мручнойПЭВМ123СтенаЭксплуатационный (стена неподвижна)263,95255,25ДнищеЭксплуатационный (упругий)210,2199,77ЗаключениеВ данном курсовом проекте выполнен расчет судоходного шлюза.Определены необходимые габаритные размеры шлюза:длина – lc,ef=300 м;ширина – bc,ef=20 м;высота – hl=4,0 м.Также выбрана система распределительная система питания шлюза; проведен гидравлический расчет системы питания шлюза, в результате чего построены графики зависимости расхода, напора и давления от времени; определены габариты подходных каналов. Определено время шлюзования при одностороннем и двустороннем шлюзовании, которое составило 43,3 и 36,73 минут соответственно. Грузопропускная способность шлюза, по итогу расчета, за год составляет 6,93 млн.тонн груза.Произведен расчет днища, а также расчёт железобетонных элементов па прочности и трещиностойкости. По результатам данных расчетов можно сделать вывод о надежности конструкции.Также выполнен поверочный расчет на ПЭВМ. Результаты данных расчетов расходятся менее чем на 5%, что можно отнести на погрешности при округлении и введенные допущения при расчетах. В связи свышеперечисленным возможно сделать выводы о том, что расчеты в курсовом проекте произведены корректно.Список использованных источников1. Гидротехнические сооружения водных путей портов и континентального шельфа. Расчет бетонных камер судоходных шлюзов: учебно-методическое пособие B.C. Коровкина. – СПб. : Изд-во Политехн. унта, 2010. – 79с.2. СНиП 2.06.07-87. Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения.Приложение 1. Высотная разбивка камерыПриложение 2. Схема проходного сечения каналаПриложение 3. График шлюзований через однокамерный шлюз при одностороннем движенииПриложение 4. График шлюзований через однокамерный шлюз при двустороннем движенииПриложение 5. Расчётная схема с действующими нагрузками для определения усилийРасчетная схемаСхема действующих нагрузок на стенуПриложение 6. Поперечное сечение шлюзаПриложение 7. Схема нагрузок на днищеПриложение 8. Эпюра реакции грунта